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史上最全风力发电机知识汇总

国际新能源网  来源:风电头条  日期:2017-07-06
   风力发电机是什么
 
  定义:风力发电机是将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转,最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
 
  历史:人们利用风能的历史有3000多年,1891年,丹麦人PoulLaCour第一个制造了用来发电的风车。1941-42丹麦的F.L.Smidth公司建造的风车可以看成世界现代风车的前身。
 
  风力发电机原理
 
  风力发电的原理,是将风能转换为机械能,机械能转换为电能的电力设备。广义地说,它是一种以太阳为热源,以大气为工作介质的热能利用发动机。是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。

 
风电机组结构示意图
 
  风力发电机因风量不稳定,故其输出的是13~25V变化的交流电,须经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成交流220V市电,才能保证稳定使用。
 
  风力发电机构造
 
  风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要,各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体,定子绕组切割磁力线产生电能。
 
  机舱:机舱包容着风力发电机的关键设备,包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子,即转子叶片及轴。
 
  转子叶片:捉获风,并将风力传送到转子轴心。
 
  轴心:转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
 
  低速轴:风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
 
  齿轮箱:齿轮箱左边是低速轴,它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
 
  高速轴及其机械闸:高速轴以1500转每分钟运转,并驱动发电机。它装备有紧急机械闸,用于空气动力闸失效时,或风力发电机被维修时。
 
  发电机:通常被称为感应电机或异步发电机。
 
  偏航装置:借助电动机转动机舱,以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
 
  电子控制器:包含一台不断监控风力发电机状态的计算机,并控制偏航装置。为防止任何故障(即齿轮箱或发电机的过热),该控制器可以自动停止风力发电机的转动,并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
 
  液压系统:用于重置风力发电机的空气动力闸。
 
  冷却元件:包含一个风扇,用于冷却发电机。此外,它包含一个油冷却元件,用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。
 
  塔:风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势,因为离地面越高,风速越大。
 
  风速计及风向标:用于测量风速及风向
 
  尾舵:常见于水平轴上风向的小型风力发电机(一般在10KW及以下)。位于回转体后方,与回转体相连。主要作用一为调节风机转向,使风机正对风向。作用二是在大风风况的情况下使风力机机头偏离风向,以达到降低转速,保护风机的作用。
 
  风力发电机类型
 
  分类
 
  依风机旋转主轴的方向可分为:
 
  水平轴式风机:转动轴与地面平行,叶轮需随风向变化而调整位置;
 
  垂直轴式风机:转动轴与地面垂直,设计较简单,叶轮不必随风向改变而调整方向。
 
  按桨叶受力方式分:
 
  升力型风机和阻力型风机
 
  按桨叶数量分类分:
 
  “单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机;
 
  按照风机接受风的方向分:
 
  上风向型:叶轮正面迎着风向
 
  下风向型:叶轮背顺着风向,两种类型。
 
  按照功率传递的机械连接方式的不同分为:
 
  “有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。
 
  根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为:
 
  “定桨距(失速型)机组和“变桨距机组
 
  按照叶轮转速是否恒定可分为:
 
  “恒速风力发电机组和“变速风力发电机组
 
  据风力发电机组的发电机类型可分为两大类:
 
  “异步发电机型” “同步发电机型”
 
  异步发电机按其转子结构不同又可分为:
 
  (a) 笼型异步发电机;(b) 绕线式双馈异步发电机
 
  同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为:
 
  (a) 电励磁同步发电机;(b) 永磁同步发电机
 
  根据风机的输出端电压高低化可分为:
 
  “高压风力发电机和“低压风力发电机
 
  根据风机的额定功率化可分为:
 
  微型机:10 kW 以下
 
  小型机:10 kW 至100 kW
 
  中型机:100 kW 至1000 kW
 
  大型机:1000 kW 以上(MW 级风机)
 
  直驱永磁同步风力发电机
 
  永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。
 
  风力发电机维护
 
  定期维护检修
 
  定期检修维护工作的主要内容有:风机所有联接件之间的螺栓力矩检查(包括电气连接),各传动部件之间的润滑油脂和各项功能测试自检。定期维护可以让设备保持最佳期的运行状态,并延长风机的使用寿命。
 
  风机运行中时,各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中,极易使其松动,为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切,必须定期对其进行螺栓力矩的检查。
 
  润滑系统有稀油润滑(或称矿物油润滑)和干油润滑(或称润滑脂润滑)两种方式。
 
  风力发电机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方式,维护方法是补加和采样化验法,这些部件由于运行温度较高,极易变质,导致轴承磨损。
 
  风机日常维护
 
  风机在运行中,经常会出现一些故障必须到现场去处理,有时可进行一下常规的维护工作。
 
  首先:要仔细检查风机内部的安全平台和梯子是否牢固,升降机是否工作正常,塔筒里的照明是否良好,液压站的表计压力是否正常液压油及齿轮箱油位是否在正常位置,转动部件与旋转部件之间有无磨损,齿轮油及液压油的滤清器的指示是否在正常位置及运转声音等。
 
  第二:听一下控制柜里是否有放电的声音或异常声音,有声音就可能是有接线端子松动,或接触不良,须仔细检查,听偏航时的声音是否正常,有无干磨的声响,听齿轮箱有无异响,听刹车闸盘与闸垫之间有无异响,听发电机的工作声音和轴承有无异响,听叶片的切风声音是否正常。
 
  第三:工作后要清理干净工作现场,便于今后工作中观察有无泄漏。
 
  虽然上述的常规维护检修项目并不是很完全,我们只要每次都能做到认真、仔细,一定能提前预防,尽早发现及时处理,防止出现故障隐患,提高设备的使用完好率和可利用率。
 
  十款最火的风力发电机
 
  歌美飒2.0风机
 
  歌美飒G97-2.0是歌美飒2.0MW风机系列的最新成员之一,是市场上最常用最受欢迎的风机品牌。改风机是为了满足日益增长的中低速风场高产能的需求而生产的。歌美飒2.0风机已经在37个国家装机22GW,成为市场上最成功的风机品牌之一,如今又有新出的G97-2.0MW风机。
 
  金风GE82-1.5
 
  金风GE82-1.5转轮直径为82m,扫风面积为5324平方米,切入风速是3米每秒,是三叶片、变浆变速、直驱永磁同步风电机组,机组生存温度可达到-40摄氏度至+50摄氏度。
 
  维斯塔斯V100-2.0
 
  维斯塔斯V100-2.0直径100米,叶片长度为49米,切入风速为3米每秒,扫风面积为7854平方米。在中低速风电场开发中提升风电产出,可在-30摄氏度的低温下正常运行。由于其49米长的叶片,风机可以在中低速风场产出更多风电,将为客户提供更多的利益。
 
  金风GW93-1.5
 
  金风GW93-1.5转轮直径为93米,扫风面积为6733平方米,切入风速是2.5米每秒,是三片叶、变桨距、永磁直驱风电机组,机组生存温度可达到-40摄氏度至+50摄氏度。

  GE 1.7-100
 
  GE 1.7-100叶片直径为103米,叶片长度为48.7米,与GE1.6-82.5相比扫风区域增大47%,在7.5米每秒的风速中比1.7-100AEP多产出24%的风电。GE1.7-100在7.5米每秒风度的总装机中占比57%,遥遥领先。
 
  金风GW87-1.5
 
  金风GW87-1.5转轮直径为87米,扫风面积为5909平方米,切入风速为3米每秒,是三叶片、变桨距、是永磁直驱风电机组,机组生存温度可达到-40摄氏度至+50摄氏度。
 
  金风GW115-2.0
 
  金风GW115-2.0转轮直径为115米,叶片长56.5米,切入风速为2.5米每秒。金风科技1152.0MW机组是新疆金风科技股份有限公司专门针对超低风速区域设计的一款新型机组,具有技术先进,可靠性高等特点,是金风科技最具优势机组之一。它在设计上实现了新的技术突破,采用了全新的设计概念“额定功率下最佳叶轮跟踪”,显著提升了吸风效率。
 
  海装风电HZ111-2.0
 
  海装风电HZ111-2.0风机直径为111米,切入风速是3米每秒,扫风面积为9677平方米。是海装风电针对中国弱三类风机需求开发的一款新产品,为三叶片、上风向、水平轴、电气变浆、变速恒频、主动对风、传动链采用两点支撑原理的机组。
 
  维斯塔斯V110-2.0
 
  维斯塔斯V110-2.0直径为110米,叶片长度54米,扫风面积为9503平方米,能在3米每秒的风速中启动,也能在-30摄氏度至40摄氏度的温度区间正常运转。
 
  西门子SWT-2.3-108
 
  西门子SWT-2.3-108直径108米,叶片长度53米,扫风面积为9144平方米,是西门子2.3MW风机的新成员,它在低风速风电场中能产出更多风电,是获得客户高度认可的成功案例之一。
 
  风机小知识
 
  风机叶片为何很窄
 
  首先大家要知道:风力机是用来吸收风能而不是用来阻挡风能的!
 
  像家用风扇的扇叶有两种,风扇是为了产生更大的风,而风力发电是为了更多的利用风能,产生一个让它旋转的力,也就是通过扇叶的弧度产生的向侧面的力。
 
  但是风能有一个问题,风吹的面积很大,如果扇叶面积大了,一是向后推的力太大,风力发电机会倒,二是风能利用率太低了(扇叶面积大了大部分风能都无法被转换成侧面的推力)。
 
  现在采用的三叶片和低宽度(实度),在旋转起来的情况下,能够最大限度的吸收风能。叶片设置的宽了,反而影响气流通过叶片旋转平面,不利于风能的吸收,通过风轮旋转平面前风速v1与平面后风速v2以一定比例时,其效率最高,为59.3%,也称为贝茨极限。
 
  风机为何是三个叶片
 
  其实风机的叶片数目有1到8片甚至十几片不等,但是常见的却是三叶片风机。
 
  先介绍一个有关风力发电机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片(在风向投影)的总面积与风通过风轮的面积(风轮扫掠面积)之比称为实度(或称实度比、容积比)。图2是单叶片、双叶片、三叶片、12叶片四种风轮的示意图,风轮实度的计算方法如下: S为每个叶片对风向的投影面积,R为风轮半径,B为叶片个数,σ为实度 σ=BS/πR^2。
 
2017-07-05_160710
 
  图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比低,是低实度风轮,12叶片的风轮实度比高,是高实度风轮。从图中看三个细细的叶片似乎让大多数
 
  风都漏掉了,为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢?
 
  图3左图是风通过普通三叶片的气流示意图,气流通过叶轮做功后速度减慢,气流体积有所增大。图3右图是风通过多叶片的气流示意图,多叶片大大增加了气体通过的阻力,气流会分开绕过叶轮流向后方,只有部分气流通过叶轮做功。由于阻力大,通过叶片的风速也会降低,所以叶轮实际得到的风功率减少了,这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。
 
2017-07-05_160720
 
  低实度少叶片风轮是不是让绝大部分气流漏掉了呢?也不是。低实度风力机运转速度较高,叶片线速度较风速高许多倍,可扫过大部分通过的气流,没经过叶片的仅是少部分,大部分通过的气流都推动叶片运转,大部分风能得到利用。选取多少叶片合适,国内外做了大量实验,二、三、四叶片是风力发电机常用的选择,用得最多的是三叶片。当然选择三个叶片还有风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因。
 
  多叶片风轮的实度大,风能利用率相对低一些。在风速稳定的地区特别是低风速地区,根据不同用途,采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。
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