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风力发电技术介绍&家用小型风力发电机探讨

----作者：hellsingc

骨子叔提醒我给大家普及一下，我在这也就抛砖引玉，从我的行业角度，结合手中资料，给大家介绍一下风力发电技术。

风力发电技术介绍

风能利用，已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。

中国古代创造的立帆式垂直轴风轮，便是一个例子，它将8个风帆各编在一个直立的杆上，各帆的正中上端则各由一绳系之，当地称此为走马灯式风车，用于引水灌溉。

风力发电在解决发展中国家无电农牧区居民的用电方面起到了重要的作用，特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段，逐渐发展成为一种成熟的新能源发电形式。

风力发电设备的几种形式

基于现代科学技术的风力发电机组作为一个新生事物在开始发展时有许许多多的理念和设计，在发展过程中有许多各种各样的设计，尽管过去的风力机多种多样，但归纳起来，可分为两大类：

1) 水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如下图 (a)所示；

2) 垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如下图 (b)所示。

水平轴风力机

水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类。升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置能随风向改变而转动，对小型风力机，这种对风装置采用尾舵（被动对风），而对于大型的风力机，则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动机构（主动对风）。

风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向和下风向之分。风轮在塔架前面迎风的称上风向风力机；风轮在塔架后面迎风的则称下风向风力机，下风向因其受力特点，可以主动对风。

垂直轴风力机

垂直轴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，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

随着实践的增多，技术的发展和进步，逐步淘汰和消亡了一些不切实际、技术有缺陷或商业价值不大的形式，风力发电机组技术形式上逐步趋同，形成了目前最常见的水平轴、三叶片、上风向、管式塔的一统模式。

风电机组的结构和部件

我从事风力发电行业，但接触的都是大型的并网型风力发电机组，其结构上与小型家用风力发电机有很大的区别，也较为复杂，但发电原理是一样的，即动能—机械能—电能的转变。

这是最常见的并网型风力发电机组，从外观上，我们能很直观的看到这几个部分：风轮、机舱、塔架和基础。

风轮

风轮是获取风中能量的关键部件，由叶片和支撑叶片的轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。风轮按叶片数可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮。其中三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到广泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，即是否可以改变桨叶角度，可以分为定桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮叶片与轮毂固定连接，无法改变桨叶角度，结构简单，但承受的载荷较大。变桨距风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，通过变桨系统改变桨叶角度，能够获得较好的性能，减小叶片轴承载荷，调节风轮转速。另外按转速的变化又可以分为定转速风轮和变转速风轮。变转速风轮的转速随风速变化可以使风轮保持在最佳效率状态下运行，获取更多的能量，并减小因阵风引起的载荷。但是变转速发电机的结构复杂，还需要通过交-直-交变流装置与电网频率保持同步，目前常用的机型就是变桨变速型双馈异步风力发电机。

机舱

机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装了传动（主轴、齿轮箱、联轴器）、制动、偏航、液压、发电机、控制、安全系统等装置。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接，并通过偏航装置控制机舱的方向，保持风轮始终正对风向，最大效率使用风能，并解除电缆的扭绞（解缆功能）。

塔架与基础

塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机场的扶梯。大型机组还设有电梯。塔架结构有筒形和桁架两种形式。

基础为钢筋混凝土结构，根据当地地址情况设计成不同的形式。其中心预置与塔架连接的基础部件，保证将风力发电机组牢牢的固定在基础上。基础周围还要设置预防雷击的接地系统。

传动系统

传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。轮毂与主轴固定连接，将风轮的扭距传递给齿轮箱。大型风力发电机组风轮的转速一般在10r/min～30r/min范围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速1500r/min(或1000 r/min)，经高速轴、联轴器驱动发电机旋转。

发电机

发电机将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电机和同步发电机两种。并网型风力发电机组常用的是双馈异步发电机和永磁直驱发电机，并通过变流装置保持发电机与外部电网频率的同步。这是一张双馈异步风力发电机原理图，不深入介绍了。

经常有朋友会将风能、太阳能、地热、潮汐等互作比较，其实没什么好比的，资源本身就是大自然的产物，人类只是在参与，真的要比，就要从技术、投资、回报、效益、排放等多方面开展，那就是另一个课题了“可行性研究”。

以上是风力发电机概念性的介绍，作为一种清洁能源的成熟技术，它对于调节能源结构起着很重要的作用，而且在民用方面也有着很大的前景。民用风力发电设备基本都是大型风力发电机的简化版本，结构原理如出一辙。

家用小型风力发电机探讨

先来看一些例子。

节能大楼

路边景观

风光互补路灯

家用小型

这些都是我们平时常见的或常听说应用类型。

目前国内生产家用小型风力发电机的厂家有很多，小型风力发电机一般有300W,500W,1000W,3KW,5KW,10KW,20KW几种。大家可以看看家里的常用的电器，其功率加起来有多少，有没有匹配型号。家用小型风力发电机的功率一般无法支撑全部家用电器，且由于风力的不稳定性，还需要蓄电池、稳压装置、逆变装置等，网上查了一下，整套一般都在1500以上，具体不做介绍了，有兴趣的自己淘宝一下。

从DIY的角度，小型风机通过简化，基本部件应包括：叶轮（叶片）、发电机、整流器、蓄电池、逆变器（稳压调压装置）。另外还有框架和支撑，用于树立风机。

叶轮：不需要调桨，固定角度的就可以，一般3m以上的风速，转速比较可观了，小功率发电机够用了，所以不需要变速机构。

发电机：简单的就用永磁式的，复杂点的就用励磁的，选型要根据转速、功率、输出电压、电流综合考虑。以后详叙述。

整流器：如果是交流发电机，那就需要整流装置转变为直流电，才能输送至蓄电池。

蓄电池：风不是随叫随到的，要保持稳定的电量，必须要有蓄能装置，普通铅酸蓄电池即可，并且根据发电机参数来选择。

逆变器：蓄电池输出的为直流电，如需给家用电器使用，则需要逆变器转变为220V50Hz工频电，再供给家电使用。如直接使用直流电，则需要稳压调压装置，调节到匹配的电压电流。