2.4 风力发电装置
水平轴式风力发电装置主要由以下几部分组成：风轮、停车制动器、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器等，如图2-12所示。
图2-12 水平轴式风力发电装置结构简图
2.4.1 风轮
风力机也是一种流体涡轮机械，与别的流体涡轮机械如燃气轮机、汽轮机的主要区别是风轮。高速风力机的风轮叶片特别少，一般由2～3个叶片和轮毂组成。风轮叶片的功能与燃气轮机、汽轮机的叶片功能相同，是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电。风力机叶片的典型构造如图2-13所示。
图2-13 风轮机叶片的典型构造
小型风力机叶片常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。有的采用玻璃纤维或其他复合材料作蒙皮，效果更好。
大、中型风力机叶片如果用木质时，不用整块木料制作，而是用很多纵向木条胶接在一起，以便于选用优质木料，保证质量。为减轻质量，有些木质叶片在翼型后缘部分填塞质地很轻的泡沫塑料，表面用玻璃纤维作蒙皮［图2-13（a）］。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻质量，而且能使翼型重心前移（重心设计在近前缘1/4弦长处为最佳）。这样可以减少叶片转动时的有害振动，这点对于大、中型风力机叶片特别重要。为了减轻叶片的质量，有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木材作中间填充物，外面再包上一层玻璃纤维［图2-13（b）、（c）、（d）］。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挤压成型［图2-11（e）］，这种方式无法挤压成变宽度、变厚度的扭曲叶片，难以得到高的风能利用率。现代大型风力机常采用图2-13（f）的结构，表皮是复合材料玻璃纤维，中间两根大梁是复合材料，中间夹层是轻质泡沫材料。上下层表皮分别成型，然后与大梁粘接。
除了小型风力机的叶片部分采用木质材料外，大、中型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度的复合材料。
风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到风力机驱动的对象（发电机、磨机或水车等）。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需有足够的强度。有些风力机采用定桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。典型风轮叶片及风力机叶型迭合图见图2-14。
图2-14 典型风轮叶片及风力机叶型迭合图
2.4.2 调速器和限速装置
用调速器和限速装置实现风力机在不同风速时，转速恒定和不超过某一最高转速限值。当风速过高时，这些装置还可用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速器和限速装置有三类：偏航式、气动阻力式和变桨距角式。
（1）偏航式 小型风力机的叶片一般固定在轮毂上，不能改变桨距角。为了避免在超过设计风速太多的强风时，风轮超速甚至吹毁叶片，常采用使整个风轮水平或垂直转角的办法，以便偏离风向，达到超速保护的目的。这种装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离，从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧，一端系在与风轮成一体的偏转体上，另一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力，使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时，风轮偏转力矩大于弹簧力矩，使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转，直到风轮受的力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时，可使风轮转到与风向相平行，以达到风轮停转。
（2）气动阻力式 将减速板铰接在叶片端部，与弹簧相连。在正常情况下，减速板保持在与风轮轴同心的位置；当风轮超速时，减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩，从而绕轴转动成为扰流器，增加风轮阻力，起到减速作用。风速降低后，它们又回到原来位置。利用空气动力制动的另一种结构，是将叶片端部（约为叶片总面积的1/10）设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时，叶尖与其他部分方向一致，正常做功。当风轮超速时，叶尖可绕控制轴转60°或90°，从而产生空气阻力，对风轮起制动作用。叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成，也可由伺服电动机驱动。
（3）变桨距角式 采用变桨距角除可控制转速外，还可减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力机在很大的风速下还能运行，因而应用相当广泛。在中、小型风力机中，采用离心调速方式比较普遍，利用桨叶或安装在风轮上的配重所受的离心力来进行控制。风轮转速增加时，旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧，使叶片的桨距角改变，从而使受到的风力减小，以降低转速。当离心力等于弹簧张力时，即达到平衡位置。在大型风力机中，常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。例如，美国MOD20型风力发电机利用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮，带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距角调节；美国MOD21型风力发电机则采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来转动叶片。这种叶片桨距角控制还可改善风力机的启动特性、发电机联网前的速度调节（减少联网时的冲击电流）、按发电机额定功率来限制转子气动功率以及在事故情况下（电网故障、转子超速、振动等）使风力发电机组安全停车等。
2.4.3 调向装置
风力机可设计成顺风向和逆风向两种形式，一般大多为逆风向式。顺风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制（对大型的顺风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也有采用对风控制系统的）。逆风向风力机则必须采用调向装置，常用的有以下几种。
（1）尾舵调向 主要用于小型风力发电装置。它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊控制。尾舵面积A'与风轮扫掠面积A之间应符合下列关系
（2-1）
式中，e为转向轴与风轮旋转平面间的距离；l为尾舵中心到转向轴的距离（图2-15）。
图2-15 尾舵调向原理
尾舵调向装置结构笨重，因此很少用于中型以上的风力机。
（2）侧风轮调向 在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。
（3）风向跟踪装置调向 对大型风力发电机组，一般采用电动机驱动的风向跟踪装置来调向。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。如机舱在同一方向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆。当回到中心位置时解缆停止。
2.4.4 传动机构
风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等（图2-12）。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节，有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，就不需要低速传动轴。也有一些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接驱动发电机。
风力机所采用的齿轮箱一般都是增速的，大致可以分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。定轴线齿轮传动结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动具有传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价较高。
2.4.5 塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的质量外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动特性有密切关系，特别对大、中型风力机的影响更大。