2.3　小型风力发电机

2.3.1　风力机的分类

风力机是把风能转换成机械能而对外做功的一种动力机械，也称之为风轮机、风动机或风车。

风力机的品种繁多，用途各异，原理上都是把风能转变成机械能，然后变成其他形式的能量使用。风力机从不同角度有多种分类方法。风力机通常的分类方法有以下几种。

（1）按风轮轴与地面的相对位置可分为水平轴式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。

（2）按叶片工作原理可分为升力型风力机和阻力型风力机。

（3）按风力机的用途可分为风力发电机、风力提水机、风力铡草机和风力脱谷机等。

（4）按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小可分为高速风力机（比值大于等于3）和低速风力机（比值小于3），也有的把比值为2～5者称为中速风力机。

（5）按风力机容量（功率）大小分类：国际上通常将风力机组分为小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）和大型（1000kW以上）3种；我国则分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4种；也有的将100kW以上的称为巨型风力机。

（6）按风轮的叶片数量可分为双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式风机，如图2-7所示。应用较多的是水平轴、升力型、少叶式的风力发电机（多数为两个或三个叶片）。

（7）按风轮相对于塔架的位置可分为上风式（又称为前置式或迎风式）风力机和下风式（又称为后置式或顺风式）风力机，如图2-8所示。风力机一般为上风式。

（8）按风轮转速可分为定速型和变速型。

（9）按传动机构可分为升速型和直驱型。

2.3.2　风力发电机的基本结构与工作原理

（1）风力发电机的基本结构

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。小型风力发电机一般由风轮（又称叶轮）、发电机、传动装置、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等组成。小型风力发电机的基本结构如图2-9所示；大中型风力发电机的基本结构如图2-10所示。

（2）风力发电机的工作原理

风力发电机的工作原理比较简单。风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转换为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电，把机械能转换为电能。

风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。叶片在风的作用下产生升力和阻力，设计优良的叶片可获得大的升力和小的阻力。风轮叶片的材料因风力发电机的型号和功率的大小而定，有玻璃钢、尼龙等。

发电机是做功装置，它的作用是把机械能转换为电能。风力发电机采用的发电机有三种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小功率风力发电机多采用同步或异步交流发电机，所发的交流电通过整流装置转换成直流电。与直流发电机相比，同步发电机的优点是效率高，而且在低风速下比直流发电机发的电能多，能适应比较宽的风速范围。

调向器的功能是尽量使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。除了下风式风力发电机外，一般风力发电机几乎全部都是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼一般都设在风轮的尾端，处在风轮的尾流区里。只有个别风力发电机的尾翼安装在比较高的位置上，这样可以避开风轮尾流对它的影响。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。

限速安全机构是用来保证风力发电机安全运行的。风力发电机风轮的转速和功率与风的大小密切相关。风轮转速和功率随着风速的提高而增加，风速过高会导致风轮转速过高和发电机超负荷，会危及风力发电机的运行安全。限速安全机构的设置可以使风力发电风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。除了限速装置外，风力发电机一般还设有专门的停车制动装置，当保养、修理时，或风速过高时，可以使风轮停转，以保证风力发电机在特大风速下的安全。

塔架是风力发电机的机架，用以支撑风力发电机的各部分结构，它把风力发电机架设在不受周围障碍物影响的高空中，从而有较大的风速。塔架的结构有支柱式和桁架式。一般为钢铁结构，小型风力发电机也有采用木结构的。

风力发电机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。因此，风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前蓄电池是风力发电机采用的最为普遍的储能装置，即把风力发电机发出的电能先储存在蓄电池内，然后通过蓄电池向直流电器供电，或通过逆变器把蓄电池的直流电转变为交流电后再向交流电器供电。考虑到成本问题，目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。

2.3.3　小型风力发电机的技术数据

（1）FD系列小型风力发电机组技术数据（见表2-13）

（2）TFYF系列永磁风力发电机组技术数据（见表2-14）

2.3.4　小型风力发电机安装场地的选择

风力发电机安装场地的选择对于风力发电机的效率有重要的影响。场地选择的好，不仅可以使安装费用和维护费用减少，而且可以避免发生事故，保证正常运转。

（1）选择方法

首先应对风力发电机场地的气象情况进行认真了解。对风能利用最有用的气象资料是风速频度表，即在一定时期内出现某种速度的风的频繁程度。对于一定的地区，平均风速与各种风速频度有统计学上的相关关系，从风速频度表可以了解全年风能的实际值和风力设备的可能工作小时数，这对于风力发电机的选择和运行都很重要。

此外，应了解地形地貌对风速的影响。许多地区都有相对多风的“风口”，这些地点的风速可以比周围高很多。如平原上的孤立山包，若坡度适宜，当气流掠过，犹如流过飞机机翼的凸面，可使风速加大，这种地方就是安装风力发电机的适宜场地，如图2-11（a）所示。

风力发电机安装场地的具体选择方法如下。

①在平原上安装风力发电机应选择开阔或上风侧没有高大建筑物的地方。如果有障碍物时，小型风力发电机的风轮应超过障碍物一定的高度。

②在河口、湖滨、山地有很多适宜安装风力发电机的地方，应在安装前进行详细了解。如果误将风力发电机安装在离风口非常远的地方，将会使风力发电机的输出功率较设计值大幅度减小。例如，当年平均风速由6.6m/s减少到4.5m/s时，功率将减少2/3左右。

③在山区，山脊和山顶是自然的高塔，也是风速最高的地方。尤其是当山脊构成的方向和主风向垂直时，对风的加速作用最大，可成为最理想的安装风力发电机的场地。

总之，由于地形和建筑物对风向和风速有很大影响，无论高山、峡谷还是高楼周围、长墙空缝，有高风速的局部地方都可作为小型风力发电机的理想安装场地。要寻找风速高的地方并不很难，只要观察当地的树木情况就可以知其大概。有的树木对风的影响十分明显，向风面枝少叶疏，而背风面枝繁叶茂，常年风速越大的地方，这种变化越明显。因此，植物是选择风力发电机安装场地的指示物。

（2）注意事项

选择风力发电机安装场地时，还应注意以下事项。

①应当避开那些风向和风速变化无常的地方。尤其在设置较大的风力发电机时，要对气象情况作深入了解，必要时用气球进行观察或用风筝进行检查。

②在干旱地区，应考虑到沙尘对风力发电机的损伤，为此需要作必要的保护。

③在工厂区，应注意空气中有害气体的腐蚀作用。

④在海边，必须认真对待盐雾的腐蚀问题。

⑤在建筑物上，应注意风力发电机运转时产生的振动、噪声以及风力发电机事故性损害等问题。

总之，风力发电机的选址是风能利用中至关重要的环节，也是一个较难把握的问题，它是建立风力发电系统的最基础的工作之一。

2.3.5　小型风力发电机的安装

（1）基础的准备

安装前必须首先详细阅读使用说明书，并对照实物了解使用说明书中所说明的细节，然后再进行基础准备工作。基础准备工作是十分重要的，如果忽视这一工作，将会造成机组倒下，摔坏风力发电机等事故。

基础工作必须按照说明书的要求去施工，尤其对水泥基础，必须有保养期。对于四周有拉索的风力发电机，对拉索的基础应予以特别注意。因为它承担了风压的力量，一旦松脱，则会倒机。特别是地表比较松散的地区，往往拉索的基础需要比说明书的要求更要坚固。有些小型风力发电机，如50W、100W机型，没有专门的预制基础，一般用地脚螺钉和地锚直接打入地下。这些零件的长度设计是从一般地质状态来考虑的，如遇到岩石就必须按水泥地基的情况进行，如遇到松软的沙质土壤就必须做加深或其他加固处理。

（2）机组的安装

机组的安装必须严格遵守说明书中的安装程序，否则会造成安装中的倒机事故。

在机组的安装过程中必须特别注意叶片的安装。安装叶片时必须对准有关标记，认真清理结合面，以保证叶片安装角的精度。

在机体与搭杆连接时，要保证安装正确和螺栓的紧固，务必保证其中的弹簧垫圈平整。机组竖立起来时，要特别注意找正搭杆的垂直度。一般可采用吊线的方法，即用一根普通的线下缚一小块重物，用手拿着伸直手臂，下垂的线可作为铅直线标准，用眼对准塔杆的边缘，调整拉索的松紧使塔杆保持铅直位置。应注意，这种方法必须在相互垂直的两个方位进行，如先在东面调整，然后再在南面调整。如此反复进行，方可奏效。

机组的安装工作必须在5级风以下进行，最好是风速在5～8m/s之间，这样既比较安全又能及时了解安装后机组的运行情况。安装完毕后，必须观察机组在各风速下的运行情况。主要是启动时风速大小，在额定风速下是否达到额定功率，机组在运行中的振动情况如何等。

一般质量正常的风力发电机应能达到说明书中的技术指标。如果各数据与说明书中的规定有较大差异，首先应检查叶片的安装是否正确，因为叶片的安装位置正确与否直接影响机组的大部分技术参数。如果各部件均安装正确，则可与制造厂家联系，以进一步检查机组的制造质量。

若机组在运行中出现强烈振动，可以适当调整拉索的松紧度。一般希望振动出现在低风速情况下，即出现在5m/s左右的风速时。在风速较大时希望机组能平稳运转，放松拉索可改变机组的固有频率，否则在强烈振动下运行的机组很容易损坏。

（3）电气控制箱及蓄电池的安装

电气控制箱及蓄电池的安装与当地的地形、使用者到风力发电机的距离以及风力发电机的电压等级有直接关系。一般对于输出电压为24V、12V的机组，希望电气控制箱及蓄电池装在离机组5m的距离之内，因为距离太长会造成线路压降太大，影响使用。因此，选择机组时必须注意风力发电机的电压等级。例如海岛上居民都居住在无风的山下，而风力发电机必须安装在有风的山顶，两者距离常有300～500m，选用24V电压的机组就有困难，而选用110V或220V电压的机组则比较合适。

2.3.6　小型风力发电机组的运行与维护

（1）定期检查与加油

风力发电设备暴露在大自然中，终日受到风吹、日晒、雨淋，设备的外面虽然有一定的防护层，但仍不能抵御长期的自然侵袭，必须定期加以清理。例如在北方干旱地区风沙较多，风力发电机的缝隙间会残留沙子，将增加机组转动部分的磨损和阻力；草原上的草尖也会像风沙一样给机组带来危害，因此也必须定期清除；而在沿海的各个小岛，对机组的腐蚀往往十分严重，因此需要定期加涂油漆。

机组旋转部分的轴承润滑油在暴晒下容易干固，因此也要定期加油，以保证运转部分的磨损和阻力减少，使得机组能够正常工作。

在定期检查中，对一些紧固件，如螺栓、螺母、法兰、螺钉等，均应给予注意，发现松动、移位、锈蚀等应及时调整和更换，以免造成更大的事故。

检查中还要注意基础的情况，尤其是拉线基础。当出现基础松动的情况时，应予以加固。尤其是大风到来之前，更应着重检查。

（2）对电气控制器及其线路的检查与维护

风力发电机发出的交流电通过整流器变为直流电，并经过电气控制器送到蓄电池，使蓄电池得以充电，同时用电器也通过电气控制器得到稳定的直流电压。因此，从发电机到控制器再到蓄电池这一线路，是必须加强维护的。

由于一般机组的寿命往往比较长，而其他电气元件、线路的寿命比较短，因此对电气控制器及其线路必须经常检查。最好备有一定数量的备品，作维护时更换旧件之用。

由于外线的自然侵蚀，线路容易破坏，因此应及时维护，遇损后也应及时更换。

2.3.7　小型风力发电机组常见故障及其排除方法

（1）限速部分出现卡死现象

风力发电机的限速装置是为了在风速超过额定风速值保持风轮转速不再上升而设置的机构。因此，保证一定精度的限速范围可使风力发电机正常运转，避免发生“飞车”事故。这种限速机构一般多用弹簧作为力平衡系统的重要部件，当相对运动部件之间有沙粒、草尖、锈蚀等情况时，就会有卡死现象。

出现卡死现象，除上述原因外，有时是由于设计或制造质量的问题，有时是由于弹簧锈蚀失去弹力而不能恢复等问题。这些都会造成限速失灵的现象。

当遇到上述现象时，除了设计上的原因之外，均可采取措施进行处理。首先要清除相对运动部件之间的污物，加注润滑油，再反复移动，使得各运动部件之间平滑无阻。另外再检查弹簧，如果确是由于弹簧锈蚀而失去弹力，则应更换弹簧，这样就可以恢复限速机构的功能。

（2）刹车机构出现卡死现象

对于小型风力发电机来说，刹车机构是不常使用的，它主要用于维修时的停车要求。由于自然界的腐蚀，往往会出现刹车后不能复原的情况，使风轮不能正常运转。遇到这种情况，可用工具帮助刹车机构复原，也可在刹车机构与轴之间加少量的油，使刹车机构在其轴上转动灵活。

另外，应检查复位弹簧是否锈蚀。还应注意刹车带与刹车盘之间的间隙，若间隙太小，遇雨之后刹车带膨胀，会使刹车卡死。

（3）输电线扭曲

有些小型风力发电机的输电线由机体通过塔杆直接送到地面，中间未通过滑环。当有的地区出现旋转风时，就会使风力发电机的机体绕支撑轴旋转很多圈，致使输电线扭曲，对此用户应予以注意。在这样的地区，用户可以在输电线上加插头座，发现电线扭曲时拔下插头，反转数圈，直至电线正常为止。