1.2 风力发电技术

风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。本节对两种主要的风力机机型，即水平轴风力机与垂直轴风力机各组成部件作简要介绍，并概述了离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。

1.2.1 风力机类型

实现将风能转化为电能的装置是风力发电机组。风力发电机组的单机容量由几十瓦到几兆瓦不等，按照容量大小可将风力发电机组分为大型 （100kW 以上）、中型 （10～100kW）、小型 （1～10kW）和微型 （50～1000W）；按照风轮结构及其旋转轴相对于气流的位置又可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，其中旋转轴与气流平行的为水平轴风力机，与气流垂直的为垂直轴风力机。

1.水平轴风力机

水平轴风力机一般由叶片、轮毂、机舱、叶轮轴与主轴连接件、主轴、齿轮箱、刹车机构、联轴器、发电机、散热器、冷却风扇、风速仪与风向标、控制系统等部件所组成，水平轴风力机结构体系示意图如图1-6所示。叶片安装在轮毂上组成风轮，其作用是将风能转换为机械能，低速转动的风轮由增速齿轮箱增速后，将动力传递给发电机。齿轮箱与发电机都布置在机舱里，机舱由塔架支撑。为了有效地利用风能，偏航装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使风轮始终正对风向。由于齿轮箱在兆瓦级风力机中损坏率较高，国外研制出了直驱型风力机，这种风力机采用风轮与多级异步电机直接连接并进行驱动的方式，避免使用齿轮箱。

图1-6 水平轴风力机结构体系示意图

1—叶片；2—轮毂；3—机舱；4—叶轮轴与主轴连接件；5—主轴；6—齿轮箱；7—刹车机构；8—联轴器；9—发电机；10—散热器；11—冷却风扇；12—风速仪与风向标；13—控制系统；14—液压系统；15—偏航驱动；16—偏航轴承；17—机舱盖；18—塔架；19—变桨距系统

2.垂直轴风力机

垂直轴风力机一般由叶片、支撑杆、轴套、塔架、基座、机房、传动轴、发电机、刹车装置、电器柜等部件组成，垂直轴风力机结构体系示意图如图1-7所示。叶片截面一般采用NA-CA00XX系列对称翼型，叶片通过水平支撑杆与转子中心支柱连接。转子中心支柱一般为薄壁圆筒钢管，部分采用三菱柱桁架结构。刹车装置、变速箱与发电机可安装在地面，结构稳定性好，便于维修。

图1-7 垂直轴风力机结构体系示意图

1—叶片；2—水平支撑杆；3—斜支撑杆；4—轴套；5—塔架；6—基座；7—机房；8—传动轴；9—发电机；10—刹车装置；11—电器柜

实践表明，与水平轴风力机相比，垂直轴风力机单位千瓦的投资成本可下降50%左右，且维护费用低、检修简单、寿命更长。由于研究不足，一段时间内人们普遍认为垂直轴风力机风能利用率低于水平轴风力机，因此垂直轴风力机不被重视。后经大量的试验和计算表明垂直轴风力机实际风能利用率可达0.4以上，与水平轴风力机相当。因此，发展垂直轴风力机发电技术可有效降低风电成本，对风电行业的发展具有重大意义。

1.2.2 风力发电方式

风力发电主要运行方式有离网型和并网型两大类。

1.2.2.1 离网型风力发电

离网型风力发电多针对微小型风力机。微小型风力机因其安装方便、机动性高等优点已被广泛应用于风力资源丰富的地区。目前，我国安装使用的微小型风力机有50W、100W、150W、200W、300W、500W、1kW、2kW、3kW、6kW和10kW等11种型号若干种机型。微小型风力机由叶片、发电机、回转体、尾翼、立柱、蓄电池和底座等构成。由于风是间歇性的，利用风力发电并希望得到稳定电能的简单办法就是利用蓄电池，具体方法为：强风时，将发出的电输入蓄电池中；风力不足时，由蓄电池进行放电输出电能。离网型风力发电通常包括独立运行和组合运行两种方式。

1.独立运行方式

独立运行方式，又称离网运行方式，通常是一台小型风力发电机组向一户或几户居民提供电力，用蓄电池储能，以保证无风时的用电。

2.组合运行方式

风力发电与其他发电方式 （如柴油机发电或太阳能发电）相结合，向一个单位、一个村庄或一个海岛供电。组合运行方式的小型风力发电机组，是我国远离电网的边远偏僻农村、牧区、海岛和特殊处所发展风力发电解决其基本用电问题的主要运行方式，除具有风力发电的一般优点外，其自身优点主要如下：

（1）机动性高。小型发电机可配合需要增加或变更组件大小。

（2）安装方便。可根据需要随时安装，安装简单，快速解决日常用电问题。

（3）能源使用多元化。小型发电机可与多种不同的可再生能源组合，方便可靠。

（4）量身定做。某些小型发电机种可以配合实际的电力需求调节发电量，提升发电效率。

（5）减少对环境的冲击。代替传统能源，减少环境污染。

1.2.2.2 并网型风力发电

离网型风力发电在没有电网覆盖、人烟稀少的地方能够发挥其特有优势，但是其缺点也明显，即不能保证供电质量 （电压和频率的稳定性）和可靠性 （发生故障就得停电）。相对于离网型风力发电，并网型风力发电则能确保供电质量与可靠性，也是最具发展前景和规模化、商业化的风力发电方式。

并网型风力发电系统是指风力机与电网相连，向电网输送有功功率，同时吸收或者发出无功功率的风力发电系统，一般包括风力机 （含传动系统、偏航系统、液压与制动系统、发电机、控制和安全系统等）、线路、变压器等。电网供电与单机供电相比，其优点主要如下：

（1）提高了供电的可靠性，一台风力机发生故障或定期检修不会引起停电事故。

（2）提高了供电的经济性和灵活性，例如风电厂与火电厂并联时，两种电厂可以调配发电，使得风资源与化石燃料资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性。

（3）提高了供电质量，电网的容量巨大 （相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大），单台发电机的投入与停机或个别负载的变化对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。