风力发电机组的设计理念_风力发电机组基础知识

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风力发电机组的设计理念

1.系统效率问题

风力发电机的风轮转子的风能利用效率对风力发电机组的系统效率起着决定性作用。由风力发电机系统效率公式η系=η转·η控·η逆·η电·η蓄可知，系统效率除与风轮转子的气动效率有关外，还与发电机效率、控制器效率、逆变器效率、蓄电池的充电效益有关。要大幅度提高后者的效率值，不但技术难度大，而且经济上不可取。水平式风力发电机最大风能利用系数理论值为0.593。市场上现有的微小型风力发电机CP值为0.25~0.35，与最大值0.593还有很大差距,仍有很大的潜力可挖。利用最新的二维机翼在大功角时风洞试验的研究成果，借鉴大、中型风力发电机现有技术成果。根据风力机既具有外流机翼特性，又具有内流叶轮的工作特点。采用先进的设计手段、设计方法和优化技术以及采用新材料、新技术、新工艺等综合手段来提高风轮转子风能利用系数，使之达到中型风力发电机的CP值为0.42的水平。从而降低单位每百瓦发电量的材料消耗量，同时减少了重量和体积，为新材料、新技术、新工艺的应用打下了良好的基础。

2.安装，维护问题

一般使用离网型独立运行的微小型风力发电机组的用户往往地处交通不便，无常规能源输送的边远地区、深山、草原牧区、边防哨所、微波站以及沿海海岛、航标灯站等等。受材料采购困难，配件供应不畅和维护技术等因素的限制。我们的设计目标：使风力发电机成为一种安装方便、免维护、保护功能完善的傻瓜型产品。

3.成本问题

据统计，到目前为止，我国尚有7656万无电人口、16个无电县、828个无电乡和29783无电乡村，它们地处交通不便，无常规能源供应的边远地区、深山、沿海岛屿。那里经济、文化较为落后，收入较低，但当地的风能、太阳能资源往往较为丰富。如果能提供一种物美价廉、可靠性高的风力发电机产品，对解决他们的日常生活用电，丰富他们的文化生活无疑是一大福音。另外，沿海近海的滩涂养殖场、内陆湖泊渔民、沿海地区居民等，虽然该地区经济较为发达，且有常规能源供应，如果能提供一种性价比高、投资回收期短、外观美的风力发电机产品，则能为风力发电机的推广普及创造良好条件。这样，就能减轻日趋紧张的城市电网的供电压力。用风能替代一部分使用石化燃料发电的电能，既符合我国能源的可持续发展战略，又减少了对地球不可再生资源的开采和对大气环境的污染。我们的设计目标：使风力发电机成为人人用得起，个个用得好的优秀产品。

4.振动和噪音问题

微小型风力机往往安装在住宅的附近、楼顶、花园、停车场、高速公路灯上，要求振动小、噪音低。如果风力发电机噪音大，会严重干扰居民的日常正常生活；如果风力发电机振动大，易造成紧固件脱松和材料的疲劳损坏，对的人身、财产安全构成极大的危害。我们的设计目标：使风力发电机在正常运行时达到近乎无振动、无噪音状态，使风力发电真正成为绿色环保的清洁能源。

5.寿命、可靠性问题

风力发电机组由风轮转子、三相永磁交流发电机、控制器、逆变器、蓄电池组等部件组成。风轮转子的功能：接受风能，并将风能转变为机械能；三相永磁交流发电机的功能：将机械能转变为电能；控制器的功能：将三相交流电整流、稳压为电压恒定的直流电；逆变器的功能：将直流电逆变为三相200V50HZ的正弦交流电；蓄电池的功能：储存电能以供用户在所需时使用。设计制造风力发电机涉及的学科较广，有材料力学、空气动力学、电机学、微电子学、电化学等学科，兼之使用者所处的地区，经济欠发达，文化相对落后，交通运输不便，无常规能源供应，缺乏必要维修能力。我们的设计目标：使风力发电机具有结构简单、寿命长、可靠性高的特点。

综合以上五点所述，新设计的风力发电机组应具有风能利用系数高、体积小、重量轻、外观美、噪音低、振动低、安装方便、免维护、寿命长、可靠性高、性能价格比高、保护功能齐全的特点。做到人人用得起，个个用得好，为用户和社会创造良好的经济利益和社会利益。在“敢于开拓，敢于创新；创一流企业，争天下第一”的云攀精神激励下，凭借着“保护人类唯一的赖以生存的地球”信念的支持下，云攀人以顾客为关注的焦点；以市场为导向；以保护地球，匹夫有责为己任；时刻牢记“光明使者”的重任，通过对现有市场上的微小型风力发电机产品的技术状态、使用状况和顾客呼声、愿望、抱怨、投诉进行充分的市场调查，并对收集的资料进行科学的汇总、分类、统计分析，找出其优点和存在缺陷。针对传统小型风力发电机组存在的问题，我们第一步设想：利用大、中型风力机桨叶失速控制技术移植到微小型风力机中，同时利用发电机的饱和特性来替代微小型风力机的偏侧调速机构，以达到限制转速、限制功率的目的。从而将原有的三个转动部件（对风装置，发电装置，偏侧调速限功装置）减少为二个。第二步：采用组合叶素理论和动量理论，利用二维机翼在大功角下的风洞试验研究结果，修正大攻角失速后的空气动力学数据，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、风切变、尾流等影响风力机效率的因素来设计失速叶片的气动外形和结构，在制造过程中选用高强度工程塑料，采用精密注射工艺成型。在确保叶片强度、刚度、疲劳寿命前提下解决成本与性能问题。同时利用“锥角效应”解决叶片振动、噪音问题。第三步，将电动机的碳刷、滑环机构移植到微小型风力机中，解决电缆缠绕问题。第四步，制造一个集整流、稳压、报警、指示、蓄电池保护功能于一身的控制器，解决蓄电池欠压、过充问题，从而延长蓄电池的寿命。第五步，制造一个智能型正弦波逆变器，并具有过载、短路自动保护功能，解决常规逆变器的带感性负载时易产生运转噪音、效率低、寿命短和可靠性差的问题。第六步，借鉴电器接插件结构形式设计电连接器解决发电机与控制器连接的隐患问题；利用密封胶解决电机密封问题；利用多种防松方法，如防松胶、转向与螺纹旋向相反自紧的原理、非金属嵌件锁紧螺母等多种形式解决紧固件松动问题。为实现我们制订的目标，云攀人经过不懈努力、屡败屡战、精益求精，皇天不负有心人，终于变美梦成真。集微电子技术、永磁电机技术、计算机技术、电力电子技术、空气动力学技术于一身的具有高

科技含量、最新一代的风力发电机组横空出世。

控制器特点

1.采用铝合金挤压成型的外壳，外形美观，兼起散热器自散热作用，减少了利用轴流风扇进行强迫冷却而引起附加电能消耗。2.利用可控硅半控桥式整流，移相稳压控制技术（或二极管桥式整流，PWN直流斩波控制技术）制成的整流、稳压电路，其稳压精度高、效率高、电源质量好、可靠性高。3.具有风轮转子发电指示；三相永磁交流发电机的充电指示；蓄电池欠压、过充状态指示功能以及蓄电池的欠压、过充自动保护功能。4.配备光伏电池组输入端子。方便用户将风力发电系统扩充为风—光互补型风电系统。5.引入切入风速控制系统。其工作原理为风轮转子起动并连续旋转后，由于风轮转子维持风速低于起动风速，在发电机电压未达到蓄电池充电电压时，使风轮转子空转。一旦达到充电电压时，即转换为正常充电工作状态。这样使风轮转子能更有效吸地收风能。6.根据三相交流发电机绕组自身特点配以先进吸收电路设计的制动装置。一方面确保风力发电机安装时人员的人身安全，另一方面在台风来临时保护机组免受损坏。

风轮转子的特点

１、选用玻璃纤维增强型工程塑料，经精密注射工艺成型的风轮叶片，表面喷涂耐侯性能极佳的专用面漆，在确保叶片满足强度、刚度要求的前提下，减轻了叶片重量。在确保叶片满足复杂气动外形尺寸精度的前提下，提高了生产效率，降低了生产成本．

２、根据风力发电机叶轮转子既具有外流机翼类似的特性，又具有开式旋转机械的特点，采用组合叶素理论和动量理论，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、尾流损失、风切变、尾流与塔架位势干扰等影响风力机效率的因素，利用二维机翼在大功角下风洞试验成果来修正大攻角失速后气动数据以及空气动力学的最新研究成果来设计风轮转子叶片的气动外形和结构，并根据叶片最佳外形尺寸要求进行优化设计，兼顾起动性能和工作性能两者之间的关系，既使风轮转子具有重量轻、转动惯量小、对风速的变化响应速度快的特点；同时又使风轮转子具有转换效率高、Ｃp-l曲线形状好即曲线平顶范围较宽。从而降低了起动风速，增加了年发电量。

３、利用“锥角效率”优化设计风轮参数，使风轮转子在正常运转时近乎无振动、无噪音。４、利用失速叶片的失速特性来限速、限功，简化了结构，减少了零部件的数量。永磁交流发电机的特点

１、采用专利技术的径向式永磁磁路转子结构，使转子单位每百瓦稀土永磁材料消耗量低、效率高、比功率大、重量轻、体积小，由于风轮转子直接套在发电机的转轴上，使风轮转子对风速变化的响应速度快。其转子工作转速最高可达１００００转/分。

２、采用ＣＡＤ技术、有限元分析技术对电机定子进行优化设计，重点是如何降低发电机的阻转矩，如定子铁心采用斜槽结构、定子绕组采用分数槽绕组、槽楔采用磁性槽楔、合理选择定、转子的槽数和极数配合。

３、根据风轮转子的功率——风速曲线、转速——风速曲线来设计发电机功率——转速曲线。使两者具有良好的匹配特性即在一定风速、一定风轮转子转速的前提下风轮转子的机械功率应略大于发电机的输入功率。过大，会出现大马拉小车现象，白白浪费风能并造成机组年发

电量的下降；过小，会造成风轮转子转速突然下降并产生冲击现象，使风轮转子在偏离最佳叶尖速比状态下运行，同样降低了机组的年发电量。

４、发电机的电流——转速曲线形状好，即能兼顾低、中、高速时发电机输出特性。

５、采用ＩＰ５４全密封防护等级，前、后端盖止口与机座止口、支承座止口接合处，采用密封胶密封。前端盖与叶片连接法兰接合外，采用新型防水结构，避免风沙、雨水、雪水入侵。

６、采用宽系列橡胶双密封非接触式进口轴承，使发电机在-30C°~+50C°工作环境下可靠使用。

７、连接件、紧固件全部采用不锈钢材料，并采用厌氧胶进行防松处理。

突破传统界限，创造一个新时代

综合利用电机技术、电力电子技术、微机技术、空气动力学技术等综合技术创造出一个近乎完美的小型风力发电机组。

特点：

1.体积小、重量轻、外形美观；

2.起动风速低、系统效率高、设备利用率高；

3.正常运行接近无振动、无噪音，真正的绿色环保、清洁能源；

4.无电缆 缠绕的烦恼；

5.结构简单、安装维护方便；

6.寿命长，可靠性高；

7.智能型正弦波逆变器，具有过载、短路自动保护功能；欠压、过充保护功能；

8.风—光互补混合型控制器，集整流、稳压、指示、自动保护功能于一身；