风力发电机简介（四）

周华

20世纪20年代，美国的Brush建造了第一台风力发电机，这台风力机有146个叶片，转动缓慢，功率为12KW，当时的《科学美国人》曾经发表文章详细介绍过这台风力机。在后来的研究中发现，Brush的这项设计的发电效率很低，而采用较少的叶片，使得风机转速增加是提高风力机效率的主要途径。
由于风力机属于旋转机械，因此象直升机的旋翼一样，为了避免失速，提高效率，风机叶片沿展向采用扭转设计。同时为了在大多数条件下保持稳定发电输出功率，风力机的设计风速为10m/s左右，在风速远远大于这个设计速度时需要采用气动方法控制输出功率，避免引起电网的波动，同时也避免对风力机结构的破坏。
控制功率的方法之一是俯仰控制（pitch controll），即风力机叶片攻角可以改变，在风力很大时通过调整攻角，改变叶片受力（通俗点说就是将强风放过去，浪费一些风力，保持输出功率的稳定），保证输出的稳定。这个过程需要在计算机和液压系统的配合下实现。
控制功率的另一种方法是主动失速控制（active stall controll），其机械机构与俯仰控制一样，只是在风力过大时，不是控制攻角，防止失速发生，而是相反，用增大攻角的方式，使叶片表面局部失速，从而达到降低输出功率的目的。
控制功率的第三种方法是偏转控制（yaw controll），即通过摇头的方式，将叶片平面与来流的夹角从垂直状态改变到稍微偏转的状态。这种控制方法因为会导致风力机结构受力的周期性变化，进而导致总体结构的疲劳破坏，所以在大型风力机中没有使用，而只在小型风力机（1KW量级）上有所应用。
风力机的刹车控制由两套系统实现。第一个系统是气动刹车系统，即将叶尖部位设计成可以独立旋转的机构，在需要刹车时，将叶尖平面转动到垂直于气流方向，从而达到刹车目的。气动刹车是最常用的刹车手段，因为这种刹车方式比较平缓，对结构破坏最小。
第二套刹车系统是机械刹车系统，这个系统在运转工程中使用会导致结构破坏，故一般只作为备份系统，在风力机静止时锁定机构时使用。