典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件介紹
我們以目前使用最為廣泛的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例關(guān)于其結(jié)構(gòu)作一介紹,它主要由葉輪，調(diào)速或限速裝置，偏航系統(tǒng)，傳動機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，塔架等組成：
葉輪風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的最主要特征就是葉輪。葉輪一般由 2～3 個葉片和輪轂所組成, 其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能．除小型風(fēng)力機(jī)的葉片部分采用木質(zhì)材料外,中、大型風(fēng)力機(jī)的葉片都采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料制成。風(fēng)力機(jī)葉片都要裝在輪轂上。輪轂是葉輪的樞紐, 也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力,都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng),再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距(使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動) 的所在。輪轂的作用是連接葉片和低速軸，要求能承受大的，復(fù)雜的載荷。中小型風(fēng)機(jī)常采用剛性連接，兆瓦級風(fēng)力機(jī)常采用蹺蹺板連接方式。
調(diào)速或限速裝置：在很多情況下, 要求風(fēng)力機(jī)不論風(fēng)速如何變化轉(zhuǎn)速總保持恒定或不超過某一限定值, 為此目的而采用了調(diào)速或限速裝置。當(dāng)風(fēng)速過高時, 這些裝置還用來限制功率, 并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型,但從原理上來看大致有三類:一類是使葉輪偏離主風(fēng)向,另一類是利用氣動阻力,第三類是改變?nèi)~片的槳距角。
偏航系統(tǒng)：為了讓葉輪能自然地對準(zhǔn)風(fēng)向,通常風(fēng)機(jī)都會采用調(diào)向裝置, 對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言, 一般采用的是電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)。整個偏航系統(tǒng)由電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護(hù)裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。風(fēng)向標(biāo)對應(yīng)每一個風(fēng)向都有一個相應(yīng)的脈沖輸出信號, 通過偏航系統(tǒng)軟件確定其偏航方向和偏航角度,然后將偏航信號放大傳送給電動機(jī),通過減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動風(fēng)力機(jī)平臺, 直到對準(zhǔn)風(fēng)向為止。
傳動系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)的傳動系統(tǒng)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等。但不是每一種風(fēng)機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)機(jī)的輪轂直接連接到齒輪箱上, 不需要低速傳動軸。也有一些風(fēng)機(jī)設(shè)計成無齒輪箱的, 葉輪直接連接到發(fā)電機(jī)。葉輪葉片產(chǎn)生的機(jī)械能由機(jī)艙里的傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，它包括一個齒輪箱、離合器和一個能使風(fēng)力機(jī)在停止運行時的緊急情況下復(fù)位的剎車系統(tǒng)。齒輪箱用于增加葉輪轉(zhuǎn)速，從20~50 轉(zhuǎn)/分到 1000~1500 轉(zhuǎn)/分，后者是驅(qū)動大多數(shù)發(fā)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速。齒輪箱可以是一個簡單的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、輸出軸共線，使結(jié)構(gòu)更緊湊。傳動系統(tǒng)要按輸出功率和最大動態(tài)扭矩載荷來設(shè)計。由于葉輪功率輸出有波動，一些設(shè)計者試圖通過增加機(jī)械適應(yīng)性和緩沖驅(qū)動來控制動態(tài)載荷，這對大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說是非常重要的，因其動態(tài)載荷很大，而且感應(yīng)發(fā)電機(jī)的緩沖余地比小型風(fēng)力機(jī)的小。
發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種，即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是２０世紀(jì)７０年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于葉輪以變速運行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多的優(yōu)越性。利用電力電子學(xué)是實現(xiàn)變速運行最佳化的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組受到很多國家的重視。
（恒速）同步發(fā)電機(jī)：（恒速）同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)先是勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機(jī)的電壓和無功功率，發(fā)電機(jī)效率高。同步電機(jī)要通過同步設(shè)備的整步操作達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難），由于風(fēng)速變化大，以及同步發(fā)電機(jī)要求轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)必需裝有良好的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
（恒速）異步發(fā)電機(jī)：異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固，造價低，異步發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)運行時，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)節(jié)精度要求不高，不需要同步設(shè)備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大，不能產(chǎn)生無功功率。
塔架：風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量, 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī)運行中的動載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動有密切關(guān)系。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類,管柱型塔架可從最簡單的木桿,一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加抗彎矩的能力,可以用拉線來加強(qiáng)。中、大型塔桿為了運輸方便, 可以將鋼管分成幾段。一般圓柱形塔架對風(fēng)的阻力較小,特別是對于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上,其優(yōu)點是造價不高,運輸也方便。但這種塔架會使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。