小型风力发电机应用设计新技术

概 论

一、你见过风力发电机吗

你见过风力发电机吗？如果你还没有见过一台真正的风力发电机的话，那么，有一样东西，你肯定是不会陌生的，那就是儿童们逢年过节玩耍的“风车”，风力发电机就是由它逐渐演变而来的。那么，就让我们先从“风车”谈起吧。

玩具风车产生的年代较早，在辽阳三道壕出土的东汉晚期汉墓壁画中就已出现，由此可以推断，这种风车至少已有1700多年的历史了。

除上面谈到的汉墓壁画外，有关风车的记载，还可见于明代刘侗所著《帝京景物略》一书，在该书中是这样介绍风车的：“剖秫秸二寸，错互贴方纸其两端。纸各红绿，中孔以细竹横安秫竿上，迎风张而急走，则旋转如轮，红绿浑浑如晕，曰‘风车’。

不难想像，如果根据同样的原理，只要采用强固的材料来替换玩具风车所用的秫秸，并从尺寸上加以适当放大，便成为一台生产上可以用作动力的水平轴风力机，如果再配以发电机，并组成一个整体的话，那就成了一台风力发电机。

风力发电的研究利用是从20 世纪初开始的。20 世纪70年代由于石油危机，油价上涨，以及大量使用矿物燃料给环境造成了严重污染，各种因素促使风力发电得到迅速发展，并出现了许多风电场。随着不可再生的矿物燃料不断被消耗，其储量越来越少，风能将是人类未来重要的能源之一。

二、哪些地方可以推广应用风力发电机

生活在农区、牧区的居民，边远地区的边防、哨所、海岛驻军，内陆湖泊和近海滩涂养殖业及沿海岛屿的渔民，可以使用推广。还可用于地处野外高山的微波站、光缆通信、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的了望烽火台和石油天然气输道等。这些地方绝大部分处在风能资源丰富地区，通过采用风力发电机、风力发电机/柴（汽）油互补发电或风力发电机/太阳电池互补发电，既可以保证全天24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染，可谓一举三得，经济效益和社会效益十分显著。

三、我国已经生产了多少台风力发电机

截止2000年底，我国累计生产各种小型（10千瓦以下）风力发电机组197 940台，见表1-1。总装机容量为50 277万千瓦，年发电量7 066千瓦时。其中，内蒙古144 517台，占73%。所生产的小型风力发电机组，除满足国内用户需要外，还出口远销到印尼、瑞典、德国、日本、韩国、蒙古、法国、古巴、越南、泰国、马来西亚、缅甸等23个国家和地区，累计出口各种小型风力发电机组近5000台。我国小型风力发电机组保有量、年产量、生产能力均列世界之首。

“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，社会主义市场经济已为我国各项事业的发展开辟了一条广阔的道路，随着我国加入WTO，我国风力发电机的研究与推广应用，将随着理论研究的不断提高和生产技术的日臻完美，在国民经济中、在人民的日常生活中，将发挥越来越重要的作用。

小型风力发电机与风能利用

二、风是怎么形成的

1.什么是风

提到风，谁都会说出很多切身的体会。如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”。总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透。风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风。太阳辐射对地球表面不均匀性加热是形成风的主要成因。

太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处（海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区）吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风。地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂。

2. 风的种类

为了区别不同的风，我们给它们都取个名字。下面就让我们分别认识它们吧。

（1）贸易风：在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30 度附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。在接近赤道地区，由于大气层中大量空气的环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远程贸易，所以称为贸易风。由于地球自西向东旋转的结果，贸易风向西倾斜，此时北半球产生了东北风，而南半球则产生了东南风，如图2-1所示。

（2）旋风和反旋风：由两极流向赤道的冷空气气流与由赤道流向两极的热空气气流相遇处（约在纬度50~60度附近）构成了涡流运动，为旋风和反旋风，而非定向的、常见的环流。地形的差异（如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠）使在同一纬度上受到程度不同的加热，因而产生了地区性风。

（3）轻风：由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风。当日间有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图白海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风。陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降。而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风（图2-2）。轻风方向的更换决定于地形条件。海风通常自上午9~10时开始，陆地风则在日落以后开始。轻风仅在沿海岸才遇到，流动可及的距离约为在海洋和陆地两方各40千米之间。

（4）季节风：陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节 性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风。

（5）平原和山岳风：山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风 每日上午自9—10时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳 流向平原，形成了山岳风。如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因在夜间，山 岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强。夜间的山岳风是由于山顶的冷空

气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风。平原风的产生则是由于日间山岳斜面上 的空气较热于平原上的空气，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。

3.风的特性

风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述。

（1）风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位。例如空气在1 秒钟内运动了3米，那么风速就是3 米/秒。由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。风速可由测风仪测量得到。

（2）风速随高度的变化：从地球表面到10 000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。

通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有

指数公式：υ=υ1 （h/h1）n （2-1）

对数公式：υ=υ1 （1gh/h0）/ 1g（h1/h0） （2-2）

式中：υ1———高度为h1的风速；h0———风速为零的高度；n———值取决于地面的平整度（粗糙度）和大气的稳定度，取值范围为1/8~1/2。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n 值取1/7。

（3）风频：分为风速频率和风向频率。

风速频率：各种速度的风出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小。

风向频率：各种风向出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。

二、风能的特点和性

1.风能的特点

大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量。风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能。根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/ 秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功（如发电），我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。

那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，

如表2-1 所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。

大风所具有的能量是很大的。风速为9~10米/秒的5 级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10 千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。

2.风能的优点和局限性

风能与其他能源相比，有明显的优点，但也有其突出的局限性。

（1）风能的优点。

①蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源。根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。

②无污染：在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。

③可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就

可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用。

④分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和天然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。

⑤适应性强、发展潜力大：我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76%，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔。

（2）风能的性。

①能量密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1/816。

②不稳定性：由于气流瞬息百变，风时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显。

③地区差异大：由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大。两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍。 三、我国风能资源区划

根据国家气象局气象研究院的估算，我国的地面风能潜力理论可开发的总量全国为32.26亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为2.53亿千瓦，可开发的风能资源是十分丰富的。

为了充分开发利用丰富的风能资源，在研究了各地风能资源差异的基础上，进行了风能资源区划，为设计、生产部门研制风力机以及广大用户选购风力机提供科学依据，并为部门制定能源规划提供参考。

我国风能资源区划。

在我国的不同地区，风能资源是不同的。我国风能资源可划分为4种类型：

（1）风能资源丰富区：这一区域的有效风能功率密度在200瓦/米2以上，风速不低于3.5 米/秒的时间，全年为7 000~8 000小时左右。

（2）风能资源较丰富区：这一区域的有效风能功率密度为150瓦/米2 以上，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为4 000小时以上。

（3）风能资源可利用区：这一区域的有效风能功率密度为50瓦/米2以上，风速不低于3.5米/ 秒的时间，全年为2 000小时以上。

（4）风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦/ 米2以下，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为2 000小时以下。

根据全国气象台站风能资料的统计和计算，表2-2 给出我国风能区占全国面积的百分比。

四、什么样的风能对人类有用

风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系。根据上面风能资源区划，年平均风速小于2米/秒的地区，其潜能很低，至少目前没有什么利用价值。

年平均风速在2~4米/秒的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在3~4 米/秒的地区，利用价值较高，有一定的利用前景，但从总体考虑，该地区的风力资源仍是不高。

年平均风速在4~4.5 米/秒的地区基本相当于风能较丰富区；年平均风速大于4.5米渺的地区，属于风能丰富区。

由此可见，除去一些破坏性极大的风（如台风、龙卷风等），绝大多数风速在2米/秒以上的风能都是对人类有用的风能。

目前，国内外一般选择年平均风速为6米/秒或以上的高风速区（ 即风能资源丰富区），安装并网型风力发电机组，即大型风力发电机组。在这些机组中，我国一般选用单机容量600千瓦以上的机组建设风电场。这样才能保证机组多发电，经济效益才能显著。运行的小型风力发电机组启动风速较低，一般为3 米/秒以上就能发电，这些地区分布区域广，我国有相当部分农耕区、山区和牧区属于这种地区。

五、你居住的地方有没有丰富的风能资源

根据上面对风能资源的区划方法，利用我国2 434个气象台站的多年测试的年平均风速资料，绘制了全国3~20米/秒风速全年积累小时数分布图。

风能较丰富的地区大致为：内蒙古的中西部，10月以后每当冷空气过境，就产生5~6 级以上大风；渤海沿岸，因受海洋的影响，风力较大；内蒙古的通辽市和赤峰市，因受大兴安岭余脉的影响，风力较大；的准噶尔盆地，因南面为天山，盆地成为冷空气南下的通道，特别是冬、春季，风力较大。还有东南沿海、东海、南海群岛，和南海西部，这些地区的风能为全国最大；此外，黄河沿岸地区风能资源也较丰富。

风能欠缺区大致在雅鲁藏布江河谷和塔里木盆地，这两个地区由于四面环山，风能很小，基

本上没有利用价值；而云南的西部和南部，东南丘陵地区和南岭山区，风能密度很小；四川盆地，风速很低，这些地区的风能也难利用。

除上述地区外，其他地区就属于风能可利用区了，它们大致分布在华北南部、江淮下游、福建西部、关中、甘南、四川西部、塔里木盆地南部、青藏高原的东部和南部、甘肃、宁夏的一部分。

你居住的地方有没有丰富的风能资源？你就可以根据风速时数分布来判断。前面我们已经讲了风能资源由于受地形、地貌的影响很大，因此还要到你居住附近的气象台站去查阅当地的风能资料。

风能资源开发判断依据

一、风能的计算公式

我们在上面几节中已大致讲了多大的风能资源值得开发利用，但是要比较精确地判断，就要用“风能公式”来进行计算，下面这个公式就是著名的“风能公式”：

E=1/2（ρtsυ3）

式中：ρ!———空气密度（千克/米2）；

υ———风速（米/ 秒）；

t———时间（秒）；

S———截面面积（米2）。

它是风能利用中常常要用的公式。由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其关系如下：

（1）风能（E）的大小与风速的立方（υ3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是 风速。

（2）风能（E）的大小与风所流经的面积（s）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。

（2）风能（E）的大小与空气密度（ρ）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（千克）。因此，计算风能时，必须要知道空气密度ρ值。空气密度ρ值与空气的湿度、温度和海拔高度有关，可以从相关的资料中查到。

二、判断风能资源是否值得开发的依据

从风能公式我们可以看到，影响风能资源的主要因素是风速，我们通过风能的区划可以看到，

风能欠缺区由于平均风速很低，没有开发价值。另一方面，我们还要考虑到，功率不同的风力发电机，对风速的要求是不同的，因此判断某一地区的风能资源是否值得开发，还要考虑你准备采用的风力发电机的功率大小和机型。

（1）大型风力发电机（100千瓦以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为6米/ 秒 以上，在全国范围内，仅仅局限于几个地带，就陆地而言，大约占全国总面积的1/100。

（2）中型风力发电机（10千瓦级及以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为4.5米/ 秒以上，在全国范围内，可以发展中型风力发电机的地区，大约占全国陆地总面积的1/10。

（3）小型风力发电机（10 千瓦级及以下）可能发展的地区，其年平均风速大约为3米/秒以上，在全国范围内，可以发展小型风力发电机的地区范围较大，大约占全国陆地总面积的40%以上。

具体说，东北除大兴安岭、长白山脉的背风低谷等不利地形外；内蒙古的大部；京、冀、晋、陕、宁、甘的北部；青海的中西部；的雅鲁藏布江河谷以外的大部；除两大盆地及阿尔泰山等的外围地区；津、冀、鲁、豫的东部；江苏、皖北至江西、湖北的两湖地区；向南包括浙、闽、两广的沿海；云南东北部等都是小型风力发电机可能发展的地区。

地球上的风能资源约为200万亿千瓦时/年，目前已被开发利用的部分是微不足道的。如果将1%的地面风能资源开发利用，就能满足全世界对能源的需求。可见风能的开发利用潜力是多么巨大。

我们伟大的祖国地域辽阔、幅员广大，除少数省份年平均风速比较小以外，大部分省、市、自治区，尤其是西南边疆、沿海和三北（ 东北、西北、华北）地区，都有着极有利用价值的风能资源。我们要认识和掌握风能利用的规律，将丰富的风能资源利用起来，造福于人类。 小型风力发电机

上面我们谈了风和风的特性，现在该谈谈我们的主角“小型风力发电机”了。我们一般把发电功率在10千瓦级及以下的风力发电机称作小型风力发电机。它有多种不同的结构，下面将分别给大家介绍。

一、风力发电机的分类

1. 按风力发电机的风轮轴的位置分类

按风力发电机风轮轴的位置，分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。图4-1 和图4-2分别是典型的水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的示意图。

（1）水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为1~4片（大多为2片或3片），它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动时需要较高的风速。

水平轴风力发电机可以是升力装置（ 即升力驱动风轮），也可以是阻力装置（ 阻力驱动风轮）。

大多数水平轴风力发电机具有对风装置：对于小型风力发电机，一般采用尾舵；而对 于大型风力发电机，则利用对风敏感元件。

水平轴风力发电机随风轮与塔架相对位置的不同，而有上风向与下风向之分。风轮安装在塔架的前面迎风旋转，叫上风向风力发电机；风轮安装在塔架后面的，叫下风向风力发电机。上风向风力发电机必须有某种调向装置来保持风轮迎风，而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但下风向风力发电机，由于一部分空气通过塔架后，再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流而形成“塔影效应”，使性能有所降低。

（2）垂直轴风力发电机：垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转，风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，十分便于维修。

垂直轴风力发电机可分为两个主要类别，一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是%

型风轮（图4-2a）。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力发电机，因为受偏转与安全极限应力的，采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力发电机（图4-2b），是水平轴风力机的主要竞争者。达里厄风力发电机有多种形式，基本上是直叶片和弯叶片两种。叶片具翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。

垂直轴风力发电机在风向改变时，无需对风向，在这一点上，相对于水平轴风力发电机是一大优点，这使得结构简化，同时也减少了风轮对风向时的陀螺力。

（3）浓缩风能型风力发电机：浓缩风能型风力发电机是近几年发展起来的新型风力发电机，其特点是更有效地实现风能利用的高效、高可靠性和低成本。当能流密度低、风向和流速不断变化的自然风经过浓缩风能型风力发电机时，自然风的能流密度提高，流速变均匀，即风力发电机叶轮所接受的能量品质得到改善。因此，该机型发电功率大、发电时间长、发电质量好，发电总量大，系统运行稳定、可靠、安全，低噪音、寿命长、发电成本低。浓缩风能型风力发电机的结构参看封2 彩图。

2.按风力发电机的功率分类

按风力发电机的功率分类可分为大、中、小型风力发电机。我们在前面已介绍，功率在10千瓦以下的称为小型风力发电机；功率在10千瓦至100千瓦的称为中型风力发电机；功率在100千瓦以上的称为大型风力发电机。

二、小型风力发电机的基本结构和特性

目前，我国推广应用最多的小型风力发电机，其机型是水平轴高速螺旋桨式风力发电机，因此，我们将重点介绍它的基本结构和特性。

水平轴高速螺旋桨式风力发电机大致由以下几个部分组成：风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构（尾翼）、刹车机构、塔架。其基本构造原理如图4-3 所示。

1.风轮

水平轴风力发电机的风轮是由1-4个叶片（ 大部分为2~3个叶片）和轮毂组成。其功能是将风能转换为机械能，它是风力发电机从风中吸收能量的部件。叶片的结构一般有6种形式，如图4-4所示。

（1）实心木制叶片。这种叶片是用优质木材，精心加工而成，其表面可以包上一层玻璃纤维或其他复合材料，以防雨水和尘土对木材的侵蚀，同时可以改善叶片的性能。有些大、中型风力机使用木制叶片时，不像小型风力机上用的叶片由整块木料制作，而是用很多纵向木条胶接在一起（图4-4a）。

（2）有些木制叶片的翼型后缘部分填充质地很轻的泡沫塑料，表面再包以玻璃纤维形成整体（图4-4b）。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻重量，而且能使翼型重心前移（重心前移至靠前缘1/4 弦长处最佳），这样可以减少叶片转动时所产生的不良振动。对于大、中型风力机叶片尤为重要。

（3）为了减轻叶片重量，有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构，泡沫塑料、轻木或其他材料作中间填充物，在其外面包上一层玻璃纤维（图4-4c）。

（4）为了降低成本，有些中型风力机的叶片采用金属挤压件，或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型（图4-4d），但整个叶片无法挤压成渐缩形状，即宽度、厚度等不能变化，难

以达到高效率。

（5）有些小型风力机为了达到更经济的效果，叶片用管梁和具有气动外型的玻璃纤维蒙皮做成。玻璃纤维蒙皮较厚，具有一定强度，同时，在玻璃纤维蒙皮内可粘结一些泡沫材料的肋条（图4-4e）。

（6）叶片用管梁、金属肋条和蒙皮做成。金属蒙皮做成气动外型，用铆钉和环氧树脂将蒙皮、肋条和管梁粘结在一起（图4-4f）。

总的说来，除部分小型风力机的叶片采用木质材料外，通常风力机的叶片采用玻璃纤维或高强度复合材料，而且叶片的材料也在不断改进。

具有流线型断面的叶片，在一定条件下得到的升力比阻力大20多倍，是一种比较理想的叶型，图4-5中的叶片结构型式就是流线型叶片。

风力机叶片都装在轮毂上。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，都通过轮毂传递到传动系统，再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。轮毂要有足够的强度，并力求结构简单。在可能的条件下（如采用叶片失速控制），叶片采用定桨距结构，即将叶片固定在轮毂上〔无俯仰转动〕，这样不但能简化结构，提高寿命，而且能有效地降低成本。

2. 发电机

（1）发电机的种类：小型风力发电机所用的发电机，可以是直流发电机，也可以是交流发电机。目前，小型风力发电机用的发电机大部分是三相交流发电机。由于产生磁场的形式不同，三相交流发电机有永磁式和励磁式，它们所产生的三相交流电都要通过整流二极管整流后输出直流电。为便于安装和维修，现在很多小型风力发电机，采用交流发电机时，将整流器安装在控制器中。

交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速发电性能好等优点。尤其是对周围无线电设备的干扰要比直流发电机小得多，因此适合小型风力发电机使用。

（2）发电机的构造：交流发电机主要由转子、定子、机壳和硅整流器组成。

转子：转子做成犬齿交错形的磁极。永磁式发电机的转子磁极由永久磁铁制成。励磁式发电机的转子磁极由两块低碳钢制成。在磁极内侧空腔内装有励磁线圈绕组，当通天励磁电流时，便可产生磁场。

定子：定子由铁芯和定子线圈组成。铁芯由硅钢片制成，在铁芯槽内绕有三组线圈，按星形法连接，发电机工作时线圈内便产生三相交流电。

机壳：机壳是交流发电机的外壳，由金属制成，它包括壳体和前后端盖。如果将整流器装在发电机中，装有整流器的端盖也叫整流端盖。

整流器：整流器由六个硅整流二极管组成桥式全波整流线路。它的作用是将三相交流转变为直流，可以很方便地将它储存在蓄电池中。现在，很多生产厂家采用整体封装的整流桥模块，简化了电路、提高了可靠性、降低了成本。

（3）发电机的功率：发电机的额定功率是指发电机在额定转速下输出的功率。由于风速不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化。当风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。表4-1为FD2-100 型风力发电机在不同风速下的输出功率。从表4-2 可看出该机的额定功率100瓦是指在设计风速6 米/ 秒时，风力发电机所输出的功率。最大输出功率可达180 190瓦。

当然，由于风力发电机的限速和调速装置及发电机本身设计参数的，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内变动。

3. 回转体

回转体是小型风力发电机的重要部件之一。其作用是支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架上端自由回转，小型风力发电机回转体的结构和安装方式种类各异。其中，偏心并尾式回转体目前在我国应用比较广泛，其结构要素可归纳如下，见图4-5。

（1）风轮的仰角：为了提高风轮的工作性能，在回转体上平面与水平面间设计有5~10 度的夹角。发电机安装在回转体上平面，这样发电机轴（也就是风轮轴）就有一个5~10度的仰角，从而提高了风轮工作的稳定性和可靠性。

（2）风轮轴与回转体中心偏心距：风轮轴与回转中心偏心距是小型风力发电机调速机构准确调速的重要结构参数。当风速达到限速风速时，此偏心距能准确地产生一个迫使风轮扭转的力矩，使风轮立即开始侧偏调整。如果风速继续增大，风轮扭转力矩也增大，风轮继续侧偏，直至达到限速停车的极限位置。

（3）尾翼后倾角和侧偏角：尾翼与回转体上的尾翼连接耳通过销轴联结，而此销轴在安装时即有一个设计好的空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，当风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小，尾翼重力作用下的恢复力矩迫使尾翼回到原来位置，使风轮迎风。 4.调速机构

由于自然界的风具有不稳定性、脉动性，风速时大时小，有时还会出现强风和暴风，而风力发电机叶轮的转速又是随着风速的变化而变化的，如果没有调速机构，风力发电机叶轮的转速将随着风速的增大而越来越高。这样，叶片上产生的离心力会迅速加大，以至损坏叶轮。另外，随着风速增大，叶轮转速增高的同时，风力发电机的输出功率也必然增大，而风力发电机的转子线圈和其他电子元件的超载能力是有一定限度的，是不能随意增加的。因此风力发电机若要有一个稳定的功率输出，就必须设置调速机构。

小型风力发电机常用的调速方法有三种：风轮侧偏调速法；桨叶侧偏调速法；空气制动调速法。

（1）风轮侧偏调速法：当风速达到限速风速时，通过扭转风轮迫使其顺着风向侧偏，减小风轮迎风面积，从而达到调速的目的。这种调速方法有两种，一种是借助“侧翼”来实现风轮侧偏调速；另一种是利用“偏心”的办法进行调速。

①侧翼调速法：就是在风轮后面与风轮回转面平行安装一个侧翼，其侧翼梁应平行于地面。侧翼板伸到风轮回转直径之外，并与回转面平行。侧翼的迎风面积，以当风速达限速风速时侧翼板上的风压足以使风轮扭转限速为标准，通过严格的设计和试验确定，不可随意变动。调速原理如图4-6a所示，当风速还没有达到限速风速时，风轮将在尾翼的作用下处在正对风向的位置，也就是工作的位置。当风速达到或超过限速风速时，侧翼板上受到的风压足以克服弹簧或配重的拉力，驱使风轮顺着风向扭转一个角度，使之与尾翼（调向机构）靠近。此时由于风轮迎风角度的改变，迎风面积变小，转速也就 随之降了下来，达到了调速的目的。当风速继续增大，以至达到刹车风速或超过刹车风速时，风轮将扭转到与尾翼完全靠拢的位置，也就是完全顺着风向的位置，停止转动，达到刹车的目的。风轮扭转后回位是靠侧翼相对一侧的弹簧或配重来实现的，也就是当风速减小到低于限速风速时，弹簧或配重将拉着机头回到原来的位置。

②偏心调速法：所谓偏心，就是指风力发电机风轮水平旋转轴与风力发电机机头的垂直旋转轴有一距离，此距离称为偏心距。当风大时，此偏心距可促使风轮产生一个顺着风向扭转的力矩。这种调速法的优点是结构简单。目前我国大多数小型风力发电机都采用了风轮偏心调速方式，其工作原理如图4-6b所示。风轮轴与机头回转中心有一偏心距e，所以当风速作用于风轮上时即产生了一个迫使风轮扭转的力矩Me，当风速还没有达到限速时，Me小于机头支座中的摩擦力矩Mf，此时风力发电机处于图4-6b1工作状态，当风速增大时，作用于

风轮上的风压亦增大，偏心力矩Me也就增大，若Me大于摩擦力矩Mf时，风轮即开始侧偏，如图4-6b2所示。如果这时风速保持定值，由于风轮已经侧偏，风轮所受风压也就减小，风轮转速相应降低，从而达到调速的目的。这时偏心力矩Me与摩擦力矩Mf平衡；如果风速继续增加，即偏心力矩Me继续增大，风轮继续侧偏，其极限位置如图4-6b 3所示。

需要说明一点，即尾翼与机头通过销轴联结，而此销轴在设计安装时就有一个空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小到某一值时，在尾翼重力产生的恢复力矩作用下即可迫使风轮迎风继续旋转。

（2）桨叶侧偏式调速法（变桨距调速法）：变桨距调速法就是当风速达到限速风速时，迫使桨叶绕叶柄转过一个角度，以改变桨叶的冲角，从而改变桨叶的升力与阻力，达到调速的目的。

图4-7为FD2-100型风力发电机变桨距调速机构。弹簧套筒内装有启动弹簧6和调速弹簧5，桨叶在安装时有一较大的安装角，便于低风速时启动。风轮旋转起来后，在离心力的作用下，桨叶向外拉伸压缩启动弹簧6，同时在螺旋副的作用下，桨叶扭转很快进入最佳冲角状态。如果风速继续增加，则桨叶的离心力亦增大，此时调速弹簧5 开始工作。同样道理，在离心力作用下，桨叶向外拉伸（带动桨叶轴亦向外拉伸），由于螺旋副的作用，桨叶扭转以至达到负冲角，风轮转速显著降低，达到调速的目的。当风速降低时，在弹簧张力的作用

下，桨叶恢复到调速状态前的工作位置。这样就使风轮转速保持在一定的范围内工作。

（3）空气制动调速法：空气制动调速法就是在桨叶上采用增大桨叶阻力的方法以获得调速的目的。

增大阻力最简单的装置是空气制动器，如在桨叶上装上襟翼，如图4-8。襟翼2 固定装在轴5 上，并装在桨叶的两面，轴5为与拉杆4相连的杠杆3所转动，拉杆4的外端装有重块1，在拉杆4的另一端接上弹簧6及环状杠杆7，杠杆的环活动地装在风轮轴上。在正常转速时，襟翼2与气流并行，所以不会产生多大的阻力。要是风轮的角速度大于正常速度时，在离心力作用下，重块1开始沿径向向桨叶外端移动，通过拉杆4的作用转动襟翼的轴使其平面与旋转方向相反。此时阻力增加而将风轮制动，当风速减小时，弹簧6则将襟翼回转至原来的位置。

5.调向机构

为什么要设置调向机构呢？大家知道，风力发电机是靠风的能量发电的，而风轮捕获风能的大小与风轮的垂直迎风面积成正比，也就是说，对于某一个风轮，当它垂直风向时（正面迎风）捕获的风能就多；而当它不是正面迎风时，所捕获的风能相对就少；当风轮与风向平行时，就捕获不到风能。所以，风力发电机必须设置调向机构，使风轮最大程度地保持迎风状态，以获取尽可能多的风能，从而输出较大的电能，调向机构对于小型风力发电机来说，一般采用“尾翼调向”。

尾翼主要用在小型风力发电机上，由尾翼梁、尾翼板等组成，一般安装在主风轮后面，并与主风轮回转面垂直。其调向原理是：风力发电机工作时，尾翼板始终顺着风向，也就是与风向平行。这是由尾翼梁的长度和尾翼板的顺风面积决定的，当风向偏转时尾翼板所受风压作用而产生的力矩足以使机头转动，从而使风轮处在迎风位置。

尾翼板的形状如图4-9 所示，a为旧式风力发电机使用的形式，b 是a的改进型，c对风向的变化最敏感，灵敏性好，是最好的形状。c 尾翼有最大的翼展弦长比，这种尾翼的设计和滑翔机翼一样，能充分地利用上升的气流。实际上尾翼的翼展和弦长的比在2~5之间，典型尾翼的高应是宽的5 倍左右。

尾翼一般都装在风力发电机风轮的尾流区里，但为了避开风轮的尾流区，也有把尾翼安装在很高位置上如图4-10所示。而尾翼支撑臂的长度，以与风轮直径大体相同为标准，尾翼面积为风力发电机回转面积的1/8。

6.手刹车机构

小型风力发电机的手刹车机构的用途是使风轮临时性停车（停止旋转）。如遇到特大风时可紧急使风轮停转，检修风力发电机和为了使风力发电机有计划地停止转动等，可通过手刹车

机构使风轮刹车，或使风轮偏转与尾翼板平行。为了简化结构，有些小型风力发电机没有设置手刹车机构，但为实现临时停车，大多在尾翼端部系一根尼龙绳摆动尾翼，使风轮偏转离开迎风位置。手刹车机构一般都是钢丝绳牵拉式。小型风力发电机手刹车钢丝绳的牵拉方式有杠杆原理牵拉、绞轮原理牵拉。

7. 塔架

为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。这时，塔架承受两个载荷：一个是风力发电机重力，向下压在塔架上；一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。

塔架所用材料是木杆或铁管，也可以采用钢材作成的桁架结构。小型风力发电机百瓦级的大多采用空心、立柱拉索式见图4-11a，千瓦级的采用空心立柱式，也有采用桁架式见图4-11b。

不论选择什么样的塔架，目的是使风轮获得较大风速，同时还必须考虑成本。引起塔架破坏的载荷主要是风力发电机的重量和塔架所受到的阻力，因此，要根据实际情况来确定。 小型风力发电机正常工作技术条件

前面我们已经介绍了风能有很大的性。风的能量密度低，气流瞬息百变，时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。因此如果只有一台风力发电机，它发的电就会时有时无，电压时高时低，无法正常向用户提供所需的电能。我们必须建立一个发电系统，来保证其正常供电，这个发电系统包括控制器、逆变器、蓄电池。

一、发电系统中要配备控制器

1.为什么要配备控制器

为了保证在没有风或风小时能正常供电，我们必须将风力发电机发的电储存起来，目前采用最多的储能方法是利用蓄电池将电能储存起来。

为了降低成本，在风力发电系统中，大量采用酸性蓄电池。但是酸性蓄电池的抗过充电、过放电能力很低，过充电不仅造成蓄电池容量降低，并导致蓄电池失效；过放电造成蓄电池亏电，严重影响蓄电池使用寿命。因此，在发电系统中，必须要配备控制器，保证风力发电机对蓄电池正常充电，防止蓄电池发生过充电、过放电，并控制输向用电器的电压。有些控制器同时还具有防止负载短路、过载和自动恢复的保护功能，延长蓄电池及用电器的使用寿命。

2.控制器的结构原理

控制器是由一些电子元器件如电阻、电容、半导体器件、继电器等组成。简单地说，控制器就是一个“开关”。当风力发电机发出的交流电经整流后，如蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机向蓄电池充电，当蓄电池电压上升达到保护电压时，充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充。但是，根据蓄电池的充电特性，这时，蓄电池电压会慢慢下降，为防止蓄电池充电不足，当其电压下降到一定值时，充电控制开关导通，对蓄电池进行自动补充充电，该状态一直保持到下一次充电保护为止。

由于电视机、洗衣机或其他有电动机的用电设备启动时，启动电流很大，会造成蓄电池电压突然下降，造成错误保护。为保证一次启动成功，控制器设有延时保护功能，延时时间在1秒到30秒内可调，以满足各种负载的启动要求。

二、电系统中要配备逆变器

1.发电系统中为什么要配备逆变器

大家都知道，由蓄电池输出的是直流电，它只能为直流用电器供电。但是我们在日常生活和生产中很多用电器是用交流电的，因此，将直流电变为交流电的设备称为逆变器。

2. 风力发电系统对逆变器的要求

逆变器是风力发电系统的关键部件，对逆变器的要求很高。目前造成风力发电系统不能正常运转往往是由于逆变器失效造成的。

（1）要求有较高的效率。由于目前风力发电的价格较高，为了最大限度地利用风力发电，要提高系统效率，必须要提高逆变器的效率。

（2）要求有高的可靠性。目前风力发电主要用于边远地区，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性反接保护、交流输出短路保护、过热、过载保护等。

（3）要求直流输入电压有较宽的适应范围。蓄电池的电压在工作时并不是绝对稳定的，它会随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时，其端电压的变化范围很大，如12 伏蓄电池，其端电压可在1.~16伏之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

3. 逆变器的工作原理

简单地说，就是如果通过控制一个开关，使直流电的电流方向以一定的频率不停地变化，那么，它就由直流电变成了交流电，再通过变压器把它的电压变成符合我们要求的电压，就可以向交流用电器供电了，这就是逆变器的工作原理。

逆变器的电路结构较为复杂，形式也较多，其主电路常用的有推挽逆变电路、全桥逆变电路、高频升压逆变电路等。随着智能型大规模集成电路成本降低，智能型充电控制(逆变一体化电路已实现了商品化，提高了工作的可靠性。

三、发电系统中泄荷器的作用

对于输出功率较大的小型风力发电机，当风速较高时，它的输出电压也迅速提高，远远超过了系统设计的电压，这时如果发生蓄电池接线松动，风力发电机送出的高电压将直接加到控制器/逆变器上，严重时将导致控制器/逆变器损坏；另一方面，当停止向蓄电池充电时，要给风力发电机提供一个放电通道，因此发电系统要设置泄荷器，以确保控制器/ 逆变器和风力发电机的安全。

泄荷器一般由电阻丝组成。要求电阻丝有较强的抗氧化能力，并能适应风力发电机的最大输出功率要求，以免风力发电机输出达到最大功率时，烧毁泄荷器。

四、蓄电池在小型风力发电系统中不可缺少

1.小型风力发电系统中为什么要配置蓄电池

由于风能的间歇性和不稳定性，如果用电器直接由风力发电机来供电，会出现供电时有时无、忽高忽低现象，这种电能是无法使用的。为建立一个供电电压稳定、能够全天候提供均衡供电的电源系统，就必须在风力发电机和用电器之间设置储能装置，把风力发电机发出的电储存起来，稳定地向用电器供电。

理想的电能储存装置，应当具有大的储存密度和容量；储存和供电具有良好的可逆性；有高的转换效率和低的转换损耗；运行要便于控制和维护；使用安全，无污染；有良好的经济性和较长的使用寿命。

现在，正在研究、开发和应用的电能贮存方式有改进型铅蓄电池和新型蓄电池储能；飞轮储能；水位储能；压缩空气储能；超导线圈储能等形式。

从目前小型风力发电机的实际应用看，最方便、经济和有效的储能方式是采用蓄电池储能。

蓄电池又称“电瓶”，它能够把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能，变换过程是可逆的，充电和放电过程可以重复循环、反复使用，因此蓄电池又称为“二次电池”。

2. 现在使用的蓄电池

现在使用的蓄电池，虽然从外形看有大有小，形状不一，但从电解液的性质来区分，主要分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。酸性蓄电池也叫铅蓄电池，它是各种二次电池中使用最多的一种。由于铅的资源丰富，铅蓄电池的造价较低，因而应用非常广泛。

作为风力发电系统中的储能设备，无论是酸性蓄电池还是碱性蓄电池，只有用户了解它们的性能和使用操作方法，才能延长蓄电池的使用寿命。早期的铅蓄电池的充放电循环次数只有200~300 次，使用寿命只有1~2年。随着工艺及结构不断改进，其性能不断提高，目前充放电次数已超过500次，使用寿命可达3~4年，不过蓄电池的实际使用寿命和能否正确使用维护有很大关系。若能正确操作使用，按时维护，有的铅蓄电池可使用5 年以上，这些我们在后面还会讲到。

五、发电系统中要有防雷击设施

风力发电机安装在室外，塔架加风轮和轮毂高度达十几米，遭受雷击屡见不鲜，特别是在雷电多发地区，电闪雷鸣，释放出巨大能量，雷击会造成风力发电机叶片损坏，并常常引起发电系统过电压，造成发电机击穿、控制设备烧毁、电气设备损坏等事故，甚至危及人员安全。所以，雷击威胁着风力发电机的安全运行。因此，我们在安装风力发电机时，一定要注意做好防雷击措施。

小型风力发电系统的选择与匹配技术

一、怎样选择符合要求的小型风力发电机

选择小型风力发电机组同购买其他物品一样，第一要适用；第二要物美价廉；第三要安全可靠。

对不同的地区，不同的用电要求有不同的适用条件。简单地说，“适用”要满足两个条件：一是选定的风力发电机要适于当地的风能资源；二是选定的风力发电机要适于用户的用电需求。

对于常年处于大自然中运转的风力发电机安全可靠十分重要。与适用性和经济性是密切相关的。如果一台风力发电机组经常发生故障，甚至某天刮大风时，叶片“不翼而飞”了，那么一定会令人十分烦恼，懊悔自己买了台“ 不中用”的产品。由于经常出故障，就需要维修，更换零配件，不但增加了麻烦，而且增加了经费开支。因此，一是必须保证风力发电机在一些极端情况下能经受住考验；二是必须保证风力发电机组正确地安装、使用和按要求进行维护保养。那么，怎样选择一台符合要求的小型风力发电机呢？

1.根据当地的风能资源来选择风力发电机

我们已经在风能公式中介绍了风的动能与风速的立方成正比。对于风力发电机来讲，其输出功率也是与风速的立方成正比。这就是说，当风速值有较小的变化时，输出功率将产生较大的变化。因此选择风力发电机的一个最重要因素是，要考虑使其设计风速值适合当地的风能资源，与之达到最大的吻合。这样，一是可以充分利用当地的风能资源，二是可以充分发挥风力发电机的能量输出，提高利用效益。

例如，在某风能可利用区，每天4米渺的风大约有15小时。一台设计风速为7米/秒的100瓦风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为：

100×（4/7）3×15=279.75（瓦）

若选择一台设计风速为6米/ 秒的100瓦风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为：

100×（4/6）3×15=444（瓦）

从上面的计算，我们可以看出，选择风力发电机的设计风速与当地的风能资源达到最大的吻合，可以提高风力发电机的能量输出。

大多数气象部门都建立了风能资源数据库，在选购风力发电机时可向该部门了解有关当地的风能资源资料。了解当地的年、月、日的平均风速，有效风速值日平均吹刮小时数等等，就可以利用风能公式估算出所选择的风力发电机组平均年、月、日的发电量，再根据用电需求量确定所选择的风力发电机是否适宜。这样，就可以选择合适的风力发电机了。

近年来风力发电机获得了突飞猛进的发展，涌现出了种类繁多的机型。购买时首先要根据风力发电机的型号，选择适合你的要求的风力发电机。

表6-1列出了目前我国生产的几种主要型号风力发电机。型号中FD表示风力发电机，后面的数字表示风轮的直径，最后的数字表示额定输出功率。

2.根据家用电器的用电量来选择风力发电机

不言而喻，购置风力发电机组的目的是为了解决用电。所以，当我们选择风力发电机时，应考虑风力发电机的发电量是否能满足用电量的要求。

表6-2为估算的常见用电器的用电量。估算用电器的用电量，可以用电器设备铭牌标定的电功率（瓦）乘以平均每天使用的时间（小时），就可得出耗电量（瓦时）。

选购风力发电机时，应对用电器平均耗电作一估算。可以把全年用电情况，按月画出用电量曲线，同时，根据当地风能资源情况，把风力发电机全年发电情况，按月绘出电能输出曲线。图6—1为风力发电机按月输出电能曲线和用户按月用电量曲线示意图。

从图6-1可以看出，输出电能曲线a如果高于用电量曲线b，表示用电合理，风力发电机组能满足你的用电需求。如果用电量曲线b 高于风力发电机组输出电能曲线a，说明该风力发电机满足不了用电需求。这时必须购买功率大一些的风力发电机组来满足用电需求，当然也可以减少用电器，使用电量减少。

这种估算方法是比较粗略的，但可以指导用户选取发电量能满足需要的风力发电机。

通过以上的介绍，可以看出，不可简单地用风力发电机上“铭牌”标定的额定功率值与用电设备标定的额定功率值直接作为选配两者的发电量与耗电量的匹配来作为选择风力发电机的依据，而应以风力发电机在当地风能资源条件下平均日、月、年发电量和用电器平均日、月、年用电量为依据。

二、小型风力发电系统的匹配

什么是小型风力发电系统的匹配呢？它包括风力发电机、蓄电池、控制/逆变器、用电器四大部分，这里所说的匹配，就是指这四大部分的最佳组合。

1.蓄电池与风力发电机的匹配

具体到某一地区，由于当地年平均风速和风速分布状况的不同、用户的用电需求不同，对于同一型号的风力发电机来说，蓄电池容量的匹配也就有所不同，这需要根据具体情况来确定。这一点正是广大使用者所关心的问题。大家知道，蓄电池的售价是比较高的。从风力发电机组的使用寿命期来讲，蓄电池在此期间至少需要更换2~3 次。就是说，蓄电池的总投资费用将超过风力发电机的购置和维护费用。因此，配置合理容量的蓄电池，延长蓄电池的使用寿命，对用户的用电和节省经费开支都有重要的现实意义。

常用的计算匹配蓄电池容量的方法有两种。

（1）能量平衡计算法：从全年使用上讲，用电器的耗电量应略小于风力发电机的发电量，从静风期间使用上讲，用电器的耗电量可能大于风力发电机的发电量，而蓄电池的容量应能保证用电器的用电量。就是说，匹配的蓄电池的容量应该等于用电器的用电量和风力发电机发电量之间的差值，三者之间应保持平衡。这就是能量平衡计算法，用公式来表示为： [attachment=1831]

因此，选配的蓄电池的容量应等于或略大于这个差值C，其单位为瓦时。

以上是从充分利用风力发电机发出的电能来考虑匹配蓄电池的。但是，在实际使用中还可能会遇到另外两种情况：一是所计算的用电量远远大于风力发电机的发电量，二是所计算的用电量远远小于风力发电机的发电量。

第一种情况说明，选用的风力发电机的发电量达不到需求。其原因，一是当地风能资源不能使风力发电机输出较理想的电能；二是选取的风力发电机额定功率本来就小。反之，说明你的用电量过大。这时应该想办法节省用电。

第二种情况说明，或者是用电水平较低，还大有增加用电量（ 或增加用电器）的余地；或者是选取的风力发电机额定功率较大，发电量得不到充分利用。 2. 用电器与风力发电机的匹配

如果已经确定了风力发电机，如何匹配家用电器设备呢？简单地说，从电能量的供需平衡上讲，用电器的平均日、月、年的耗电量应略小于风力发电机的平均日、月、年的发电量。这样讲是不是不需要蓄电池了呢？不是的，蓄电池还有稳压作用，它可以把“ 品质”较差的电能变为电压稳定的电能供给用电器使用。

根据前面介绍的“能量平衡计算法”的原理，用户在实际应用时，可根据当地某一风速时风力发电机的输出功率值乘以该风速平均吹刮时间，即可大致估算出其发电量。某一风速时风力发电机的输出功率可由生产厂提供的说明书中查到。

例如，一台设计风速6米/秒的100瓦风力发电机，在5米/秒风速运转10 小时；在大于6米/秒风速下运转5 小时。我们可以从说明书中查到在5 米/秒风速时，其输出功率为60瓦，6米/秒风速下，其输出功率为100瓦，则该风力发电机平均日发电量为：

60×10+100×5=1 100（瓦时）

假如，在4米/ 秒风速下运转5小时，在5 米/秒风速下运转8小时，则该风力发电机日平均发电量为：

25×5+60×8=605（瓦时）

从以上例子可以看出，由于风速不同，风力发电机的日平均发电量波动很大。所以，选配的家用电器在使用时，应根据风况灵活掌握用电量的大小。这样，可以避免蓄电池过量放电，延长蓄电池的使用寿命。

选配用电器时，除了考虑上述所讲的能量供需平衡外，还要考虑所配用的电器设备的标称电压应与风力发电系统控制器（配电盒）上的插座所标示的电压相一致。

市场上销售的电器设备所需电源有两种：一种为直流电源。这种电器设备只要标称电压与风力发电系统控制器（配电盒）上的插座标示电压值一致，就可直接使用风力发电系统控制器（配电盒）上的输出电源；另一种为交流电源，对于交流用电器应配置相应的逆变器才能使用。

3.控制器与风力发电机的匹配

现在，很多风力发电机将整流设备设置在控制器中，同时控制器具有防止风力发电机向蓄电池过充电和防止蓄电池向用电器过放电等控制功能。为了保证控制器的运行安全，控制器的相关部分的最大工作功率必须比风力发电机发出的最大功率大20%。

4.逆变器与发电系统的匹配

（1）逆变器与发电系统的匹配要求。

①逆变器的功率大小应能满足用电器的要求。逆变器的功率是按其最大持续容量标定的。逆变器一般都具有大电流启动功能，允许其功率在短时间内向上有一定的波动，即存一个峰值功率。因此，选择逆变器时不仅要看标称功率值，还要看它的峰值功率值，因为很多装有电动机的家用电器的启动功率大大高于它的额定功率。若配用的逆变器的峰值功率不够，这些电器将无法启动。

②充分发挥逆变器的效率。根据逆变器的效率曲线，逆变器在越接近最大额定功率处工作，其效率越高，一般可达80%。因此，所选择的逆变器最好在接近其最大额定功率处工作。

③注意选择逆变器的输出波形。最好选用输出为正弦波的逆变器。

（2）逆变器使用时注意事项。

①直流输入电源的正、负极性不能接反，若将极性接反，这时逆变器“防接反保护”起作用，逆变器不工作。

②在正常工作的前提下，逆变器的输出电压应与负载所需额定电压相符。

③逆变电源直流供电系统的电压应稳定在一定范围内，若直流电压过低，逆变器保护功能启动，将使逆变器停止工作；直流电压过高，经逆变器逆变后输出的交流电压将增高，有可能将用电设备损坏，此时逆变器保护功能启动，停止工作。

④使用负载的功率应小于逆变器的功率，这样可保证逆变器工作安全，当负载的功率超过一定值时，逆变器保护功能启动，逆变器停止工作。

⑤逆变器应放置在通风干燥处，应与蓄电池隔离放置，以免逆变器的元器件被腐蚀。

5. 泄荷器与风力发电机的匹配

当蓄电池充满后，为防止蓄电池过充电和保护发电系统其他设备的安全，这时风力发电机通过控制器停止向蓄电池充电。为了保护风力发电机平稳运行，控制器自动将风力发电机的输出切换到泄荷器上，因此，为了保证泄荷器的可靠运行，我们配置泄荷器时，其功率要大于风力发电机最大功率的20%。

小型风力发电机安装场址选择技术要求

风力发电机在安装时应首先选择风能较好的位置，这样才能保证风力发电机输出理想的电能。选址是一个非常复杂的问题，它包括很多因素，比如：当地有效风吹刮情况、年平均风速、连续无有效风速时数、风的能量密度、强风和紊流出现的次数、雷电冰雹出现的情况、风力发电机与用户的距离（ 输电线路的远近）、安装维护的方便性、地形地貌等。

一般地说，选址应考虑的主要因素就是对重要的风特性的利用。在实际工作中，可分两步进行：第一步，根据风能资源区划和技术标准粗略地选址；第二步，分析当地的地形特点，充分利用有利地形，确定安装地点。

一、选址的基本技术要求

1.选择年平均风速较大的地区

尽量将小型风力发电机安装在年平均风速大于或等于3.5米/秒的地区。

2.有较稳定的盛行风向

盛行风向是指年吹刮时间最长的风向。选址时希望盛行风向较稳定。

3. 风速的日变化、季变化要小

风速日变化、季变化小的地区，风速持续时间长，连续无有效风时间短，这样可减小蓄电池的容量，获得比较经济的能源。

4. 风力发电机高度范围内垂直切变要小

风切变是指在垂直风向的平面内的风速随空间位置（主要是高度）的变化。强切变出现的位置若小于或等于风轮直径，则叶片将受到分布不均匀的力的作用，容易造成风轮损坏。

5. 湍流强度要小

湍流是风速、风向的急剧变化造成的。对风力发电机危害最大的湍流是风通过粗糙地表或障碍物时常产生的小范围急剧脉动，即平常所说的一股一股刮的风，这种脉动的湍流使风力发电机振动，缩短使用寿命。

6. 尽可能少的自然灾害

强风、冰雪、雷雨、极端气温、盐雾、沙尘等，会对风力发电机造成损坏，影响正常使用和维护保养。选址时要尽量减小这方面的影响。

二、分析地形特点，利用有利地形

地形的不同，可能使风加速，也可能使风减速。所以，在根据上述6条要求粗略选址后，还应该分析当地具体地形特点，充分利用有利地形，最后确定风力发电机的安装场址。

根据地形特点进行选址的一般程序如图7-1 所示。

1.平坦地形的选址

在场地周围1.5千米的范围内没有大山丘、山脉或悬崖之类的地形，就可以认为是平坦地形。平坦地形选址比较简单，只考虑地表粗糙度和上游障碍物两个问题。

（1）均匀粗糙度。在这种地形上，如果没有障碍物（建筑物、树木或山丘等），那么在同一高度的风速几乎一样。这种地形的风能资源情况可直接采用气象部门的资料。具有均匀粗糙度的平坦地形，提高风力发电机功率输出的唯一办法是增加风轮离地面的高度。

（2）变化粗糙度。在平坦地形安装风力发电机，有时比较靠近两种类型地貌的边界层，比如：从平滑地表变为粗糙地表，或者从图7-1选址的一般程序粗糙地表变为平滑地表。当风吹过一段地表后，风速对应于新地表在某一高度产生一层很薄的“转换区”，这时会产生风速的急剧变化。如果风轮刚好处于“转换区”，叶片转动时将会受到周边风力的作用，不但影响风力发电机的功率输出，而且使风力发电机产生振动，影响使用寿命，所以应设法避开这种“转换区”。

（3）平坦地形的障碍物。平坦地形的障碍物一般是指建筑物、树林等。当风遇到障碍物时，不但风速会受到影响，而且会产生湍流。所以，风力发电机在安装时，风轮应避开下述区域。

对建筑物：在盛行风向上游大于2倍建筑物高度的距离，以及下游大于20倍建筑物高度的距离内，同时高度为建筑物高度的2 倍的区域，为风的强扰动区，属于风轮应避开的区域。

对树林：在迎风面5 倍树林高度的距离，背风面10~15倍树林高度的距离，为风的强扰动区，风轮应避开这个区域。

2.复杂地形的选址

复杂地形分为两类：一为隆升地形，如：山丘、山脊和山崖等；一为低凹地形，如：山谷、盆地、隘口和河谷等。

（1）隆升地形。在隆升地区的顶部有一风的加速区，但背风坡可能产生强湍流区。这种地形选址时，可选顶部并尽量靠近迎风坡前部或与盛行风相切的两侧。最后选择时要考虑障碍物和地表粗糙度变化的影响。

（2）低凹地形。首要的是考虑盛行风的情况，另外还要考虑当地“小气候”形成对风的影响，比如：海风、山谷风等。

在山谷和峡谷选址的一般原则是：选择与盛行风向平行的较宽的山谷或是山区向下延伸较长的山谷；选择山谷中出现收缩的部分，这种地段风速可能被增强；选择靠近山谷嘴的部分，这里可出现山谷风；风力发电机与塔架要足够高，使风轮靠近强风的高度。

在山隘和鞍形山选址时，由于这种地形可使风加速，所以应选择在山隘中心附近和鞍形山脊的位置。

对于盆地来说，由于周围均为较高地形，所以处于低凹处的盆地，风力发电机的使用受到一定。

小型风力发电机的安装技术规程

购买了小型风力发电机之后，千万不要急匆匆地把它装起来，而是要按照步骤逐步进行，常言道：“欲速则不达”。

一、安装前的准备

（1）按照小型风力发电机装箱清单，对风力发电机逐一进行清点验收。

（2）仔细阅读小型风力发电机使用说明书，熟悉图纸、零部件，掌握有关安装尺寸和技术要求。

（3）千瓦级以上风力发电机的安装应聘请生产厂的技术人员或有关技术人员予以指导。

（4）准备好安装用的器材和必要的物资，如水泥、杉木、牵引绳等。

（5）严格按照使用说明书的要求和程序进行。

二、安装工作技术规程

1.百瓦级小型风力发电机的安装

百瓦级风力发电机的安装一般包括：立柱拉索式支架的安装、回转体的安装、尾翼和刹车的安装、机头的安装、竖立风力发电机、用电器连接等。因其结构小，重量轻，一般3~5人便能进行安装。

（1）立柱拉索式支架的安装。

第一步：立柱的安装。考虑到便于运输，立柱制造时一般都设置为三节。其连接方法一种是45度角插接，另一种是法兰盘对接。安装时，如果是45 度角的插接杆，将插头处涂上防腐油，逐个插好；如果是法兰盘对接杆，将每组法兰盘对准上好螺栓，放好弹簧垫，拧紧即可。

第二步：选择风力发电机安装的中心位置。100瓦和200瓦风力发电机应将其底座放在中心位置上，并用两个铁钎将底座钉牢。300瓦、500瓦和750瓦风力发电机底座的安装必须挖地基并浇灌混凝土。基础坑尺寸为0.4 米0.4 米×X0.5米；混凝土比例为水泥：砂子：石子=1：2：3。底座螺栓应高于底座上平面30~50毫米，螺扣要予以保护。灌注后凝固24小时方可进行安装。

第三步：确定拉索方位。100瓦和200瓦风力发电机拉索为4根，300 瓦、500瓦和750 瓦为3根。4根拉索的方位确定方法是通过底座中心用米尺打好十字交叉标线，并以底座中心为起点，每条线量出4米的距离，做好标记，图 8-1所示即是四根拉索地锚的打人位置。

三根拉索的方位确定是通过底座中心划出一条基准线，找出互成120度角的另外两条线，每条线从中心量出4米的距离，即是三根拉索地锚的打人位置。然后将安装好的立柱下部顺着底座的方向放人底座的两个连接耳内，并用销轴将立柱与底座连接好。销轴两端安装好开口销，再将三根拉索的地锚钉牢。然后，再将三根拉索分别与立柱和地锚连接好，其中顺着立柱的拉索只与立柱连接好，待立机时作牵引绳用。注意，将每根拉索的螺旋扣均放在中间位置，便于立机后进行调整。然后将立柱用木桩支起，支起高度大约1.5米为宜，为安装机头作准备，如图8-2所示。

第四步：安装手刹车部件。对有手刹车的风力发电机型，此时应将手刹车部件（如绞轮、钢丝绳等）安装好，钢丝绳由中立柱长孔处穿入立柱中心，从上立柱顶端穿出固定好。

（2）回转体的安装。

①带有外滑环和手刹车机型回转体的安装。

第一步：将立柱上端的光轴位置涂上黄油脂，并将压力轴承放在顶端轴承座内涂好油。

第二步：将外滑环套接在回转体长套的下端止口处，并用螺钉固定好，然后将安装好外滑环的回转体的长套从下口套人上立柱的光轴上。套接时，对于设置有手刹车的风力发电机，同时将刹车钢丝绳穿入回转体长套里，并从上端中心孔取出固定好。此时要注意压力轴承的位置，应使压力轴承压接在两轴承座中间，即保证使立柱的上端轴承座与回转体上端轴承盖上的轴承座相吻合，并运转自如，如图8-3 所示。

②不带外滑环和手刹车机型回转体的安装。

第一步：同上。

第二步：将输电线（防水胶线）穿入回转体中心孔（导线穿孔），然后把回转体套在立柱的光轴上。根据机型不同，有的回转体上装有限位螺钉或限位弯板，其作用是防止回转体在立柱上窜动。安装时注意防止限位螺丝钉被拧紧，应保证限位的同时，能够在立柱光轴上灵活转动。

（3）尾翼和手刹车的安装。

①尾翼：尾翼板和尾翼杆出厂时已经作为一个整体连接在一起，安装时应检查一下其连接部位的螺丝钉是否紧固。检查后，将尾翼杆前端长轴套放人回转体尾翼连接耳内，对准销孔并插入尾翼销轴，销轴下部穿好开口销，使其转动灵活，如图8-4 所示。

②手刹车的安装：对于设置有手刹车的风力发电机，在立柱拉索式支架安装的第四步已经完成了手刹车下部绞轮的安装，此时主要是上部的安装，即将刹车绳从回转体上端引出。一种机型（如FD2—100 型）在回转体上平面用压夹固定一个较& 的弯形弹簧运动轨道，弹簧轨道固定好后，再将手刹车钢丝绳从弹簧里穿过去与尾翼杆上的连接螺丝钉相连接，如图8-4a所示；另一种机型（如FD2.1-0.2/8 型），在回转体出口处和上平面右边角处安装二组瓷套作为钢丝绳的运动轨道，然后再将手刹车钢丝绳从瓷套里穿过去与尾翼杆上的连接螺钉相连接，如图8-4d 所示。另外，小型风力发电机刹车机构还有一种为抱闸摩擦式刹车（如FD1.5-100 型），安装时主要是保证刹车带与刹车毂的间隙，并在竖机后检查并保证刹车动作灵活。

（4）机头的安装。

机头的安装包括发电机的安装和风轮的安装。

①发电机的安装：发电机在出厂时已经是装配好的整体，安装时只需把发电机放在回转体上平面上对准四个螺栓孔，上好螺栓加弹簧垫圈拧紧，并把发电机引出线插头与外滑环引出线插座对接牢固，外滑环引出线与输电线（防水胶线）插接好。如没有外滑环的机型须将发电机的引出线与输电线（防水胶线）连接好即可。

②风轮的安装：小型风力发电机的风轮一般分为定桨距风轮或变桨距风轮。

定桨距风轮的安装：如果风轮为两片分开的叶片，安装时只需把两叶片桨杆轴部插入轮毂上的安装孔中，对准键槽孔，放好弹簧垫，拧紧螺母即可（如FD1.5-100 型）。但要注意两片分开的叶片出厂时都是选配好的，安装时不可与其他风力发电机的叶片混淆，以防破坏风

轮的平衡。

如果两个叶片为整体式或安装好的总成件，安装时只需把风轮轴孔套在发电机轴上，然后放好弹簧垫，拧紧螺母即可。一般电机轴都带有1：10的锥度，所以不会装错，如FD2-100 型风力发电机为整体叶片。

如果是三叶片风轮，风轮出厂时，叶片和前后火片均为散件包装，三个叶片都是选配好的，每个叶片根部（柄部）有三个螺栓孔，安装时只需与前后夹板相应的三个孔对准用螺栓并放好弹簧垫拧紧。风轮夹板（轮毂）没有1：10 的锥套，套在发电机轴上，放好弹簧垫，用螺母拧紧即可。

变桨距风轮的安装：目前使用的变桨距风轮，出厂时均为装配好的整体。在安装时不要拆卸，只需把风轮的锥形轴套套在发电机轴上，上好弹簧垫，拧紧螺母即可。注意变桨距风轮在安装时应检查叶片是否有卡滞现象，方法是分别扭动两只叶片，如果叶片活动平稳即符合要求。

（5）竖立风力发电机。

全部安装完毕后，应做一次认真的检查，看固定部位是否拧紧，转动部位是否灵活，各连接部位是否可靠，输电线是否接好。有些制造厂将输电线接头采用插接的方式连接，只要插进去即可。以上全部无误后，即可将风力发电机竖立，立机的方法和步骤如下：

①100 瓦、200瓦机型立机：只要两人拉牵引绳（四根拉索中的1根），另外两个人，一人在下扛机身，另一个人用双手举机身，这样四人共同协作，便能很顺利地将风机立起，如图8-5所示。

②300 瓦/500瓦/750 瓦机型立机：三根拉索上部与风机上立柱连接好，下边先将两根拉索与地锚连接固定，另根作牵引绳，牵引时可用人拉（4~5），也可用小型拖拉机拉，然后再用4~5人支撑机身。边牵引边扶立，直至立起为止，或可用绞链竖立。风机立起后，调整拉索紧线器，使风力发电机立柱保持垂直位置，并使每根拉索均处于拉紧状态。

（6）电器的连接。

①发电机输电线连接：输电线用压夹固定在立柱上，固定好之后，从立柱底部将输电线架起并引进用户家中。

②输电线与配电箱（或控制器）连接：配电箱一般都设有发电机输电线插座，连接时，将输电线与配电盘（或控制器）上的发电机输电线插座连接即可。

③蓄电池的连接：蓄电池的连接应严格与发电机的电压制式一致。小型风力发电机有的设计为12 伏或24伏，有的设计为36伏或48伏，每台风机有两块蓄电池为一组，也有三块或四块以上为一组。连接时应按使用说明书的要求进行。蓄电池一般为串联连接。

④用电器的连接：一般风力发电机配电箱（或控制器）上都设有直流12 伏、24伏输出插座，带有逆变器的系统有交流220 伏电压输出插座。在使用电器时应严格按照所要求的电压制式选用相应插座，不能插错。

2.千瓦级风力发电机的安装

千瓦级风力发电机的安装需要由持证上岗的专业人员进行。其安装内容与步骤，特别是立柱式风力发电机，大体与百瓦级风机的安装内容与步骤相同。所不同的是，千瓦级风力发电机比百瓦级风力发电机结构重量大，具体安装方法与百瓦级风机有所不同。在这里重点介绍桁架式风力发电机的安装内容与步骤。

（1）安装要求。

①安装塔架所使用的杉木，质地要结实。绳索的强度要符合要求，安全系数一定要大，其长度要有适当的余量。起吊操作时要规定信号，做到统一指挥。

②在安装风力发电机主要零部件时（如起吊零部件等），操作人员不准站在塔身下或正在举升的零部件下面，以防意外。

③在上塔架顶部安装时，操作人员必须系好安全带或加装其他保护装置。另外，不允许随身携带工具或零部件，以免不慎落下打伤他人或造成损坏，塔架上部操作人员所使用的工具和零部件，应统一用绳索吊上。

④安装风力发电机的工作，只能在风速不超过4米/秒（3 级风）的情况下进行，以保证操作安全。

⑤用绞盘起吊时，应一圈挨一圈地均匀地盘绕，否则外圈绳索容易从内圈滑下，致使零部件突然下落。起重绳绕在绞盘上时，也不要使绳做纵向扭曲，因为绳子扭曲后，一是通过滑轮时不容易通过，二是会降低其抗拉强度。

⑥安装风轮时，必须事先用绳索将风轮叶片牢固地绑在塔身上，以免风轮被风吹动旋转而碰伤安装人员。

⑦风力发电机安装好并检查无误后，可进行试运转。试运转前，塔架上的人员必须下来并离开塔架，以免风向变化时，风轮旋转发生意外事故。

（2）安装步骤。

①桁架式塔架的安装（以m5.6—2000 型风力发电机塔架为例）：

第一步：桁架式塔架本身的安装。一般桁架式塔架都是散件包装，安装时按使用说明书将主梁、横梁、斜梁按塔架图进行组装，如图8-6所示。

第三步：竖立塔架。将组装好的塔架的3根地脚对准相应的基础坑，在塔架的顶部绑一根细绳（直径为2.5~3厘米）或钢丝绳。

图8-7 塔架基地坑尺寸作牵引绳，再绑两根（直径2 厘米）控制方向的绳子，然后选择好纱盘的安装位置并安装好绞盘，再竖立一根3米长的杉杆，并在上面将上滑轮固定好，把牵引绳（粗绳或钢丝绳）从上滑轮穿过，通过下滑轮绕在绞盘的滚筒上。竖立塔架的准备工作就绪后，便可开始竖立。两个人缓缓用力推动绞盘，同时几个人将塔架头部抬起，并用杉杆搭成剪子梁架住，用两根控制方向的绳子控制好方向，这样塔架以坑底为支点便缓缓地竖立起来了，如图8-8所示，直到竖直，地脚在坑内全部到位为止。之后认真检查调整塔架中心线是否与水平面保持垂直。检查方法可用垂直法或水平法。垂直法是在塔架顶部平面中心处固定一根悬挂重物的细绳，检查细绳与塔架3 根主梁的距离是否相等。水平法是用水平尺检查塔架顶部的塔帽是否水平，检查合格后，用水泥、砂子、碎石子按1：3：6的混凝土灌注地基坑（水泥用400号以上的）。地基坑灌注后，须等混凝土完全凝固后方可进行下一步的安装工作。

②安装吊装架。吊装架是DF6.5-2000型风机配备的安装和拆卸机头部件专用吊装工具，使用时安装在塔架顶部。具体安装方法是，塔架安装好后用钢丝绳或尼龙绳将吊装架吊上，并将吊装架竖起，用8号铁丝并绕绑在塔架最上边的横梁和主梁上，然后将两个滑轮中的一个绑在吊装架上端，为上滑轮，另一个绑在塔架下边的主梁上，为下滑轮。最后安装绞盘并将牵引绳（钢丝绳）穿过吊装架上滑轮和塔架下端的下滑轮并与绞盘连接。

③安装机头部件。吊装回转体，尾翼，发电机，变速箱和风轮组件，如图8-9所示，具体步骤如下：

第一步：吊装回转体和尾座，按图8-9的方法将回转体和尾座吊上，用M16×100的螺栓将回转体与塔帽固定好，注意，安装每个螺栓时均应放好弹簧垫圈，以防螺栓松动。将尾座与回转体连接固定。

第二步：吊装尾翼部分，按上述方法将尾翼组件吊上，将尾翼梁根部回转套与回转体的尾座连接耳用销轴插接好，下部穿好开口销，以防窜位。

第三步：吊装发电机和变速箱。发电机和变速箱吊亡后，安装时应使发电机上的定位销对准回转体斜垫铁上的定位孔，并用螺栓将发电机底座与回转体连接固定。

第四步：吊装风轮组件。风轮在吊装前应将3个叶片安装在轮毂的3个法兰盘上。叶片安装时应与法兰盘对号。注意，叶片号在叶片根部连接圆盘的外圆上。然后每片叶片用6个M12×70的螺栓与法兰盘连接固定。

④安装手刹车机构。手刹车绞轮安装在主梁下部，便于使用人员操作的位置，刹车钢丝绳—亡端首先通过回转体滑道孔，再与尾翼梁连接螺丝固定，下端经塔架主梁引下与绞轮转盘固定。整机安装完后，将发电机输电线引下，将吊装架、牵引绳等取下，最后在齿轮箱内加注齿轮油。

（3）输电线架设与室内灯具安装。

①电线的选配与架设。小型风力发电机输电线一般采用两头双绝缘防水胶线，线径按风力发电机额定功率输出电流值匹配选取。为了减少线路的电压损耗，输电线长度最长不要超过25米。架设时用杉杆架起，距地面3米左右，并从用户屋檐下引入室内，连接到配电箱（或控制/ 逆变器）的专用插座上：减少线损的有效方法是将导线线径增大或使导线尽量短一些。

②室内灯具的安装。包括白炽灯、挂线盒和电灯开关等，注意电灯开关要接到火线上（即正极进开关），不要把地线（负极）接进开关，以免造成短路等事故。 小型风力发电系统的维护与保养技术

一、小型风力发电机的维护与保养

小型风力发电机组的正确维护与保养，是保证机组正常运转、延长使用寿命的重要工作。维护保养包括日常维护保养和定期维护保养。

1.小型风力发电机组的日常维护保养

所谓日常维护保养，就是平时要经常检查风力发电机的各部件，通过看、听、查，发现问题，

及时排除。

小型风力发电机组需日常维护保养内容按表9-1进行。

2.小型风力发电机组的定期维护保养

小型风力发电机组运转一年后，应进行一次全面检修，对各回转部件进行润滑保养。定期维护保养要依下述项目逐一认真进行：

（1）对各紧固部位、连接部位进行一次全面检修。

紧固部位主要是指风轮与发电机轴的联接，叶柄与叶片的联接，叶片与轮毂的联接，尾翼板、尾翼杆及机座回转体的联接，发电机与机座回转体的联接等部位。如有松动应及时紧固；如有损坏要及时更换；各紧固部位为减缓其锈蚀可涂以少许润滑油再紧固。

联接部位主要是指支架部件中，立杆与底座的销轴联接，地锚、铁钉、钢丝绳夹、立杆分段部位，风轮侧偏调速式风力发电机的尾翼销轴，风铲一刹车式调速机构中的动作部位等。如发现立杆不稳固而又必须立在这一位置时，可加辅助立柱把立杆固定住。立杆一般分为两段或三段，为了不使联接部位锈死，在保养时，把分段部位拔开，涂上润滑油再安装好。钢丝绳夹上的螺纹如果发现橹扣要立即更换。

（2）发电机润滑保养。

①放倒风力发电机，卸下风轮，拔开后端盖上的输出插头，拧下端盖固定螺栓。

②轻轻撬开前、后端盖。

③擦干净前、后轴承上的油垢，如果油垢难以擦净，可用干净的布蘸上汽油进行擦洗。

④重新涂上干净的润滑油，此时要注意不要沾上泥沙等杂物。

⑤上述工作结束后，按拆卸的反顺序重新装配好。

（3）机座回转体的润滑保养。

①拆卸下限位螺销或限位卡片。

②对于设置手动刹车的风力发电机，拧下刹车线上端与刹车连杆之间的固定螺栓。

③把机座回转体（连同机头）轻轻拔出。

④擦干净机座回转体内和立杆上端的油垢，涂上干净的润滑油。

⑤按拆卸的反程序重新配好。

二、蓄电池的维护与保养

1.要注意蓄电池不可过放电

目前，风力发电机组在使用中的主要问题是蓄电池过放电造成蓄电池效率降低，容量减少，寿命缩短。主要原因是，用电设备耗电经常大于风力发电机的发电量。由于风的不稳定性、间歇性，所以，用户在用电时不能像使用常规网电那样，恒定地用电，而应根据风况掌握用电，即风况好时可适当多用电，风况差时要节省用电，连续无风时要尽量少用电或暂停用电，此时要特别注意蓄电池不要过放电。

小型风力发电机发电系统中，使用最多的是铅蓄电池。现在与小型风力发电机配套的蓄电池，均为闭式贮能型电池，生产厂家保修三年，安装后即可投入使用。

2.蓄电池亏电状态的判断

正常使用中的蓄电池，由于各种原因经常会出现亏电现象。若蓄电池长期在亏电状态下工作，会因极板硫化而降低容量并损坏。蓄电池是否亏电，可用下法进行判断：

（1）控制器在蓄电池过充或过放电时发出异常蜂鸣声，提醒用户注意。

（2）控制器的指示灯红灯亮时，表示过充或过放；绿灯表示正常。

（3）电压表的指示数据异常，可以立即判断蓄电池是过充或过放。

当发现蓄电池处于亏电状态时，应立即进行补充充电。

3. 蓄电池发生亏电，进行补充充电的方法

（1）使用风力发电机进行补充充电的方法：在风况较好的情况下，关闭所有用电设备，用风力发电机对蓄电池进行充电。蓄电池充满电的标志是控制器异常声响消失，绿色指示灯亮，电池电压恢复正常。

（2）若有“风一光互补”系统，则应在无风少风时，用“光伏发电”向蓄电池充电，此时应立即关闭所有的用电设备。

对有控制器的小型风力发电系统，只要出厂时将蓄电池防过充、过放控制电压调整好，蓄电池的亏电状况是不容易出现的。

4.铅蓄电池日常使用维护

（1）经常检查导线与接线柱之间的接合处是否松动或腐蚀。若有松动的地方应重新紧固，腐蚀严重的接头要重新更换。为了防止接头处腐蚀，紧固好的极柱和夹头表面应涂一层薄凡士林油膜。

（2）蓄电池表面要经常保持清洁干燥。常用抹布擦净蓄电池外表及盖上的灰尘，以防因表面不清洁而漏电。

（3）蓄电池顶部不允许放置金属导电物，以防发生短路事故。

（4）经常注意观察控制器上电压表的指示值，以了解蓄电池的充放电情况。若控制器上的电压表不灵，无法判断蓄电池是否正常时，可用万用电表的电压档来测量蓄电池的电压；也可找一只同蓄电池电压一致的灯泡，将其接在电池上，通过观察灯泡的明暗程度来判断蓄电池是否正常。

（5）对没有配置控制器的发电系统，正常使用中的蓄电池，每使用1~2个月进行一次“保护充电”。具体方法是停止使用一切用电设备，用风力发电机对蓄电池进行充电。待蓄电池电压正常后，再启用用电设备。

（6）蓄电池充电会释放出氢气和氧气，当其浓度达一定值时若遇明火极易爆炸。所以，蓄电池应安放在远离高温和明火的地方，并要保持室内通风良好。

（7）已使用的蓄电池，若在无风期停用或远距离搬迁时，应提前7~10天停止使用所有用电设备，用风力发电机进行补充充电，待蓄电池电压和电解液均恢复正常后再封存或搬迁。搬动时，不允许将蓄电池倾斜，以免电解液洒出。

（8）蓄电池若需较长时间存放，应将蓄电池充足电，然后存放在阴凉通风的室内，室温以5~30℃为宜。长期不用的蓄电池，会因自放电而损耗电能，若不及时补充就会使极板硫化。为了减小自放电的速度，需长期存放的蓄电池一定要将注液孔的胶盖拧紧，再用碱水或开水将蓄电池表面清洗干净，晾干后在极板柱和连接条的表面涂上凡士林或润滑脂。每隔一月进

行一次补充充电，并且最好每半个月检查一次蓄电池电压和电解液比重，若出现异常要及时处理。

（9）对于需要配制电解液的蓄电池，一定要选用合格的硫酸和纯水，具体方法应按生产厂家提供的说明书进行操作。 典型小型风力发电机组应用

一、FD2.5-300型风力发电机

1. 性能特点

FD2.5-300 型风力发电机是低速型风机。该机具有发电效率高，结构简单，维护方便，可靠性高等特点，是大电网以外而风力，资源丰富的农牧区、海岛、边防哨所及气象台站等较理想的小功率风力发电设备，也是迄今我国销售量最多的小型风力发电机。它可为用户的照明，卫视地面接收设备、彩色电视机、音响设备、洗衣图10-1 FD2.5-300风力发电机机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。参见图10-1和图10-2。

2.主要技术指标

叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢

风轮直径：2.5米

叶片数：3片

风能利用系数：0.42

额定风速：8米/ 秒

额定转速：400份

额定功率：300瓦

最大发电量：500瓦

调速方式：偏侧并尾

工作风速范围：3~25米/ 秒

发电机型式：三相交流永磁式发电机

直流额定电压：24 伏、36伏、48伏

控制, 逆变交流电压：AC220 伏（±10%方波或正弦波）；频率：50赫兹±1%

储能方式：120安·时，蓄电池2只或3、4 只串联

塔架型式：立柱拉索式塔架

风机高度：5米

整机重量：175千克

3.结构特点

（1）风轮：采用3 叶片、层流翼型，升阻比高，性能优良。叶片选用木质芯外粘环氧玻璃纤维。木质叶片内阻尼大，动态特性好，韧性也好，使用可靠、不变形。一般用白松、红松、樟松、椴木、杉木等制作。

（2）发电机和回转体：采用机电一体化设计，将发电机壳体和回转体铸成一个整体，结构上互相依托连接，增加了强度，并大大减少了材料及机头重量。发电机壳侧边有一个长套，里边装有压力轴承，加黄油润滑，安装时将长套套进上立柱的光轴上。在压力轴承的作用下，保证电机回转体随风向灵活转动，在尾翼的作用下，使风轮回转对风。

（3）尾翼：由尾翼梁、尾翼板和限位块等组成，尾翼梁是通过销轴与电机回转体绞接。尾翼调向、调速型式采用斜绞并尾侧偏调速，这种尾翼结构使其调向、调速比较可靠。

（4）控制/逆变器：将发电机发出的交流电输入控制/逆变器经整流后，给贮能蓄电池充电，然后再将蓄电池的电通过控制/逆变器分配给直流和交流两个供电系统。控制/逆变控制器内设保护电路，具有防止蓄电池过充电、过放电，用电器短路，过载，以及泄荷和自动恢复的保护功能。

（5）泄荷器：为保护控制/逆变器，该机设置了泄荷器。当蓄电池充满时，控制器切断蓄电池充电回路，这时泄荷电路启动，使风力发电机仍在最佳负载下运行，风力发电机过速运行时，泄荷器将对控制/逆变器进行保护。

二、FD7-5000/9 型风力发电机

1.性能特点

FD7-5000/9 型风力发电机组属水平轴、上风式、变桨距调节的风力发电设备，适用的自然条件为全天候。配用不同的增速箱和发电机可以形成2.5千瓦、5千瓦、10千瓦三种功率档次、8种不同用途的变型产品。机组发出的三相交流电可用来给蓄电池充电贮能、给电阻器加热、驱动异步电动机或输入电网。参见图10-3和图10-4。

2.主要技术指标

叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢结构

叶片数：2片

风轮直径：7 米

风轮标定转速（额定转速）：195/ 分 风轮最高允许转速：250/53

启动风速：4米/ 秒

额定风速：9米/ 秒

最高安全运行风速：60 米/秒

发电机型式：电容励磁异步

额定功率：5000瓦

额定电压：交流380伏

机头重量（塔架以上部分）：560千克

利用方式：BAT（充电储能式）；CHA（电阻加热式）；MOT（驱动电动机式）；RES（并网式）

蓄电池容量：350安·时

塔架高：12 米

整机重量：2500千克

3.结构特点

（1）风轮：由叶片、叶根、轮毂、变桨距系统、导风罩等组成，安装在回转体前端的风轮轴法兰上。叶片用胶合木材制造，全长由) 个截面圆滑过渡而成，外面涂有环氧树脂防护层，前缘粘有不干胶尼龙防护带。叶根由球墨铸铁制造，用轴承安装在灰铸铁轮毂两侧，同时与变桨距调节系统相连，通过调速杆在旋转离心力与调速弹簧预紧力之差的作用下，达到改变叶片桨距角的目的，从而使风轮转速在高于额定风速的工况下基本保持稳定，进而实现输出功率及频率的基本稳定。导风罩则将叶根轴承、变桨距调节系统及轮毂完全罩住，以防风沙、雨水的污染和侵蚀。

（2）齿轮增速箱：安置于风轮轴及发电机之间，柔性地支撑在回转体上，用以满足发电机必需的高转速。增速箱输出轴与发电机轴之间用弹性联轴器联接，联轴器的法兰盘上装有刹车制动盘，它与安装在回转体上面的制动器共同实现风轮的人工刹车功能。

（3）发电机：安装在回转体上的电机支架上，除MOT机组配用永磁交流同步发电机之外，其余机型均采用静电电容器励磁的三相异步发电机。

（4）尾翼：由尾翼板及尾翼梁组成，用螺栓及法兰盘安装在回转体的后端面上。

（5）回转体：用灰铸铁制成，是机头部分的“脊梁骨”，它把风轮、增速箱、发电机和尾翼联接成一个偏转迎风的整体，上面的防雨罩则将回转体上面的风轮轴、增速箱、发电机、制动器完全盖住，防止风沙和雨水侵蚀。回转体中心的空腔内安有集电滑环用以输出三相交流电，制动操作拉索通过回转体腔盖中心与贯穿塔柱中心的钢丝绳连接。回转体下面通过法兰盘与回转轴承座联接并安装在塔柱顶端的法兰上，用以实现机头的偏转对风。

（6）塔架：配套提供管状塔柱多层拉索式塔架，便于主机的地面安装和维修保养，也可提

供桁架式塔架。管状塔柱多层拉索式塔架，塔柱用直径273毫米的无缝钢管制成，每节长5.7米，除最下面一节外，其余各节系同一构件，可以组成不同高度的塔架，最上节壁厚达1.5 毫米。下塔柱下端焊有一根横向滚动轴，安装时卡在基础连板的叉臂下，以便作为塔架倾倒时的铰链。距地面1米处开有窗口，供安装风力发电机手动制动操纵手柄机构，其外有防护罩，上端为连接法兰盘。中、上塔柱两端焊有联接法兰盘，中间焊有拉索环定位档块。 小型风力发电方式发展前景

一、风—柴—蓄互补的小型风力发电系统

随着风电技术的日趋成熟，其电能的生产成本已经低于柴油发电的成本，如果把风力发电机和柴油发电机组合起来，形成风力发电机—柴油机—蓄电池组一控制逆变器构成的“风-柴-蓄互补（混合）发电系统”，就可以弥补风力发电机或柴油发电机单独发电的不足之处，保证均衡供电、降低发电成本。根据其组合方式，可分为如下三类：串联混合式，开关混合式，并联混合式。

1. 串联混合式发电系统

图11-29为串联混合式发电系统示意图。

在串联混合式发电系统中，风力发电机或柴油发电机给蓄电池组充电，通过逆变器把蓄电池的电能转换成所需的交流电，然后供给负载。虽然串联混合式发电系统的设计原理很简单，但由于系统是串联的，蓄电池的容量必须比最大峰值负载大，所以整个系统的效率不高。

2.开关混合式发电系统

开关混合发电系统如图11-2所示。在白天和晚上的高峰负载期间，柴油发电机满足负载要求。蓄电池利用风力发电机和柴油发电机的过剩功率来充电。在晚上低负载时，通过逆变器将蓄电池的电能提供给负载。

这种系统的主要优点是：夜间运行平静，节省了柴油机的油耗。缺点是柴油发电机不能实现最佳控制。

3.并联混合式发电系统

并联混合式发电系统如图11-3 所示。风力发电机和柴油发电机分别给负载直接供电，柴油发电机和风力发电机/逆变器是并联的。

这种系统具有较好的经济性，同时运行十分可靠，适合具有较好风力资源的边远地区和海岛使用。

二、小型户用风能一太阳能混合发电系统

采用单一的风能或太阳能发电，由于存在夏季半年太阳能资源丰富，风能资源欠缺，而冬季半年风能资源丰富，太阳能资源欠缺问题，往往出现某些月份供电不足。与此同时，由于供电不足，常常造成蓄电池过放电，严重影响蓄电池的使用寿命。

小型户用风能一太阳能混合发电系统的应用，为一些对供电要求较高的电器，如较大功率照明、大屏幕彩电、卫星电视地面接收系统、音响设备、VCD机、家庭炊事用鼓风机、洗衣机、电冰箱、移动通讯、剪毛机和小型水泵等进入牧民家庭创造了条件，是解决牧区、偏远地区的能源问题的一种新型供电模式。

1.风—光互补发电系统的优点

（1）利用太阳能、风能的互补特性，可以获得比较稳定的总输出，提高了系统供电的稳定性和可靠性。

（2）在保证同样供电的情况下，可大大减少贮能蓄电池的容量。

（3）对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风—光互补发电系统供电，不用或很少启用备用电源如柴油发电机等，并可获得较好的社会、经济效益。

2. 风—光互补发电系统结构

（1）最简单的风—光互补发电系统

最简单的风—光互补发电系统如图11-4所示。

由图11-4 可以看出，该系统只是简单地将风力发电机、太阳电池组件、蓄电池联接起来。与单独的风力发电和太阳光伏发电系统相比，该系统单位时间获得的能量有所增加，但随之而来的问题足蓄电池经常会出现过充电情况，铅酸蓄电池的耐过充电、过放电的能力很差。大家知道，过充电和过放电现象都会影响蓄心池的容量和使用寿命。

（2）有控制/逆变器的风-光互补发电系统

图11-5为加入控制/逆变器的风—光互补发电系统。这种型式是目前推广应用最多的。

在风能丰富地区，500瓦风—光互补发电系统每日提供的电能不低于1.36千瓦时，能满足一般家庭主要的生活用电和部分生产用电要求，并能达到四季均衡供电。通过该供电系统的建立，使电网无法达到地区的家庭用电，初步达到城市居民最基本的用电水平。