第三讲+风力发电机组的结构及组成
风力发电机组的基本构成
风力发电机组的基本构成
风力发电机组是将风能转化为电能的装置，通常由以下几个部分构成：
1. 风轮：风轮是风力发电机组的核心部件，它由叶片、轮毂和轴组成。
风轮的作用是捕捉风能并将其转化为机械能。
2. 机舱：机舱内装有风力发电机组的主要设备，如发电机、变速器、控制器等。
机舱通常安装在塔顶，通过塔筒与地面相连。
3. 塔筒：塔筒是支撑机舱和风轮的结构，它通常由钢材制成，具有足够的强度和稳定性，以承受风轮和机舱的重量以及风载荷。
4. 发电机：发电机是将机械能转化为电能的设备，它通常采用异步发电机或同步发电机。
发电机的输出功率与风轮的转速和风速有关。
5. 变速器：变速器的作用是将风轮的低速旋转转化为高速旋转，以适应发电机的转速要求。
变速器通常采用齿轮箱或液力耦合器。
6. 控制器：控制器是风力发电机组的控制中心，它负责监测风速、风向、风轮转速、发电机输出功率等参数，并根据预设的控制策略对风力发电机组进行调节和控制。
7. 基础：基础是支撑塔筒和风力发电机组的结构，它通常由混凝土制成，具有足够的承载能力和稳定性。
8. 电缆：电缆用于将发电机的输出电能传输到地面的变压器或配电柜。
以上是风力发电机组的基本构成部分，不同类型和规格的风力发电机组可能会有所不同，但总体结构和功能基本相似。
风力发电机的结构与组成
风力发电机的结构与组成风力发电机是一种利用风能转化为电能的装置，它由多个部件组成。
本文将介绍风力发电机的结构与组成。
一、塔架风力发电机的塔架是支撑整个设备的基础结构，通常由钢铁或混凝土建造而成。
塔架的高度往往决定了风力发电机的发电效率，因为高度可以使其处于更高的风速区域。
二、风轮风轮是风力发电机的核心部件，也被称为风力涡轮机。
它由多个叶片组成，通常为三片或更多片。
叶片的材料通常是复合材料，如玻璃纤维和碳纤维。
风轮的主要作用是捕捉风能并转化为旋转动能。
三、发电机发电机是将旋转的机械能转化为电能的设备。
在风力发电机中，发电机通常位于塔架的顶部，与风轮相连。
它通过叶片的旋转运动产生电流，将机械能转化为电能。
四、变速器变速器是控制风轮旋转速度的装置。
由于风速的不稳定性，风力发电机需要根据风速的变化来调整旋转速度，以保持发电效率。
变速器可以根据需要调整风轮旋转的速度，使其始终在最佳工作状态。
五、控制系统风力发电机的控制系统负责监测和控制整个发电过程。
它可以实时监测风速、风向、温度等参数，并根据这些参数来调整发电机的工作状态。
控制系统还可以进行故障检测和保护，确保风力发电机的安全运行。
六、电力传输系统电力传输系统将发电机产生的电能传输到电网中。
它包括变压器、电缆和开关装置等设备。
变压器用于提高或降低电压，以适应电网的要求。
电缆用于连接发电机和电网，将电能传输到用户。
七、基础设施除了上述主要部件外，风力发电机还需要一些基础设施来支持其正常运行。
例如，风力发电机需要道路或平台来进行维护和保养。
此外，还需要配套的风能资源评估系统和监测系统，以提高发电效率和安全性。
总结起来，风力发电机的结构与组成主要包括塔架、风轮、发电机、变速器、控制系统、电力传输系统和基础设施。
这些部件相互协作，将风能转化为电能，实现可持续发展的清洁能源。
风力发电机的不断发展和推广将对环境保护和能源安全产生积极影响。
风力发电机组的结构及组成
风力发电机组的结构及组成在当今追求清洁能源的时代，风力发电作为一种可再生、无污染的能源获取方式，正发挥着越来越重要的作用。
要了解风力发电的原理和运作，首先得清楚风力发电机组的结构及组成。
风力发电机组主要由以下几个部分构成：叶片、轮毂、机舱、塔筒和基础。
叶片是风力发电机组中最为关键的部件之一。
它们的形状和设计直接影响着风能的捕获效率。
通常，叶片采用复合材料制造，如玻璃纤维增强塑料或碳纤维增强塑料。
叶片的外形就像飞机的机翼，具有特定的翼型和扭转角度。
这样的设计能够使风在叶片表面产生升力和阻力，从而推动叶片旋转。
而且，叶片的长度和数量会根据风力发电机组的功率大小而有所不同。
一般来说，功率越大的机组，叶片越长，数量也可能更多。
轮毂则是连接叶片和机舱的重要部件。
它负责将叶片所捕获的风能传递到机舱内部的传动系统。
轮毂的结构强度要求很高，以承受叶片旋转时产生的巨大力量和扭矩。
机舱内部包含了众多核心部件。
首先是主轴，它将轮毂传递过来的旋转动力传递给增速箱。
增速箱的作用是将主轴的低速旋转提高到适合发电机工作的高速旋转。
发电机是将机械能转化为电能的关键设备。
目前，常见的风力发电机有异步发电机和同步发电机两种类型。
除了这些，机舱内还有刹车系统、偏航系统和控制系统等。
刹车系统用于在紧急情况下停止风机的转动，保障设备和人员的安全。
偏航系统则可以使机舱根据风向的变化自动调整方向，以最大程度地捕获风能。
控制系统就像是风机的大脑，负责监测和控制整个机组的运行状态，确保其稳定、高效地工作。
塔筒是支撑机舱和叶片的结构。
它通常由钢材制成，高度可达数十米甚至上百米。
塔筒的高度越高，所接触到的风速通常也越大，从而能够捕获更多的风能。
但同时，塔筒的高度也受到制造工艺、运输条件和成本等因素的限制。
基础是风力发电机组的根基，它要能够承受整个机组的重量以及风荷载等外力的作用。
常见的基础形式有混凝土基础和桩基础等。
基础的设计和施工质量直接关系到整个风力发电机组的稳定性和安全性。
风力发电机组的结构及组成
4 玻璃钢叶片的优点
可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度 容易成型，易于达到最大气动效果的翼型 优良的动力性能和较长的使用寿命 维修简便，以节省大量人力物力 耐腐蚀性和耐气候性好 易于修补
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3.2.2 轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置。它 将风轮的力和力矩传递到主传动机构中
• 轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工前 要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂 眼，裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊缝必须经 过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心 力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变 应力引起的焊缝疲劳
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
3 玻璃钢叶片
用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如 钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选 用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、 取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造， 又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产 品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已 很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
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－风速仪和风向标；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、变桨距部分
3.2.1 风轮及其组成
叶片
风轮 轮毂
风轮 轴
风轮的组成图
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。风轮的作用是捕捉和 吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴 将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风 轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
第三讲 风力发电机组的结构及组成
风力发电知识
(c)用玻璃纤维作蒙皮的管状梁叶片结构；(d)典型的帆翼结构
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十、风轮防雷系统
十一、塔架
叶片防雷方法 Type A and B: 有限感受器； C and D: 防护整叶片
对维护人员而言安全、
用料省，成本低，塔
重量轻，成本低，
舒适，美观；
影小，但外观差。大
但难以靠近。适
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但用料多，成本高
极端情况下的安全停机问题。
失速
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五、风力机功率控制
影响风力机输出功率的其他因素 ¾ 海拔高度 ¾ 温度
标准状态下的空气密度： ρ = 1.225 kg/m3
温度变化10°C，空气密度就变化±4%。 而桨叶的失速性能只与风速有 关，因此，海拔高度和温度会影响风机输出功率。
同样的风机安装在不同地点， 其桨叶角度不应该相同。
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风轮直径增大一倍，功率增大4倍！
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四、风力机特性
四、风力机特性
风力机直径越做越大的原因：
P：功率 D：风轮直径 H：塔高
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五、风力机功率控制
五、风力机功率控制
定桨距失速型风力机(Stall control) 主动失速型定桨距风力机(active stall control) 变桨距风力机(Pitch control) 变速风力机组(Variable speed)
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三、风能转换基本原理
三、风能转换基本原理
无论采用何种风轮，都不可能将风 能全部转化成机械能！
当攻角增加到某一临界值时， 升力突然减小，而阻力急剧 增加，此时叶片突然丧失支 承力，这种现象称为失速。
贝茨理论（贝茨极限）
风力发电机组内部结构
风力发电机组内部结构
风力发电机组内部结构主要由风轮、发电机、机舱、塔架和控制系统等部分组成。
风轮：包括叶片、轮毂和加固件等，是风力发电机组中最重要的部分之一，其作用是将风的动能转换为机械能。
当风吹动叶片时，叶片会带动轮毂旋转，进而带动发电机发电。
发电机：发电机是风力发电机组中的核心部分，其作用是将风轮旋转的机械能转换为电能。
发电机通常由定子和转子两部分组成，定子固定不动，而转子则随着风轮的旋转而旋转。
机舱：机舱是安装风力发电机组的主要部位之一，通常由钢板制成封闭的箱形结构，内部安装有发电机、齿轮箱、刹车系统、偏航系统等关键部件。
机舱的作用是保护内部设备免受外部环境的影响，并确保设备的安全运行。
塔架：塔架是支撑风力发电机组的重要部分，通常由钢管或角钢制成，其高度和直径根据机组的功率和风速等条件而定。
塔架的作用是支撑风轮和机舱，并将它们固定在适当的高度上，以便捕获更多的风能。
控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑”，负责监测和控制机组的运行状态。
控制系统通常由传感器、控制器和执行机构等部分组成，可以实时监测风速、风向、发电机转速等参数，并根据这些参数调整机组的运行状态，确保机组的稳定运行和最
大发电量的输出。
除了上述主要部分外，风力发电机组还包括变速箱、主轴承、电气系统、液压系统、冷却系统、刹车系统等辅助部分，这些部分共同协作，确保风力发电机组的正常运行和高效发电。
风电机组的构成
风电机组的构成
风电机组的构成：
风力发电机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成；它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。
风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成。
1、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。
2、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。
在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
3、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。
4、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。
图
中显示了风力发电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
风力发电结构组成
风力发电结构组成
风力发电结构主要由以下几个部分组成：
1. 风力发电机：风力发电机是风力发电系统的核心部分，它通过捕捉和利用风能来产生电能。
风力发电机通常由塔架、转子、发电机和控制系统等部分组成。
2. 塔架：塔架是支撑风力发电机的结构物，通常由钢铁或混凝土等材料构成。
塔架的高度决定了风力发电机的叶片能够捕捉到的风能量。
3. 叶片：叶片是风力发电机中最重要的部分，它通过受到风的作用而转动，将机械能转化为电能。
叶片一般由纤维复合材料或铝合金等材料制成，具有良好的强度和轻巧的特点。
4. 发电机：发电机是将机械能转化为电能的装置，它由转子、定子和输出电路等部分组成。
风力发电机中常用的发电机是永磁直驱发电机和同步发电机，具有高效率和可靠性。
5. 控制系统：控制系统用于监测和控制风力发电机的运行状态，包括风速、叶片角度、输出电压等参数的监测和调节。
控制系统还可以实现风力发电机的启动和停机等功能，保证发电机的安全和高效运行。
6. 输电系统：输电系统用于将风力发电机产生的电能输送到
电网中，包括变压器、电缆和输电线路等部分。
输电系统需要
将风力发电机的输出电压提升到适合输送的电压，并保证电能的传输安全和稳定。
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3.5 发电机
发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的 设备。
直流发电机
永磁发电机
同步交流发 电机
异步交流发 电机
3.6 塔架
塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统， 塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的 各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力 发电机组能稳定可靠地运行。
3.4 调速装臵
自然界的风速经常变化。风轮的转速随风速的增 大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加； 当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使 用寿命，甚至造成设备的毁坏。为使风轮能以一定 的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装臵。 调速装臵是在风速大于设计额定风速时才起作用 因此，又被称为限速装臵。当风速增至停机风速时， 调速装臵能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平行) 停机。
单管拉线 式 衍架拉 线式塔 架
塔架的 基本形 式
锥筒式塔 架
衍架式 塔架
微型风力机 小，中型风 力机
中，大小型 风力机
大型风力机
3.7 控制系统及附属部件
3.7.1 机舱
风力机常年 在野外运转 狂风暴雨 的袭击
为了使塔架上方 的主要设备不受 风沙的直接侵害
尘砂磨损和 盐雾侵蚀
罩壳——机 舱
叶片是风力机捕捉风能的最重要部件。风能利用效率取 决于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、 低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料。
平板型
风力发电机 组的叶片 风力提水机 的叶片
叶片横截 面形状基 本类型
流线型
弧板型
常见的风力机叶片的横截面结构图
3.2.1.2 叶片材料选择的要求及选择规则
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玻璃钢叶片的优点
可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度 容易成型，易于达到最大气动效果的翼型 优良的动力性能和较长的使用寿命 维修简便，以节省大量人力物力 耐腐蚀性和耐气候性好 易于修补
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3.2.2 轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装臵。它 将风轮的力和力矩传递到主传动机构中 • 轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工前 要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂 眼，裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊缝必须经 过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心 力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变 应力引起的焊缝疲劳 • 焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并 按浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的 厚度。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲 劳
3.7.3 回转体
回转体(转盘)是塔架与机头座的连接 部件，通常由固定套、回转圈以及位于 它们之间的轴承组成。固定套销定在塔 架上部，回转圈与机头座相连，通过它 们之间的轴承和对风装臵相连， 在风向 变化时，机头便能水平地回转，使风轮 迎风工作。
大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回 转机构。 小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴 承，可采用圆锥滚子轴承。也可以上面用向心球轴承 承受径向载荷。下面用推力轴承来承受机头的全部重 量。
风力机调速装臵调速原理
减少风轮迎风面积
改变叶片翼型攻角值
• 侧翼装臵
• 偏心装臵 • 缩小风轮圆形迎风 面积
• 配重(飞球)与弹簧配 合装臵
• 叶片重量与弹簧配 合装臵
利用空气在风轮圆周 切线方向的阻力 • 阻力翼 • 阻尼板
• 变桨距调速装臵
侧翼及偏心装臵调速原理示意图
缩小风轮圆形迎风面积原理图
3.3 齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于 风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下， 为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
齿轮箱的分类
圆柱齿轮箱 按传动的级数 按传统类型
单级齿轮箱
多级齿轮箱
行星齿轮箱
互相组合的 齿轮箱
按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同 轴式以及混合式
微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用 青铜加工的滑动轴承。这是为了防止机头对瞬时变化 的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转。
3.7.4 制动装臵
制动装臵是使风力发电机停止运转的装 臵(也称刹车系统)。对于微型和小型风力发 电机，可采用如图所示的刹车机构。
在中型和大型风力发电机组中，有 采用叶尖气动刹车和机械式刹车组成的 制动系统。 功率较大的风力发电机组，应用电 磁制动器和液压制动器的，当采用电磁 制动器时，需要有外电源；当采用液压 制动器时，除了需要外电源，还需要油 泵，电磁阀，液压油缸和管路等。
3
玻璃钢叶片
用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如 钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选 用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、 取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造， 又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产 品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已 很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
3.7.5 传动装臵
风力发电机组的传动装臵包括增速器与联轴器等。
通常，风轮的转速低于发电机转子需要的转速， 所以要增速(有的微型风力发电机组不设增速器而直 接连接)。增速器与发电机之间用联轴器连接，为了 少占用空间，往往将联轴器与制动器设计在一起。 风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联 轴器。
3.7.6 控制系统
控制系统的功能
控制系统利用DSP微机处理机，在正常运 行状态下，主要通过对运行过程模拟量和开 关量的采集、传输、分析，来控制风电机组 的转速和功率；如发生故障或其他异常情况 能自动地监测并分析确定原因，自动调整排 除故障或进入保护状态。
控制系统的任务
控制系统主要任务就是能自动控制风电 机组依照其特性运行，自动检测故障并根据 情况采取相应的措施。 根据风电机组的结构载荷状态、风况、变 浆变速风电机组的特点及其它外部条件，将风 电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状 态；发电状态；停机状态。
3.2.1.1 叶片及叶片材料
叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质 量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素
叶片材料经历了木制叶片 布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片
。
3.2.1.1 叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展 风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能 碳纤维复合材料在风力机风轮叶片上的应用不断扩大 在风力机叶片上大量采用碳纤维复合材料，但是又取 决于碳纤维的价格
轮毂有固定式和铰链式两种
3.2.3 主轴
主轴也ห้องสมุดไป่ตู้为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间。 前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连 接，承力大而且复杂。
轴向 力 剪切 力 径向 力
受力 形式
弯矩 转矩
风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种 力，都将经历一次循环
因此会产生循环疲劳
主轴有较高的综合机械性
待机状态
没有发电（风速一般为0－3m/s），刹车释放
发电状态
发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放 发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速
停车状态
故障停机方式；人工停机方式；紧急停机方式
1 水平轴风力发电机组由哪几部分组成？ 2 风力机最重要的部件是哪部分？ 3 风力机调速装臵的调速原理有哪些？ 4 控制系统主要任务是什么？ 5 风电发电机组的运行情况主要分为哪 几类？
运行要 求 安全性
材料特 性
经济性
叶片材 料选择 要求
可靠性
回收再 利用性
可处理 性
物理属 性
2
叶片材料选择规则
良好的力学、热学及化学特性
高硬度、高强度、低密度
使用寿命长、良好的耐腐蚀性 要易于生产加工、要价格合理 加工助剂的价格要尽量低廉并且操作时不污染环境
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
1 1 2 NV mV AV 3 2 2
（1）
若风轮的直径为D ，则
2 1 1 D 3 3 2 NV AV V D V 3 2 2 4 8 这些风能不可能全部被风轮捕获。
（2）
风轮捕获风能并将之转换成机械能．再由 风轮轴输出的功率为N（称之为风轮功率)。它 与 NV 之比，称为风轮功率系数(或风能利用系 数)，用CP 表示，即
第三讲 风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述 3.2 水平轴风力发电机组结构组成 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 齿轮箱 调速装臵 发电机 塔架 控制系统及附属部件
3.1 风力发电机组概述
小型（10KW以下)
按其容量划分
风力发电机组是将 风能转化为电能的 装臵 按其主轴与地面 的相对位臵
N N CP NV D2 V 3 8
（3 ）
2 3 N D V C P 8
式中 CP 的值为0.2～0.5。
（4）
由式（3）得知：
风轮功率与风轮直径的平方成正比 风轮功率与风速的立方成正比
风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系
风轮功率与风轮功率系数成正比
因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提 高CP 值，以增大风轮功率。这是从事风能开发利用 的科技人员追求的主要目标之一。
3.7.2 机头座
它用来支撑塔架上方的所有装臵及附属部件 它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命 由于微、小型风力机塔架上方的设备重量轻。一般是由 钢板焊接而成， 即根据设计要求在底板上焊上加强肋 中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、 横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成 焊接质量要高。台板面要刨平，安装孔的位臵要精确
3.2.1 风轮及其组成
叶片
风轮
轮毂
风轮 轴