小型风力发电机性能测试

1.2 小型风力机开发背景

近三十年来随着世界资源的过度消耗，人类可用资源日益减少，石油价格不断上涨，世界各地频发石油短缺信号，并且由于化学能源的应用，人类居住环境日益恶化，人类迫切需要一种清洁的持续能源。由于风能取之不尽，用之不竭，不消耗资源，清洁卫生，分布范围广等特点，风能发电成为世界许多国家可持续发展战略的组成部分，由于在过去十年间，风能发电的年增长率达到28%，全球安装总量达到7，400万KW，意味着每年在该领域的投资额达到180亿欧元。2006年，全球风度资金9%投向了中国，总额打16.2亿欧元（约162.7亿元人民币）[1]，中国有望成为全球最大的风力市场。

我国可开发的风力资源十分丰富，东南沿海及其附属岛屿属于风能资源丰富区，这些地区的年有效风能在200W/㎡以上，并且每年有7000——8000h的风速超过3.5m/s。东北、华北和西北北部，黑龙江、吉林东部，辽宁山东半岛的沿海地区，青藏高原北部，东南沿海20-100KM的内陆地区，海南西部，台湾南北两端及新疆阿拉山等地区风能资源比较丰富，年有效风能在150W/㎡以上，全年有4000h的风速大于3.5m/s。长江、黄河中下游，西北和华北

除上述资源丰富地区以外的地区，这类地区分布较广，属于风能资源可利用区[2][3]。

据统计，截止2005年底全国大概还有300万无电户（约1300万无电人口）模拟社区[4]，其中大部分人口居住在低风区，且居住相对分散，如果采用常规电网来供电，从经济效益上是不可行的，只有采用小型风力发电系统才能解决偏远地区的农、牧、渔民的供电问题。近几年来，各大城市在电力供应紧张时，经常采用拉闸限电的方式来解决电力供应不足的问题，由此给广大居民带来诸多不便，采用小型风力发电机组给居民供电，一方面可用大大缓解供电不足的困难，另一方面，小型风力发电设备属于一次性投资产品，后期维护费用低，可用大大节省家庭用户在电费上的开支。另外，若采用小型风能发电系统给城市路灯供电，给城市供电减少不小负担，由此带来的经济效益十分可观。由此看来小型风力机有着巨大的市场前景。

1.2 风力发电技术介绍

早在几千年前，中国人在明代就开始使用风车带动磨面，灌溉，提盐，直到公元12世纪欧洲才使用风车来磨面和车水[5]。中世纪后荷兰才发明了水平轴风车，并成为著名的风车王国，十九世纪末丹麦人首先研制了世界第一台风力发电机组，建成了世界第一台风力发电

站[6]，但是由于当时设计制造的局限性，风力发电发展缓慢，真正意义上的现代风力发电技术发展始于上世纪70年代。

防紫外线灯风力发电机是将风能转化为电能的装置，按风能轴的安装位置不同可用将其分为两类：能量驱动链（风轮、主轴、增速箱、发电机）呈水平轴方向称之为水平轴风力机，能量驱动链呈垂直方向称之为垂直轴风力发电机[7]。

1.2.1水平轴风力发电机

水平轴风力发电机是目前国内研究最多、最常见、技术最成熟的一种风力机，水平轴风力发电机的叶片数一般为1-4片，水平轴风力机一般在风速较高时有较高的风能利用率（风能利用率表示风力机从自然风中吸取能量的多少），在大容量风力发电行业应用十分广泛。近些年来水平轴风力机的研究趋势主要集中在变浆距调节和变速恒发电机两方面。

按来流风向分，水平轴风力机分为上风向风力机和下风向风力机，上风向风力机需要加装一个调向装置，使风机和风向始终保持一致，下风向风力机能够自动跟随风向，无需安装调向装置，但是风流过塔架后载流向风轮，塔架会对流向风轮的风产生干扰，从而使分离

机的效率下降[8]。水平风力发电机的技术已经非常成熟，在大型风力发电市场应用十分广泛，目前最大的水平轴风力发电机单机容量已经达到5MW。水平风力机叶片尖速比（尖速比表示风力机运行速度的快慢，为叶片的叶尖圆周速度和风速之比）为5-7，在这样的高速下，叶片切割气流会产生较大噪音，同时会伤害靠近的鸟类，对环境的影响较为严重[9]，并且水平轴风力发电机结构较为复杂，成本较高，启动风速大[10]，使得小型水平轴风力在民用领域的应用收到限制，同时也造成了小型风力发电机的发展缓慢的局面。由于风机摄取风能的能力同其扫风面积的大小成正比，因此水平轴风机单机容量增大意味着风机叶片越来越长。叶片尺度增加使其质量增大，转动过程中收到的弯矩增大，给叶片强度提出更高要求。同时叶片尺度增加给运输和安装带来很大的问题。所以，水平轴风机的进一步大型化收到限制，而垂直轴风机显示出了明显的优势。

1.2.2 垂直轴风力发电机

垂直轴风力机风轮转动与风向无关，无需迎风调节装置，并且风速与发电机之间无需变速装置，机构对于水平轴风力机较为简单。按风推动风轮的方式可将垂直轴风力机分为阻力型和升力型两种[11]。

单向离合器轴承阻力型风力机的典型代表是S型风轮，由芬兰工程师S.J.Savonius于1922年发明[12]，阻力型风力机在逆风时会产生较大的反向力矩，降低了转动轴的总力矩，从而使其效率降低，上世纪二十年代很多学者对S型风车进行了气动性能试验，结果表明S型风车的最大风能利用系数最大仅为0.3[12]。因此阻力型风机的发展受阻，没有得到大规模的商业应用。

Darrieus是升力型风力机的典型代表。与阻力型风力机相比，升力型风力机的风能利用系数较高，应用较为广泛。第一台Darrieus型风力机形式多样，有Φ型、H型、△型、Y型等。其中H型和Φ型应用最为广泛[14]。Φ型风力机自启动性能很差，因此限制垂直轴风力机的应用[15]。H型风机具有自启动能力，低速时性能良好[16]，高风速时承受较大弯矩，较难实现大型化[12]，在小型风力发电机中应用较为广泛，小型垂直型风力发电机也是最近几年研究的热点。

第五章风轮与发电机匹配特性分析

不同来流风速下，风轮的风能利用率和功率变化很大，风轮在不同的来流风速下都有一个最佳运行转速，此时风轮的效率最高。为使风轮获得的机械能能够最大限度的转化为动能，

必须使风轮的特性与发电机的特性达到匹配，从而实现风能的最大利用，提高风力发电机的运行效率。本章主要讨论发电机的功率特性，计算了来流风速为2m/s-12m/s下风轮的功率曲线对风轮和发电机的匹配特性进行了研究。

5.1 直驱式风力发电技术[44]-[47]

目前，市场上常见的风力发电机结构有两种：传统结构和直驱式结构。

传统结构的风力发电由风轮、齿轮箱和发电机三部分组成。由于风能具有不稳定性，在较低来流风速下，垂直轴风轮的转速每分钟只有几十转甚至十几转，发电机属于高速旋转机械，为使发电机在低速条件下正常工作，通常需要在风轮和发电机之间增加一个增速齿轮箱，为使风轮上输出的低转速变为高转速输出，从而使风轮与发电机转速相匹配。传统结构的风力发电机如下图所示。

然而增速齿轮箱的存在给风力发电机带来一系列问题。由于齿轮箱的高速运转，增加了系统的损耗，降低了能量利用率。风力发电机往往安装在偏远山区，孤岛等野外高空，经历严寒酷暑，温度变化较大，环境恶劣，导致齿轮箱的运行工况较差，维修和保养的工作量大。同时由于齿轮箱的存在，导致风力发电在运行时，由于多组齿轮不断磨合运动产生较大噪音，对环境产生了较大影响。小型风力发电机的购买者通常是一些低收入用户，增加齿轮箱会使风力发电机的机构变得更为复杂，从而导致风力发电的成本增加，不利于风力发电技术的普及。因此传统结构的风力机在进一步的发展中，受到严重的阻碍。

直驱式结构做到了风轮与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，可大大减小系统运行噪音，风力发电系统变得更加简单，增加了系统的可靠性，由于省掉了齿轮箱，使得风力发电机的制造过程变得更加简单，降低了风力发电机的生产成本。同时减轻了风力发电机的机身重量，并改善了传统各部件的受力情况，可以使风力发电机的支撑结构减轻，事风力机的基础费用和运行维护费用得到了降低。

与传统结构的风力发电机相比，直驱式风力发电机更具竞争力，1995年美国纽约的一家研究机构设计出一种新型的可变磁阻风力发电机，该发电机中的磁阻装置替代了机械的齿轮箱。此后，直驱式风力发电机成为是风电专家们的研究热点，直驱式风力发电机替代传统风力发电机在风力发电行业是一种趋势。

5.2 永磁同步发电机特性分析

异步发电机的转速必须超过1000r/min或1500r/min，才能运行在发电状态，而风能的运行转速多在几十转到几百转，必须在风轮和异步电机转子之间增加增速齿轮传动来提高转以达到适合异步发电机运转的转速。对于直驱式风力发电机来说，异步发电机不能满足低速

运行的要求，永磁同步机采用特殊的方案，其较多的极对数使得转子在转速较低时，发电机仍可以正常工作，采用永磁同步发电机的直驱式发电系统在众多的变速恒频风力发电系统中具有较好的发展前景。

5.2.1 永磁同步发电机工作原理

根据电磁感应定律可知：导线在外力作用下在闭合的磁场中做切割磁感线的相对运动时，也会产生感应电动势，这就是发电机发电的基本工作原理。

提手加不一般旋转磁场式交流发电机的工作原理可由上图说明：图中外面不动的部分是定子，在两个突起的极掌上面绕右定子线圈里面转动的是转子，由永磁铁制成，当风轮带动转子转动

时，转子的磁力线穿过定子线圈的数量和方向不断变化，在定子线圈中就可以产生感应电动势。定子线圈AB内电动势的变化规律如下：

当转子处于A位置时，磁极中心线与定子铁芯的中心线重合，转子磁场的磁力线全部通过定子线圈，此时，穿过定子线圈的磁通没有发生变化，所以感应电动势为零。转子顺时针转动时，穿过定子的磁通量减少，定子线圈中产生感应电动势。当通过外负载组成闭合回路时，在感应电动势的作用下，线圈中产生感应电流。感应电流也随之增大。当转子转过90度时，即图B的位置时，穿过定子线圈的磁力线从有到无，磁通变化率最大，感应线圈中的感应电动势达到最大值，线圈中电流最大，方向仍是有A到B。

转子机械转动时，定子铁芯中磁力线方向发生改变，从下而上变为从上而下，此时，定子线圈中感应电流锁产生的磁场力图阻止自上而下的磁力线增加，定子线圈中的磁通变化越来越少，所以感应电动势下降。当转子处于图示C位置时，刺激中心线与铁芯中心线重合，通过定子线圈磁力线最多，但磁通变化率为零，感应电动势为零。