如何选择适合的水平轴风力机？

20世纪80年代安装的几个垂直轴风力机都足够供应当时所需要的电能，但都已不再使用。多数情况下，垂直轴风力机没有水平轴风力机效率高，如今所用的垂直轴风力机主要用于居民用电或者存在噪声和高度限制的地方，更大的风力机通常是水平轴风力机，图3-9所示为一个典型的水平轴风力机。

水平轴风力机分为上风式和下风式两种，上风式水平轴风力机的特点是风先吹过叶片再吹过发电机，下风式水平轴风力机的特点是风先吹过发电机和机舱然后吹过叶片，图3-10为上风式水平轴风力机，图3-11为下风式水平轴风力机。

因为上风式风力机具有需要迎风的风轮，因此它的一个优点是可以避免叶片位于塔架的后方。叶片如果位于塔架后方，塔架会对吹向叶片的气流造成影响。绝大多数风力机采用了上风式设计。

图3-9 水平轴风力机

图3-10 上风式水平轴风力机(www.xing528.com)

图3-11 下风式水平轴风力机

上风式水平轴风力机的第一个问题是转子要有较高刚性和较低的柔性，而且必须被放置在距离塔架前方一定距离的位置，因为叶片在强风中会呈现出柔性变形。如果在塔架前方不够远处，强风就会使叶片弹回塔架造成损坏。叶片回击通常发生在风速突然改变时。第二个问题是上风式水平轴风力机需要某种方法保持风轮转轴时刻与风向一致。风力机叶片的朝向称为偏航，风力机叶轮的方向需要连续变化使得风力机最有效地发出电能，这是由风力机的偏航控制完成的。风力机必须自动地指向风向来最有效地获取能量。

下风式水平轴风力机的风轮转轴安放在塔架的下风处或下风带，因为发电机和中心装置在下风带，所以叶片的任何摆动都会使叶尖远离塔架从而不会撞击到塔架。一些小的下风式水平轴风力机通常设计为使其在没有偏航控制装置下实现自我定位，这称为被动偏航，可以让系统更加经济。偏航转动必须控制或限制使得发电机旋转不超过特定的圈数，以防止连接风力发电机和地面终端的电缆线被缠绕或扯断。在一些更大的风力机中，偏航控制系统包含一个旋转计数器，旋转数被限制在5个全转之内。另一种方式来弥补旋转360°以上的偏航是使用集电环，集电环使得机舱和塔顶上电缆线所连接的点之间的电气连接是连续的，即使当机舱的偏航旋转增倍。但是集电环自身存在问题，因为发电机产生的所有电能必须流过它们输送到安装在地面设备的电缆线，集电环会迅速磨损，因此集电环需要及时的检查和细致的维护。因为集电环在塔架的顶部，所以需要攀爬塔架来维护它们。

在大型风力机中，主动偏航用来控制风力机叶片对风，这类控制利用永磁高转矩电动机或液压马达来旋转风力机机舱，偏航电动机被PLC控制，它从测量风速和风向仪表接收信号，与风力机的速度进行比较。大型的风力机中叶片被连接在一个转轴上，而此转轴连入多速传动系统，发电机接在传动系统的另一端，发电机的速度被严格控制以输出60Hz电能。如果风速增加过快，偏航控制可用来改变风轮的朝向，这可以作为一种控制风力机的旋转速度达到60Hz电力输出的手段。风力机同样使用节距角控制来控制叶片随风速而变化的速度。在本书第5章将介绍关于风力机控制的更多细节。