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。
l 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。
l 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。
l 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。
l 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限制，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。
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。
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。
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