风力发电机结构和原理

风力发电机结构原理


杜容熠

太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约
为1014MW（10亿亿千瓦）。其中可被开发利用的风能理论值约有
3.5×109MW（3.5
万亿千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有叶
轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等
构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，叶轮在风力的作用下旋转，它把风
的动能转变为叶轮轴的机械能，发电机在叶轮轴的带动下旋转发电。


1．风力发电原理：
1.1 风能的概念：
风能：空气因为太阳能辐射，造成压力差，而发生运动的动能称为“风能”,风
能的计算公式为：


E＝0.5ρsV3
式中: E－风能（W）
ρ－空气密度（kg/m3）
S－气流截面积（m2)
V－风速（m/s)
风能密度（W）：单位时间内通过单位面积的风能，W＝0.5ρV3。
有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是
3～25m/s)。


1.2 风能发电的动力学原理
风力发电采用空气动力学原理，并非风推动叶轮叶片，而是风吹过叶片形成
叶片正反面的压力差，这种压力差会产升力，令叶轮旋转并不断横切风流。该
原理类似于飞机上升时的原理，空气通过机翼，产生向上的升力和向前的阻力。


如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力
FD和一垂
直于气流方向的升力
FL其值分别由下式确定
L：


FD=0.5CdρSV2
FL=0.5CLρSV2


式中：
CD－阻力系数
C－升力系数
L S－薄板的面积
ρ－空气的密度阻力型叶轮
V －气流速度

如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成叶轮，那么风的作用力旋转中心
线就会使叶轮转动。由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的叶轮，称为阻力型
叶轮；而由升力FL而使其转动的叶轮，称为升力型叶轮。目前为止现代风力机绝
大多数采用升力型叶轮。


2．风力发电机的组成部分及特点：

2.1 叶轮
叶轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将
旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机通常有２片或３片叶片，叶尖
速度
50～70ｍ／ｓ，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通

常能够提供最佳效率，
然而
2叶片叶轮仅降低 2～3％效率。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转
速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。3叶片叶轮上的受力更平衡，
轮毂可以简单些。

叶片是用加强玻璃塑料（
GRP）、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。