第3章-风力发电机组整体结构-答案
风力发电机组构造及工作原理
风力发电机组构造及工作原理风力发电机是一种利用风能转化为电能的装置，它在现代可再生能源领域起着重要的作用。
本文将详细介绍风力发电机的构造以及其工作原理。
一、构造风力发电机由以下几个主要部件组成：1. 风轮/叶片：风轮是风力发电机的核心部件，通常由三个或更多的叶片组成。
这些叶片通过捕捉到的风能转化为机械能。
2. 主轴和发电机：主轴将风轮的旋转运动转变为发电机的旋转运动。
发电机通过旋转运动将机械能转化为电能。
3. 塔架：塔架是支撑风力发电机的结构，通常由钢铁或混凝土建造而成。
塔架的高度取决于风力发电机的设计和布置。
4. 控制系统：控制系统负责监测和调节风力发电机的运行。
它可以根据风速和电网需求来调整发电机的负载和转速。
二、工作原理风力发电机的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 捕捉风能：当风吹过风轮时，风轮的叶片会受到风力的作用而旋转。
风轮的设计使得风能尽可能地转化为机械能。
2. 传输机械能：通过主轴，机械能从风轮传输到发电机。
主轴的旋转使发电机内部的线圈和磁场相互作用，产生感应电流。
3. 转化为电能：感应电流通过电路传输到变流器或逆变器，进一步将其转换为适合电网输入的交流电能。
4. 电网连接：通过输电线路，发电机产生的电能连接到电网中，为用户供电。
控制系统负责监测电网的需求，并调整发电机的负载和转速。
三、优势和挑战风力发电机有许多优势，包括：1. 可再生能源：风能是一种可再生能源，与化石燃料相比无排放，对环境友好。
2. 多样化的规模：风力发电机可以根据需求进行大规模或小规模的布置，适用于不同地理区域和用途。
然而，风力发电机也面临一些挑战：1. 依赖风能：风力发电机需要稳定的风能才能运行，因此在风量不稳定的地区可能发电效率较低。
2. 空间需求：风力发电机需要一定的空间来布置，这在有限的城市环境中可能存在限制。
结论风力发电机是一种重要的可再生能源装置，利用风能转化为电能。
通过了解其构造和工作原理，我们可以更好地理解风力发电机的运行原理。
风力发电原理——绪论2
能量
能量是物质运动的一种度量，也是物质存在的一 种形态，一般指其具有的做功能力。 目前，通常认为有以下六种能量形式： 1 E 机械能：动能： E = 2 mV 重力势能： P = mgh E 弹性势能： K = 1 KX 2 表面能：ES = σ S 2 T 热能：Eq = m∫T CdT 电能：Ee = UI 以及化学能、辐射能、核能。
分布地区 东南沿海、山东半岛和辽东半岛、三北北部区、松花江下游区 东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区 两广沿海区、大小兴安岭地区、中部地区 云贵川和南岭山地区、雅鲁藏布江和昌都区、塔里木盆地西部区
14
1.2.3 风电发展概况
世界风电装机容量发展（2001年-2010年） 250000 装机容量 / MW 200000 150000 100000 50000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 24322 31181 39295 47693 59024 74122 93930 120903 159213 203500
28
表1-7 IEC有关风电机组的部分标准
标准号 IEC 61400-1 IEC 61400-2 IEC 61400-3 IEC61400-11 IEC 61400-12 IEC 61400-13 IEC 61400-14 IEC61400-21 IEC 61400-23 IEC 61400-24 标准名 风力发电系统-1:设计要求 风力发电系统-2:小型风轮机的安全要求 风力发电系统-3:海上风电机组设计要求 风力发电机组 第11部分：噪声测量技术 风力发电系统-12:风轮机动力性能试验 风力发电系统-13：机械负载的测量 风力发电机组 第14部分：声功率级和音质 风力发电机组 第21部分：电能质量测量和评估方 法 风力发电系统-23：风轮叶片的全尺寸比例结构试 验 风力发电系统-24:避雷装置 发布时间 2005-1 1996-1 2009 001-4 2002-7 29
风力发电机组基本结构与工作原理
大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。
（6）轮毂系统 轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。
（7）底座总成 底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。
二、风力发电机的工作原理
三、风力发电机组控制技术
风力发电机组的控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风力发电机组的关键技术之一，与风力发电机组的其他部分关系密切，其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。
目前，风力发电机组控制技术主要向变桨距调节取代定桨距失速调节，变速运行方式取代恒速运行方式发展。
（一）定桨距风力发电机组的基本运行过程
待机状态：当风速v＞3m/s，但不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，或者风力发电机组从小功率（逆功率）状态切出，没有重新并入电网，这时的风力机处于自由转动状态；称为待机状态。
风力发电机组的自起动：风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。
（二）变桨距风力发电机组的运行状态
风力发电机的组成部件及其功用
风力发电机的组成部件及其功用风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。
风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。
图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。
图3-3-4 小型风力发电机示意图1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器图3-3-5 中大型风力发电机示意图1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。
1 风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。
其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。
叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。
风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。
图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。
图3-3-6 风轮1.叶片2.叶柄3.轮毂4.风轮轴图3-3-7 叶片结构（a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面；(e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。
木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。
用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。
叶片的材质在不断的改进中。
1 机头座与回转体风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图3-3-24）。
（1）机头座它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。
风力发电技术规范
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
(3) 变桨距调速
采用桨距控制除可控制转速外,还
可减小转子和驱动链中各部件的 压力, 并允许风力机在很大的风 速下运行, 因而应用相当广泛。
1）液压机构来控制叶片的桨距
在大型风力机中, 常采用电子控
制的液压机构来控制叶片的桨距 。例如,美国MOD20 型风力发电 机利用两个装在轮毂上的液压调 节器来控制转动主齿轮,带动叶片 根部的斜齿轮来进行桨距调节;
尖形成的圆的面积，根据贝茨理论，风轮从风中获取 的功率为
1 3 P SCP 2
（2）轮毂高度
（3）叶尖速比 （4）叶片数
（5）实度 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积
（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风 力机的一个参考数据。
4．额定风速、切入风速和切出风速
当风轮超速时从而产生空气阻力对风轮起制动作用叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成第三章风力机的基本理论与结构可减小转子和驱动链中各部件的压力并允许风力机在很大的风速下运行常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距
第3章 风力发电机
风力发电技术
书名：风力发电技术
书号：978-7-111-
47413-5 作者：侯雪 张润华 出版社：机械工业出版 社
垂直轴风力发电机的特点 1）安全性。2）噪音。3）抗风能力。4）回转半径。 5）发电曲线特性。6）利用风速范围。 7）刹车装置。8）运行维护。
3．垂直轴风力发电机的分类
1．升力型垂直轴风力机
（1）达里厄风力机 （2）叶片可摆动的垂直轴风力机
2．阻力型垂直轴风力机
(1)屏障平板式风力机
第三章风力发电机的类型与结构..
1.6按照风力机旋转的主轴方向
水平轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平夹 角不大于150度的风力机。可以是升力装置(升力 驱动风轮)，也可以是阻力装置(阻力驱动风轮)。
垂直轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平面 垂直的风力机。在风向改变时，无需对风。在这 点上，相对水平轴风力机是一大优点。这使结构 简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。
风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着 的风轮其扫掠面积为A，空气密度为 ，在1s 中内流向风轮的空气所具有的动能为
NV
1（m1V）2 2
11 2
AV 3
1（ 2）D2 V 3 24
8
D2V 3
这些风能不可能全部被风轮捕获。
风轮捕获风能并将之转换成机械能，再由风轮
风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。定桨距（失速 型）机组结构简单、性能可靠。
变桨距风力发电机：变桨距机组叶片可绕叶片中心轴旋转 ，使叶片攻角可在一定范围内（一般0-90度）调节变化。
性能比定桨距提高很多，但结构复杂，多用于大型机组。
主动失速风力发电机：发电机达到额定功率后，主动失速 调节是使桨距角向减小的方向转过一个角度。
1.2根据动力学划分
阻力型风力发电机：在逆风方向装有一个阻力装 置，当风吹向阻力装置时推动阻力装置旋转，旋 转能转化为电能。
风力发电机不能产生高于风速很多的转速；风轮转轴的输 出扭矩很大。常用于扬水、拉磨等动力。
升力型风力发电机：风能吹过转子时对转子产生 升力带动转子转动。
由于升力的作用，风轮圆周速度达到风速几十倍，现代风 力发电机组几乎全是此类型。
水平轴及垂直轴风力发电机组
1.7按风力发电机的运行方式
风力发电机原理及结构
风力发电机原理及结构风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置,它包括风力机和发电机两大部分.空气流动的动能作用在风力机风轮上,从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上,通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转,发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。
1、风机基本结构特征风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成.（1）风轮风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮.风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。
风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3％效率。
更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。
3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。
1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。
对于小型的风力发电机,如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧.对于大型风机，叶片特性通常较难满足,所以对材料的选择更为重要.目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。
环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险,即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。
2）轮毂轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。
所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。
同时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动）的所在。
轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩.通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形.轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。
3-第3章-《风力发电机组整体结构》
第3章风力发电机组整体结构填空题1、并网型风力发电机的功能是将风轮获取的【空气动能】转换成【机械能】，再将【机械能】转化为【电能】。
2、风力发电机组的基本要求是能在风电场所处的【气候】和【环境】条件下长期安全运行，以较低的成本获取【最大的年发电量】。
3、风电机组对其零部件要求极其严格，对【结构设计】、【材料选用】、【加工工艺】和【质量控制】都提出了远高于普通设备的要求。
4、并网型风力发电机组的整体结构分为【风轮】（包括叶片、轮毂和变桨距系统）、【机舱】（包括传动系统、发电机系统、辅助系统、控制系统等）、【塔架】和【基础】等几大部分。
5、用钢筋混凝土制成的塔架基础必须保证机组在极端恶略的气象条件下能够保持塔筒【垂直】，使机组稳定运行。
6、风电机组的主要部分布置要使得机组在运行时，机头（机舱与风轮）重心与【塔架】和【基础】中心相一致，整个机舱底部与塔架的连接应能抵御风轮对塔架造成的【动力负载】和【疲劳负荷】作用。
7、机舱外壳是【玻璃纤维】和【环氧树脂】制成的机舱罩，具有成本低、重量轻、强度高的特点，能有效的防雨、防潮、和抵御盐雾、风沙的侵蚀。
8、风电机组如果不使用齿轮增速箱，在很低的风轮转速下只能用一个极数较多的发电机，例如对应30r/min的风轮转速需要使用【200】极的发电机，而发电机转子的【质量】与转矩大小成比例，这样的发电机将会非常庞大和笨重。
9、风电机组使用齿轮箱，是为了将风轮上的【低转速高转矩】能量，转换为用于发电机上的【高转速低转矩】能量，这样就可以使用结构较小的普通发电机发电。
10、直驱式风力发电机没有【齿轮箱】，由风轮直接驱动发电机，亦称无齿轮箱风力发电机。
11、直驱式发电机应用于风电机上还是有一些问题需要研究解决，如【减轻发电机的体积和重量】，【方便运输】；【最适合的机型】（同步、永磁、可变磁阻等）选择；电流和电压的波动的影响；变流器的选择；【设计低损耗的发电机】；永磁发电机导致过量的铁损耗；磁性材料的选择；在运行或失效的情况下如何【防止消磁状况】等。
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风力发电技术与风电场工程
第三章练习题及答案
一、填空题
1、并网型风力发电机的功能是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。
2、并网型风力发电机组的整体结构分为叶轮、机舱、塔架、和基础等几大部分。
3、机舱内布置的传动系统，由主轴、齿轮箱、联轴器和发电机等构成。
4、机舱底座是机组主驱动链和偏航机构固定的基础，并能将载荷传递到塔架上去。
5、铸造底座一般采用球墨铸铁制造，铸件尺寸稳定，吸振性和低温型较好。
6、整流罩是置于轮毂前面的罩子，其作用是整流，减小轮毂的阻力和保护轮毂中的设备。
7、风电机组的基础通常为钢筋混凝土结构，并且根据当地地质情况设计成不同的形式。
基础周围还要设置预防雷击的接地系统。
8、塔架的基本形式有桁架式塔架和圆筒式塔架两大类。
桁架式塔架优点为制造简单，成本低，运输方便，缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排，塔架过于敞开，维护人员上下不安全。
塔筒式塔架优点是美观大方，塔身封闭，风电机组维护时上下塔架安全可靠。
9、塔架高度主要依据风轮直径确定。
10、风电机组的基础主要按照塔架的载荷和机组所在地的气候环境条件，结合高层建筑建设规范建造。
11、风力发电机组的机械传动系统包括轮毂、主轴、齿轮箱、制动器、联轴器以及安全装置等。
12、齿轮箱的作用是传递扭矩和提供转速，通过两到三级渐开线圆柱齿轮增速传动得以实现，一般常采用行星齿轮或行星加平行轴齿轮组合传动结构。
13、齿轮箱输出轴（高速轴）通过柔性联轴器与发电机轴连接。
14、联轴器通过绝缘构件阻止发电机磁化齿轮箱内的齿轮和轴承等钢制零件，避免这些零件发生电腐蚀现象。
联轴器上还设置有扭矩限制装置用以保护传动轴系，防止过载运行。
15、偏航系统功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。
16、机舱的偏航运动是由偏航齿轮装置自动执行的，它是根据风向仪提供的风向信号，由控制系统发出指令，通过传动机构使机舱旋转，让风轮始终处于迎风位置。
17、风向标是偏航系统的传感器。
18、偏航轴承有滚动轴承和滑动轴承两种，大型机组大多采用滚动轴承。
19、变桨机构中配置蓄电池的作用是以防电网突然掉电或电信号突然中断的紧急情况下，使得风电机组能够安全平稳地实现变桨。
20、液压系统的主要功能是向制动系统或液压、伺服变桨距控制系统的工作油缸提供压力油，由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。
21、制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。
22、叶片变桨制动的原理是改变叶片功角，减少叶片升力，以达到降低叶片转速直至停机的目的。
23、发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置或空冷装置。
24、常见的发电机有异步发电机和同步发电机两种。
25、同步发电机转子的旋转方向和转速总是与旋转的定子场的转动同步，没有相对运动，即没有滑差。
26、同步发电机并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，另一种是通过交-直-交变流并网。
27、异步发电机通过转子和旋转定子场之间的相对运动（滑差）产生感应电场，并通过这种方式在转子绕组中生产电压，与之相应的磁场在转子上产生作用力。
28、直驱式风力发电机组缺点是这种发电机结构复杂、外形尺寸庞大、制造工艺要求很高，需要全功率的变流装置才能与电网频率同步，经过转换又会损失部分能量。
29、控制系统的主要任务是自动控制风电机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。
控制系统包括控制和监测两部分。
30、风电机组的运行情况主要分为待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。
31、风力发电机组最主要的参数是风轮直径和额定功率，为产品型号的组成部分。
32、风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径风轮供高风速区选用。
33、风力发电机的性能特性是由风力发电机的输出功率曲线来反映的，是风力发电机的输出功率与场地风速之间的关系曲线。
34、机组开始向电网输出功率时的风速称为切入风速，达到额定功率时的风速称为额定风速，为了保证机组安全，规定了允许机组正常运行的最大风速称为切出风速。
二、问答题
1、定桨距、变桨距、变速恒频、直驱型风电机组优缺点各是什么？P73、74、75
2、目前流行的变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案是什么？两种方案的优缺点是什么?P76。