畢業(yè)設計開題報告學生姓名 學 號 專業(yè)班級指導教師 職 稱 單 位課題性質 設計□ 論文□ 課題來源 科研□ 教學□ 生產(chǎn)□ 其它□畢業(yè)設計題目 水平軸風力發(fā)電機設計一、課題研究的意義隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，國內市場對風能的需求量與日俱增，風能市場也迅速發(fā)展起來，風能作為一種可再生的能源，愈來愈受到世界各國的重視，其蘊藏量巨大，全球風能資源總量 2.74X109MW，其中可利用風能 2X107MW 中國風能儲存量巨大，分布面廣，僅陸地上風能儲量就有 3.53 億千瓦，開發(fā)利用潛能巨大。中國風力等新能源的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風電裝機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風電場建設、并網(wǎng)發(fā)電、風電設備制造等領域成為投資熱點，市場前景看好。二、課題研究的目的人類追求經(jīng)濟成長及現(xiàn)代化的結果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有限，統(tǒng)計顯示依照目前的消耗速率，石油蘊藏量能供人類使用不到 50 年，天然氣不到 70 年，煤炭較久超過 200年，終有一日人類將沒有石油可用。然而風力發(fā)電不一樣，由于攝取大自然的風能，只要太陽及地球仍在運行即無匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風力發(fā)電機，在它 20 年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機，在卸除它能耗費能源的 80 倍，是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟社會層面，風力發(fā)電可制造工作機會，從零組件的生產(chǎn)、運輸、組裝、維護等，皆為設置風力發(fā)電機當?shù)貛硐喈數(shù)木蜆I(yè)機會與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。風能是最具商業(yè)潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，取用不盡。風力發(fā)電具有裝機容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為經(jīng)濟增長提供穩(wěn)定電力供應的同時，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問題。在各類新能源開發(fā)中，風力發(fā)電是技術相對成熟、并具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)開發(fā)條件的發(fā)電方式。風力發(fā)電可以減少化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的大量的污染物和碳排放。大規(guī)模推廣風電可以為節(jié)能減排做出積極貢獻。風電的優(yōu)越性可歸納為下面五點： 1、風力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。 2、風電技術日趨成熟，產(chǎn)品質量可靠，可用率已達 95%以上，已是一種安全可靠的能源。 3、風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電。若計算涉及煤電的環(huán)境保護與交通運輸?shù)拈g接投資，則風電經(jīng)濟性遠遠優(yōu)于煤電。 4、風力發(fā)電場建設工期短，單臺機組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間，是煤電、核電無可比擬的。 投資規(guī)模靈活，有多少錢裝多少機。目前商用大型風力發(fā)電機組一般為水平軸風力發(fā)電機，它由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風輪的作用是將風能轉換為機械能，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機組一般為 2-3 個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風向經(jīng)常變化，為了有效地利用風能，必須要有迎風裝置，它根據(jù)風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉動，使機艙始終對風。 5、風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，隨著生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，新能源的開發(fā)日益受到重視，由于風力發(fā)電經(jīng)濟性日益改善，因此國家對風力發(fā)電已制定了發(fā)展計劃。三、目前國內外風電技術發(fā)展狀況風力發(fā)電機組 (簡稱風電機)是將風能轉化為電能的機械。風輪是風電機最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉換成機械能，再通過齒輪箱增速，驅動發(fā)電機轉變成電能。在理論上，最好的風輪只能將約 60%的風能轉換為機械能?，F(xiàn)代風電機風輪的效率可達到 40%。風電機輸出達到額定功率前，功率與風速的立方成正比，即風速增加 1 倍，輸出功率增加 8 倍，所以同力發(fā)電的效益與當?shù)氐娘L速關系極大。由于風速隨時在變化，風電機常年在野外運行，承受十分復雜惡劣的交變載荷。當前生產(chǎn)的主力機型為600~750kW，機體龐大，風輪直徑和塔架高度都達到 40~50m，設計和制造較困難。目前風電機的設計壽命是 20a，要求經(jīng)受住 60 m/s 的 11 級暴風襲擊，代表機組可靠性的可利用率要達到 95%以上。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國在風力發(fā)電技術的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術、計算機、自動控制及通信技術等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風力機設計理論，采用了新型風力機設計理論，采用了新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性。當前，世界風電技術發(fā)展的特點是：1）風力機單機大型化風力機單機容量不斷增加是風電技術的顯著特點之一。商業(yè)風力機平均單機容量從 1982 年為55kw 到 2002 年約為 1100kw，20 年增加了近 20 倍。隨著技術的逐漸成熟早年多樣化的設計理念也趨向統(tǒng)一。單機容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機組采用更高的塔架，有利于捕獲風能，50m 高度捕獲的風能要比 30m 高度處多 20%。目前，商業(yè)化機組的單機容量已達 3.6MW。2）變速恒頻機組將成為主流機型目前，世界各地風電場的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)為恒速運行機組。隨著控制技術的發(fā)展和變速恒頻機組的應用，風力機開始改恒速運行為變速運行，風輪轉速隨風速變化，在低于額定風俗的相當大范圍內保持最佳葉尖速比已獲得最大風能。3）重量更輕、結構更具柔性隨著風力機葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結構更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質量輕的碳纖維。同時，針對風力機的空氣動力環(huán)境，風力機專用新翼型也得到廣泛應用，大大改善葉片的氣動性能。4）海上風力發(fā)電迅速發(fā)展由于海上風力資源比陸地上好，風速比沿岸路上約高 25%，且海面粗糙度小，海上風場湍流強度小，具有穩(wěn)定的主導風向，減少機組疲勞載荷，延長使用壽命。5）中國風力發(fā)電的發(fā)展我國風電經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，風電的實際應用已有了長足的進步，在可再生能源的發(fā)電利用中僅次于水電。中國風電近些年的總體狀況表現(xiàn)出風電蓬勃發(fā)展的強勁勢頭以及越來越廣泛的應用規(guī)模。最新的調查顯示，我國風力發(fā)電總裝機容量已達到 2580 萬 Kw,位居世界第二，稍微超過德國，截止2009 年 12 月 31 日我國已經(jīng)有 24 個省、自治區(qū)、直轄市建設了風電場，主要分布在內蒙古、甘肅、遼寧、、江蘇、河北、廣東等地。風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，還表現(xiàn)在風電設備的國產(chǎn)化率比以往有了明顯增長，特別是金風的風電設備水平已經(jīng)具有一定的市場競爭力，目前已具備制造 1200kW 以上機組的能力。四、本課題的研究內容1 風力發(fā)電機總體概述2 風力發(fā)電機結構設計基礎理論3 風力發(fā)電機總體結構設計及總體裝配圖和主要零部件圖的繪制4 風力發(fā)電機的簡單維護和保養(yǎng)5 總結五、研究方法1、查閱有關風力發(fā)電機設計資料，并對相關的機械設計等專業(yè)課程進行復習。2、通過分析、設計、計算得到有關的設計數(shù)據(jù)3、對設計數(shù)據(jù)進行相關的校核，并依據(jù)設計數(shù)據(jù)選擇有關的零部件4、進行機構設計，并繪制有關零件圖以及總體結構圖5、編寫技術說明書六、進度安排2-3 周：調查研究了解目前風力發(fā)電機，分析同類產(chǎn)品在設計、使用過程中存在的優(yōu)缺點；4-5 周：參考資料查詢、總體方案的確定；6-7 周：方案的可行性分析8-10 周：總體設計及結構分析：11-12 周：系統(tǒng)部件的設計計算：13-14 周：零件的設計計算：15-16 周：整理材料，編寫設計計算書，進行答辯。七、參考文獻[1]謝家瀛 機械制造技術概論 2001 年 7 月 1 日機械工業(yè)出版社[2] 中國風能技術開發(fā)中心 大型風力發(fā)電機組設計技術手冊 1998.12[3]程明，張運乾，張建中 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀和進展 2009 年 9 月[4]龍澤強 大型風力發(fā)電機設計研究 中國風能技術開發(fā)中心指導教師意見：指導教師簽名：年 月 日教研室意見：審 查 結 果： 同 意□ 不 同 意□教研室主任簽名：年 月 日 畢 業(yè) 設 計 說 明 書題目：水平軸風力發(fā)電機設計 二級學院（直屬學部）： 專業(yè)： 班級： 學生姓名： 學號： 指導教師姓名： 職稱： 評閱教師姓名： 職稱： 年 03 月摘 要風能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。與此同時，對風力發(fā)電技術和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領域和企業(yè)界關注的熱點課題項目之一。風能是一種清潔并且可再生的能源，利用風能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對環(huán)境的污染。風力發(fā)電機的原理是：一定速度前進的風吹在靜止的風力機葉片上做功并驅動發(fā)電機發(fā)電，先通過葉輪將風能轉變成機械能，在由發(fā)電機將機械能轉變成電能。本文設計了一臺功率為 1500 千瓦的風力發(fā)電機，其為水平軸風力發(fā)電機，由風輪、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進行了詳細的方案選擇及設計計算。關鍵詞：風力發(fā)電 水平軸風力機 葉片 增速器水平軸風力發(fā)電機設計目 錄第 1 章 緒論.11.1 風力發(fā)電發(fā)展概況.11.2 風力發(fā)電的背景.21.2.1 能源危機21.2.2 環(huán)境危機21.2.3 可再生能源開發(fā)利用31.2.4 風能開發(fā)利用31.3 風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀.41.3.1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀41.3.2 國內風電發(fā)展現(xiàn)狀51.4 國內外風電機技術發(fā)展趨勢.51.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢51.4.2 水平軸風電機組技術成為主流61.4.3 風電機組單機容量持續(xù)增大61.4.4 變槳變速功率調節(jié)技術得到廣泛采用61.4.5 雙饋異步發(fā)電技術仍占主導地位61.4.6 大型風電機組關健部件的性能日益提高71.4.7 智能化控制技術提高了風電機的可靠性和壽命71.4.8 葉片技術發(fā)展趨勢71.4.9 風電場建設和運營的技術水平日益提高81.4.10 惡劣氣侯環(huán)境下的風電機可靠性得到重視81.5 小結.8第 2 章 發(fā)電機的工作原理及基本結構.92.1 風電機的功能單元的劃分.92.2 風電機組的工作原理.92.2.1 能量流102.2.2 信息流112.3 風力發(fā)電機的基本結構.112.3.1 風輪112.3.2 輪轂122.3.3 主軸122.3.4 齒輪箱122.3.5 發(fā)電機122.3.6 偏航系統(tǒng)122.3.7 對風裝置132.3.8 塔架和基礎132.3.9 附屬部件13第 3 章 風電發(fā)電機主要零件的設計計算.153.1 確定設計目標.153.1.1 風力機總體設計方案153.1.2 風力機零件設計方案173.2 風力發(fā)電機設計中的相關理論及概念.173.2.1 風力機氣動設計理論基礎173.2.2 葉片設計中的基本概念193.3 風力發(fā)電機葉輪系統(tǒng)的設計計算.213.3.1 葉輪的總體設計213.3.2 葉片設計計算223.2.3 輪轂的設計263.3 風力發(fā)電機增速器的設計計算.263.3.1 傳動方案的確定263.3.2 增速器基本設計要求及設計步驟273.3.3 傳動原理圖283.3.4 增速器各傳動部件的材料及力學性能283.3.5 第一級行星輪系傳動設計293.3.6 第二級行星輪系傳動設計303.3.7 第三級平行軸圓柱直齒輪設計303.3.8 行星齒輪具體結構的確定313.4 塔架設計.313.4.1 塔架高度的確定323.4.2 塔架形式確定323.5 偏航系統(tǒng)的設計.323.6 制動系統(tǒng)的設計.333.7 其它附屬部件的設計.333.7.1 機艙的設計333.7.2 機座的設計343.7.3 回轉體的設計34總 結.35致 謝.36參考文獻.37水平軸風力發(fā)電機設計0第 1 章 緒論1.1 風力發(fā)電發(fā)展概況風能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風能的開發(fā)利用越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風力機從風中吸收的能量不到空氣動能的 59.3%，同時由于受到機械結構等限制，實際值更小。因此，如何提高風能轉化率，獲取更多風能，實現(xiàn)風能規(guī)模化利用，一直為學者及業(yè)界所關注。近年來，大型風電機組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤 MPPT 等技術，旨在提高響應速度，獲得最大能量（低風速是捕獲最大功率，高風速時捕獲額定功率） 。但是，由于一些不確定因素的存在，風能轉換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風力機產(chǎn)生的能量隨著風速和風向的連續(xù)波動是快速變化的。傳統(tǒng)線性定?？刂破饕虼嬖谳^大超調和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風電機組。根據(jù)風速大小，風力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個動態(tài)過程構成，即啟動、變速運行、變槳距運行和剎車。其中，啟動、剎車過程使系統(tǒng)能在最短時間內有較快的響應速度；變速運行調節(jié)風能，減少或消除風能產(chǎn)生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負荷的影響；變槳距控制通過調節(jié)槳距角維持風電機組輸出額定功率不變。風車按照風輪軸的不同，可以分為水平軸風車和垂直軸風車。能量驅動鏈（即風輪、主軸、變速箱、發(fā)電機）呈水平方向的，稱為水平軸風車（水平軸風力發(fā)電機，圖 1-1 能量驅動鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風車（垂直軸風力發(fā)電機，圖 2） 。圖 1-1 水平軸風車 圖 1-2 垂直軸風車世界上第 1 臺風電機組于 1891 年在丹麥建成，但由于技術和經(jīng)濟等方面的原因，風力發(fā)電一直未能得到廣泛應用。直到 1973 年發(fā)生了石油危機，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費，采用新技術研制現(xiàn)代風電機組。20 世紀 80 年代開始建立示范風電場。20 世紀 90 年代，許多國家紛紛制定了激勵風力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。1992 年以來，全球風電累計裝機容量的年增長率一直高于 15%，風力發(fā)電技術日臻成熟。2002 年 4 月 2～5 日，首屆世界風能大會在法國巴黎舉行，歐洲和北美風力發(fā)電技術發(fā)展迅速。2006 年，全球已有 48 個政府引入法規(guī)扶持風力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。2008 年年底全球累計風電裝機容量已超過了 120.8GW，相當于減1排 1.58 億噸 CO2。美國風電市場近年來一直保持高速發(fā)展， 2009 年新增風電裝機容量9.92GW，累計風電裝機容量達到 35.16GW，排名世界第 1。我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風力發(fā)電應用的主要市場之一，風能資源豐富，可開發(fā)量為 1400GW。其中，陸上開發(fā)量為 600GW；海上開發(fā)量為 800GW。我國在 20 世紀 50 年代末，使用各種木結構的布篷式風車。20 世紀 70 年代中期以后，風能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。20 世紀 70 年代末到 80 年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了 10kW 以下的小型風力發(fā)電機，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風力發(fā)電停留在蒙古包單家獨戶使用或實驗室研究階段。1983 年，山東引進3 臺丹麥 Vestas 55kW 風力發(fā)電機，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術的試驗和示范；1986 年 5 月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風電場，其次是達坂城風電場。1986～1993 年，全國共建 12 個風電場，裝機容量為 13.3MW；1994～1999 年，全國共建有 21 個風電場，裝機容量達到 249.05MW。其中，1992～1996 年的主力機型為 200～300kW 機組，1997～2002 年的主力機型則為 600kW 機組。2008 年，我國累計裝機容量達到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機容量為 8.94kW。截止到 2009 年年底，我國風電并網(wǎng)總量累計達到 16.13GW，累計裝機容量為 25805.3MW。1.2 風力發(fā)電的背景1.2.1 能源危機能源是人類賴以生存的物質基礎。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質量。全球經(jīng)濟的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機制約了人類進一步發(fā)展。自 20 世紀 50 年代以后，由于石油危機的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟造成巨大影響，國際輿論開始關注世界能源危機問題。全球能源危機的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲量與開采時間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為 1180~1510 億噸，自 1995 年世界石油的開采量 33.2 億噸計算，石油儲量大約在 2050 年左右即將枯竭；天然氣儲量估計 131800~152900m3，年開采量維持在2300 m3，將在 57~65 年內枯竭；煤的儲量約為 5600 億噸，1995 年煤開采量為 33 億噸，可以供應 169 年；鈾的年開采量目前為每年 6 萬噸，據(jù) 1993 年世界能源委員會的估計可維持到 21 世紀 30 年代中期。綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。1.2.2 環(huán)境危機在能源消耗急劇增長，能源危機凸顯的同時，環(huán)境危機也出現(xiàn)了。現(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生 CO2 和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計，按照目前的趨勢，到2030 年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當于把大氣中 CO2 濃度提高到工業(yè)化社會以前 CO2 濃度的兩倍。到 2100 年，溫室效應強度將相當于把大氣中 CO2 濃度提高到工業(yè)化社會以前 CO2 濃度的 3 倍，達到 5000 萬年前的 CO2 濃度水平。能源消費在迅速擴大，已經(jīng)達到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運轉的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動排放的 CO2 等溫室氣體效應造水平軸風力發(fā)電機設計2成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2 密切相關。到 2015 年，世界溫室氣體的排放量將達到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁暮Γ€有海平面的上升。全球氣候的變化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。1.2.3 可再生能源開發(fā)利用目前，如何解決能源危機及其引起的環(huán)境危機成為全球經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題。克服能源危機的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉換和傳輸方便的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機帶來的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國所關注。綠色電力來源于風能、小水電、太陽能、地熱、生物質和其他可再生能源。因為它們在生產(chǎn)的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的排放物。相對于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。全球市場對于這樣的零排放技術有著巨大且持續(xù)增長的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在 2020 年前后達到峰值且開始下降，而風電是目前唯一實現(xiàn)這一目標的發(fā)電技術。1.2.4 風能開發(fā)利用太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā)生自轉，使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能稱為風能。據(jù)估計到達地球的太陽能只有大約 2%轉化為風能，理論上僅 1%的風能就能滿足人類能源的需求。全球的風能總量約為 2.74×106GW，其中可利用的風能總量為 2.74×104GW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。根據(jù)我國 900 多個氣象站陸地上離地 10m 高度資料進行估算，全國平均風功率密度為 100W/m2，風能資源總儲量為 3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量為 600GW，海上可開發(fā)和利用的風能儲量為 800GW，共計約 1400GW。 50m 或更高處可開發(fā)利用的風能儲量為 2000GW。人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機發(fā)明以前，風能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家。12 世紀，風車從中東傳入歐洲。16 世紀，荷蘭人利用風車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風力發(fā)電機械無法與蒸汽機、內燃機和電動機等競爭而逐漸被淘汰。1891 年，丹麥建成了世界第一座風力發(fā)電站。20 世紀 30 年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應用航空工業(yè)的旋翼技術，成功的研制了一些小型風電機組。這種小型風電機組被廣泛運用在多風的海島和偏僻的鄉(xiāng)村，所獲得的電力成本比小型內燃機的發(fā)電成本低很多。不過，當時的發(fā)電量較低，大都在 5kW 以下。1973 年，世界石油危機爆發(fā)以后，風能作為新能源得到重視，世界風力發(fā)電發(fā)展迅速開始加快，各國都在積極研制、開發(fā) 1100kW 以上的大型風電機組。美國在 1974 年開始實施聯(lián)邦風能計劃，20 世紀80 年代成功開發(fā)了 100kW、200 kW、2000 kW、2500 kW、6200 kW、7200 kW 等 6 種風電機組。瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙等國，也根據(jù)各自國家的3情況制訂了相應的風力發(fā)電計劃。在 20 世紀 70 年代中期以后，我國將風能開發(fā)利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發(fā)展。我國風力發(fā)電從 20 世紀 80 年代開始真正起步。20 世紀 70 年代末 80 年代初，我國自主開發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量 10 kW 以下的小型風電機組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986年 5 月，山東榮成建成了我國第一個并網(wǎng)風電場。20 世紀 80 年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風電機組，在、內蒙古的風口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8 座示范性風電場。1.3 風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀（1）風電成本不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風電技術水平，風電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從不同的方面引導和支持風力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過 30 年的努力，隨著市場不斷擴大，風電成本大幅度下降，每千瓦時風電成本由 20 世紀 80 年代初的 20 美分下降到 2007 年的 4~6 美分。在風能資源較好的地方，風電價格完全可以和煤電競爭，低于燃氣電價。（2）裝機容量高速增長根據(jù)全球風能協(xié)會公布的 2003~2007 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風電平均增長率為24.7%。到 2007 年年底，全球總裝機容量累計達到近 94GW，新增風電裝機容量20GW，分別在全球 70 多個國家和地區(qū)。2007 年全球大約生產(chǎn)了 2000 億度風電電力，約占全球電力供應的 1%。按照累計風電裝機容量數(shù)據(jù)排名，2007 年全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。2008 年全球新裝機容量超過 27GW，同比增長 42%，風電裝機增長率為 29%，高于過去 5 年的平均增長速度。2008 年年底，總裝機容量達到了 120.8GW，美國超過德國，躍居全球風電裝機容量首位，同時也成為第二個風電裝機容量超過 20GW 的風電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風電大國。到 2008 年年底，在世界風電累計裝機容量中，已有包括美國、中國、德國、西班牙、印度等在內的 16 個國家超過1GW。在歐盟 2007 年新增發(fā)電裝機容量中，風電開始超過天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的 46%。歐洲 2008 年風電新增裝機容量為 88GW，累計裝機容量達到了 66GW。美國 2007 年新增的風電裝機也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008 年內美國竣工的風電項目容量更是占當年度美國所有新增電力裝機的 42%，新增裝機容量達到 8.34GW，同比增長 157%，累計增長 49.6%，完成新增投資 170 億美元。風電在歐美發(fā)達國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。（3）發(fā)展規(guī)劃20 世紀 90 年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風電，到 2010 年風電裝機容量到 40GW的目標，并要求其成員國根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國的發(fā)展目標與實施計劃。2007 年年初，根據(jù)技術發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進一步修訂了發(fā)展計劃，希望 2010 年風電裝機容量達到 80GW；到 2020 年風電裝機容量達到 180GW，發(fā)電量達到 3600 億kW·h；2030 年風電裝機容量達到 300GW，發(fā)電量達到 6000×108kW·h，分別占屆水平軸風力發(fā)電機設計4時歐盟風電裝機容量和發(fā)電量的 35%和 20%。2006 年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的 4%左右，提高到 2025 年的 25%的發(fā)展目標。美國風能協(xié)會也提出了未來依靠風電滿足國內 20%電力需求的宏偉目標。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風電。1.3.2 國內風電發(fā)展現(xiàn)狀（1）裝機容量2004 年年底，全國的風力發(fā)電裝機容量約為 764MW。2005 年 2 月《可再生能源法》頒布之后，當年風力發(fā)電新增裝機容量超過 60%，總容量達到了 1260GW。2006年新增裝機容量超過 100%，累計裝機容量超過 2.6GW。2007 年又新增裝機容量3.3GW，累計裝機容量達到 5.9GW，超過丹麥，成為世界第 5 風電大國。當年裝機容量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風電市場之一。風電累計裝機容量從 2003 年年末的 567MW 增加到了 2008 年年末的 12.21GW，增加了 205倍。2008 年新增裝機容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國。2009 年新增裝機容量 13.85GW，累計裝機容量為 26GW，總裝機容量躍居世界第 2 位。（2）風電設備制造能力風電設備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005 年之前，我國只有少數(shù)幾家風電設備制造商，它們規(guī)模小、技術落后，風電場建設主要依賴進口風電整機。 《開再生能源法》頒布后，風電整機制造企業(yè)已超過 40 家。除金風科技和浙江運達加大投入、迅速擴張之外，東方汽輪機、華銳風電、中國船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國內外大型制造業(yè)和投資商紛紛進入我國風電設備制造業(yè)市場。（3）風電技術研發(fā)“九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風計劃”和“國家科技攻關計劃” ，以及國債項目和風電特許權項目，支持建立了首批 6 家風電整機企業(yè)，進行風電技術的引進和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機容量 600kW 和 750 kW 定槳距風電機組的總裝技術和關鍵部件設計制造技術，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。 “十五”期間，還開展了 1000 kW、1500 kW 變速恒頻風電機組，以及 1200 kW 永磁直驅風電機組的研發(fā)與聯(lián)合攻關，取得階段性成果。經(jīng)過“十五”期間的自主研究和技術引進，我國已基本掌握了以雙饋發(fā)電機為代表的變速恒頻風電機組的控制技術，研制成功兆瓦級風電機組樣機。我國風電技術與國外風電技術的差距正在不斷縮小。1.4 國內外風電機技術發(fā)展趨勢縱觀世界風電技術現(xiàn)實和前沿技術的發(fā)展，目前全球風電技術發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點：1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢2009 年，世界排名前十位的風電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 78.7％的市場份額，世界排名前十五位的風電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 88.1％的市場份額，丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國 ENERCON、中國金風這前 5 家企業(yè)，就占據(jù)了國內5外 49.8％市場份領?？梢钥闯觯菏澜顼L電機組制造企業(yè)形成了由十多家大型風電機組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。近幾年，風電設備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購愈演愈烈。法國阿?，m集團收購-Multibrid；丹麥的 Vestas 公司兼并 NEG。Micon 公司；美國 GE 公司收購了德國安然風電公司；Siemes 公司收購了丹麥 AN/Bonus 和德國 winergy AG 公司；印度Suzlon 公司控股了 Repower 公司；金風科技收購了德國 Vensys 公司；湘電股份 1000萬歐元收購荷蘭達爾文公司；中復連眾收購了德國 NOI 公司；中航惠騰 2009 年收購了荷蘭 CTC 葉片公司；美國 GE 公司與哈電集團合資成立了通用哈電風能（沈陽）公司和哈電通用風能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個大公司相當于多個公司的集成。1.4.2 水平軸風電機組技術成為主流水平軸風電機組技術，因其具有風能轉換效率高、轉軸較短，在大型風電機組上更顯出經(jīng)濟性等優(yōu)點，使水平軸風電機組成為世界風電發(fā)展的主流機型，并占到 95％以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風電機組因轉軸過長、風能轉換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應用數(shù)量有限，但由于其全風向對風、變速裝置及發(fā)電機可以置于風輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。1.4.3 風電機組單機容量持續(xù)增大近年來，世界風電市場中風電機組的單機容量持續(xù)增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機型已經(jīng)從 2000 年的 500-1000kW 增加到 2009 年的 2-31VM。我國主流機型已經(jīng)從 2005 年的 600-1000kW 增加到 2009 年的 850-2000kW， 2009 年我國陸地風電場安裝的最大風電機組為 2MW。近年來，海上風電場的開發(fā)進一步加快了大容量風電機組的發(fā)展，2008 年底世界上已運行的最大風電機組單機容量已達到 6MW，風輪直徑達到 127m。目前，已經(jīng)開始 8-10MW 風電機組的設計和制造。我國華銳風電的 3MW 海上風電機組已經(jīng)在上海東海大橋海上風電場成功投入運行， 5MW 海上風電機組已在 2010 年 10 月底下線。目前，華銳、金風、東汽、國電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制 5MW 或6MW 的大容量風電機組。1.4.4 變槳變速功率調節(jié)技術得到廣泛采用由于變槳距功率調節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點，近年在大型風電機組上得到了廣泛采用。結合變槳距技術的應用以及電力電子技術的發(fā)展，大多風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術，并開發(fā)出了變槳變速風電機組，使得在風能轉換上有了進一步完善和提高。2009 年，在全球所安裝的風電機組中有 95％的風電機組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國 2009 年安裝的 MW 級風電機組中，也全部是變槳距機組。2MW 以上的風電機組大多采用三個獨立的電控調槳機構，通過三組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環(huán)控制。1.4.5 雙饋異步發(fā)電技術仍占主導地位以丹麥 Vestas 公司的 V80、 V90 為代表的雙饋異步發(fā)電型變速風電機組，在國際水平軸風力發(fā)電機設計6風電市場中所占的份額最大。德國 Repower 公司利用該技術開發(fā)的機組單機容量已經(jīng)達到 5MW。西門子公司、德國 Nordex 公司、西班牙 Gamesa 公司、美國 GE 風能公司和印度 Suzlon 公司都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風電機組， 2009 年新增風電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風電機組仍然占 80％以上。目前，歐洲正在開發(fā) 10MW 的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風電機組。我國內資企業(yè)華銳風電、東方氣輪機、國電聯(lián)合動力、廣東明陽等企業(yè)也在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風電機組。2009 年我國新增風電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風電機組仍然占 82％以上。目前，我國華銳風電研發(fā)的 3MW 的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風電機組已經(jīng)投入運行。1.4.6 大型風電機組關健部件的性能日益提高隨著風電機組的單機容量不斷增大，各部件的性能指標都有了提高，國外己研發(fā)出 3000V-12000V 的風力發(fā)電專用高壓發(fā)電機，使發(fā)電機效率進一步提高；高壓三電平變流器的應用大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達到 98％以上；某些公司還對槳葉及變槳距系統(tǒng)進行了優(yōu)化，如德國 ENERCON 公司在改進槳葉后使葉片的 Cp 值達到了 0.5 以上。從 2007 年胡蘇姆風能展的情況看，歐洲風電設備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了基礎。我國在大型風電機組關鍵部件方面也取得明顯進步，如南京高速齒輪箱廠、重慶齒輪箱廠、大重減速機廠、杭州前進齒輪箱廠和德陽二重等主要齒輪箱制造企業(yè)生產(chǎn)的大型風電機組齒輪箱，供貨能力充足，質量已有明顯提高；保定惠騰、連云港中復連眾和中材科技已能生產(chǎn)長達 48.8m，與 3 兆瓦風電機組配套的大尺寸葉片，蘭州電機廠生產(chǎn)的發(fā)電機等產(chǎn)品質量都有很大提高。從 2009 年上海第四屆風能展的情況看，我國風電設備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎。我國在某些基礎結構件、鑄鍛件等領域已經(jīng)具有優(yōu)勢，不僅能滿足國內市場需求，而且已經(jīng)向國際市場供貨。北京科諾偉業(yè)能源科技有限公司、合肥陽光電源有限公司、北京清能華福風電技術有限公司、天津瑞能電氣、龍源電氣、九州電氣和禾旺電氣等 10 多家企業(yè)已具備兆瓦級風電機組變流器研發(fā)、生產(chǎn)和供貨能力。1.4.7 智能化控制技術提高了風電機的可靠性和壽命鑒于風電機的極限載荷和疲勞載荷是影響風電機組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來，風電機制造廠家與有關研究部門積極研究風電機的最優(yōu)運行和控制規(guī)律，通過采用智能化控制技術，與整機設計技術結合，努力減少和避免風電機組運行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風電控制技術的主要發(fā)展方向。1.4.8 葉片技術發(fā)展趨勢隨著風電機組尺寸的增大，葉片的長度也變得更長，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設計的主要思路是增加葉片的剛度。為了減少重力和保持頻率，則需要降低葉片的重量。好的疲勞特性和好的減振結構有助于保證葉片長期的工作壽命。額外的葉片狀況檢測設備將被開發(fā)出來并安裝在風電機組上，以便在葉片結構中的裂紋發(fā)展成致命損壞之前或風電機組整機損壞之前警示操作者。對于陸上風電機組7來說，不久這種檢測設備就會成為必備品。為了增加葉片的個剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長度大于 50 米的葉片上將廣泛使用強化碳纖維材料。為了方便兆瓦級葉片的道路運輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。例如德國Enercon 公司的 E126 6MW 風電機組的葉片由內、外兩段葉片組成，靠近葉根的內段由鋼制造，外包玻璃鋼殼體形成氣動形狀表面。智力材料例如壓電材料將被使用以使葉片的氣動外形能夠快速變化。為了減少葉片和整機上的疲勞負荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場。熱塑材料的應用：LM Glasfibre 公司正開展一項耗資 8 百萬歐元的研究項目，目的是用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲去制造葉片。一旦這種紗絲鋪進模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會融化，并將紗絲轉化為合成材料，這可能會使葉片生產(chǎn)時間縮短 50%。1.4.9 風電場建設和運營的技術水平日益提高隨著投資者對風電場建設前期的評估工作和建成后運行質量的越來越高的要求，國外已經(jīng)針對風資源的測試與評估開發(fā)出了許多先進測試設備和評估軟件。在風電場選址，特別是選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的應用軟件。在風電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設計上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對風電機組和風電場的短期及長期發(fā)電量預測做了很多研究，取得了重大進步，預測精確度可達 90％以上。1.4.10 惡劣氣侯環(huán)境下的風電機可靠性得到重視由于中國的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺風、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點，惡劣氣候環(huán)境已對風電機組造成很大的影響，包括增加維護工作量，減少發(fā)電量，嚴重時還導致風電機組損壞。因此，在風電機組設計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風電機組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，今年來中國的風電機組研發(fā)單位在防風沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風、防鹽霧等方面著手進行了研究，以確保風電機組在惡劣氣候條件下能可靠運行，提高發(fā)電量。1.5 小結隨著能源危機程度的加深，世界各國都在加大風能利用和開發(fā)，尤其是我國能源耗費相對較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。針對我國風力發(fā)電面臨的問題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對研發(fā)的投入，隨著國家對風電的重視，可再生能源法及實施辦法出臺，相信我國的風電發(fā)展將會快步前進。為了可持續(xù)發(fā)展，我國的風電發(fā)展產(chǎn)業(yè)需要借鑒其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗教訓，要重質量，講效益，走集約發(fā)展路線，創(chuàng)造和諧發(fā)展藍圖。水平軸風力發(fā)電機設計8控制與安全系統(tǒng)一次能源轉換單元 機械能傳遞單元 發(fā)電單元第 2 章 發(fā)電機的工作原理及基本結構2.1 風電機的功能單元的劃分風力發(fā)電機是一種復雜的機電一體化設備。從能量轉換角度看，此類設備大致包括 2-1 所示的幾個功能單元。其中，一次能源轉換單元的主要功能是將風能轉換為旋轉機械能；機械能傳遞單元的主要作用是傳動與制動；發(fā)電單元將旋轉機械能轉換為電能，同時提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實現(xiàn)對風電機起、停機和發(fā)電等運行過程的控制，并保證風電機在任何狀態(tài)下的安全性。圖 2-1 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構成（1）一次能源轉換單元風能是風力發(fā)電的一次能源，相應的能量轉換單元是風電機組的核心部分，包括風輪、功率控制（調速）等部件。風輪是風電機組能量轉換單元的關鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應的功率控制機構組成。一次能源轉換單元的主要功能是將風能轉換為旋轉機械能（轉矩） ，再通過風輪軸驅動與之連接的機械能傳遞單元和發(fā)電單元。（2）機械能傳遞單元機械能傳遞單元也可簡稱為風電機組的傳動鏈，連接風電機組的一次能源轉換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機構等。一般大型風電機組的風輪設計轉速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機的轉速滿足并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元的需要。同時，機械能傳遞單元還要設置可靠的制動機構，以保證風電機組的安全運行。（3）發(fā)電單元發(fā)電單元一般由發(fā)電機和必要的電功率轉換系統(tǒng)構成。并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，將風輪產(chǎn)生的旋轉機械能轉換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉換系統(tǒng)，應能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。（4）控制與安全系統(tǒng)該系統(tǒng)主要功能可分為風電機組運行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風電機組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風電機組的正常和安全運行；同時又要保證風電機組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機，以預防或減輕損失。此外，風電機組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結構，如機艙、塔架等；多數(shù)風電機組需要設置對風（也稱偏航）裝置，以保證風輪能夠更好的獲取風能。2.2 風電機組的工作原理9在風力發(fā)電機組中，存在著兩種物質流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機組完成發(fā)電功能。風力發(fā)電機組的工作原理如圖 2-2 所示。電網(wǎng)風 M 1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 轉速測量風力發(fā)電機 調速風速、風向 功率測量圖 2-2 風電機的工作原理2.2.1 能量流當風以一定的速度吹向風力發(fā)電機時，在風輪上產(chǎn)生的力矩驅動風輪轉動。將風的動能變成風輪旋轉的動能，兩者都屬于機械能。風輪的輸出功率為（1-11PM?=1）式中 P 1——風輪的輸出功率，單位為 W；M1——風輪的輸出轉矩，單位為 N·m；?1——風輪的角速度，單位為 1/s.風輪的輸出功率通過主傳動系統(tǒng)傳遞。主傳動系統(tǒng)可能使轉矩和轉速發(fā)生變化，于是有（1-2）2211P== h式中 P 2——主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W；M2——主傳動系統(tǒng)的輸出轉矩，單位為 N·m；?2——主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s；1h——主傳動系統(tǒng)的總效率。主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機把機械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機的輸出功率為（1-3 2cosNNPUIPj==h3）式中 P 3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是 W；控制系統(tǒng)偏航系統(tǒng)主傳動系統(tǒng) 制動裝置 發(fā)電系統(tǒng)測風系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機設計10UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是 V；IN——流過定子繞組線電流，單位是 A；cos ——功率因數(shù)；jh2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。2.2.2 信息流信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過程控制和安全保護。過程控制包括起動、運行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機組零部件突然失效時應該緊急停機。風速、風向、風力發(fā)電機的轉速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時對輸入信息進行加工和比較，及時的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。對于變槳距風向，當風速大于額定風速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風輪葉片的槳距角，從而控制風電機組輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變葉片的槳距角。對于變速型風機，當風速小于額定風速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風的大小發(fā)出改變發(fā)電機轉速的指令，以便使風力發(fā)電機最大限度的捕獲風能。當風輪的軸向和風向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風輪軸的指向，使風輪始終對準來風方向。當需要停機時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實現(xiàn)制動。實際上，在風電機組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實現(xiàn)相應的控制功能。2.3 風力發(fā)電機的基本結構2.3.1 風輪風輪是由葉片和連接葉片和發(fā)電機的輪轂組成。其功能是將風能轉換為機械能。葉片采用三片，葉片的材料選用玻璃鋼，它是由環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強塑料。其強度高，重量輕，耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，其他部分填充泡沫塑料。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風力機驅動的對象。112.3.2 輪轂風力機葉片都要裝在輪轂上，通過輪轂與主軸連接，并將葉片力傳到風力機驅動的對象（發(fā)電機） 。同時輪轂也實現(xiàn)葉片槳距角控制，故需要有足夠的強度。有些風力機采用槳距角葉片結構，可以簡化結構、提高壽命和降低成本。輪轂是用鑄鐵或者鋼板焊接而成。鑄鋼在加工前要對其進行探傷，決不允許有夾渣、縮孔、砂眼、裂紋等缺陷。焊接的輪轂，其焊接必須經(jīng)過超生波檢查，并按槳葉可能承受的最大離心力載荷確定鋼板的厚度。此外，還要考慮交應變力引起的焊接縫疲勞。2.3.3 主軸主軸也稱低速軸。大中型風力電機組由于其葉片長、重量大，所以為了使槳葉的離心力與葉尖的線速度不至于太大，其轉速一般小于 50r/min，因此，主軸承受的扭矩較大。大中型風力發(fā)電機組主軸材料可選用 40Cr 或其他高強度的合金鋼，必須經(jīng)過調質處理，保證鋼材在強度、塑性、韌性 3 個方面都有較好的綜合機械性能，在設計加工圖時，必須注明這一技術要求。2.3.4 齒輪箱齒輪箱是風力發(fā)電機組中關鍵零部件。齒輪箱由齒輪副、箱體和軸承、密封裝置、潤滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風力機工作在低轉速下，而發(fā)電機工作在高轉速下，為了實現(xiàn)風力機與發(fā)電機匹配，采用增速齒輪箱。在風力發(fā)電機組中，對齒輪箱的要求非常嚴格，不僅體積小、重量輕、效率高，而且要承載能力大、起動力矩小、壽命長。齒輪箱分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。定軸線齒輪結構簡單，維護容易，造價低廉。行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、質量小、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點，缺點是結構相對較復雜，造價高。 2.3.5 發(fā)電機發(fā)電機也是風力發(fā)電機組中關鍵零部件，它的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。發(fā)電機可選用同步發(fā)電機，同步發(fā)電機是目前使用最多的一種發(fā)電機，同步發(fā)電機的定子與異步發(fā)電機的相同，由定子鐵心和三相定子繞組組成；轉子由轉子鐵心、轉子繞組（即勵磁繞組） 、集電環(huán)和轉子軸等組成，轉子上的勵磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場。為了便于起動，磁極上還一般裝有籠型起動繞組。同步發(fā)電機的工作原理：在風力發(fā)電機的拖動下，轉子（含磁極）以轉速 n 旋轉，旋轉的磁場切割定子上的三相對稱繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為 f1 的三相對稱的感應電動勢和電流輸出，從而將機械能轉化為電能。由定子繞組中的三相對稱電流產(chǎn)生的定子旋轉磁場的轉速與轉子轉速相同，即與轉子磁場相對靜止。因此，發(fā)電機的轉速、頻率和極對數(shù)之間有著嚴格不變的固定關系，即：f1=pn/60=pn1/602.3.6 偏航系統(tǒng)偏航系統(tǒng)包含偏航軸承，偏航軸承能承載機組中主要部件的重量，并傳遞氣動推水平軸風力發(fā)電機設計12力到塔架。主動偏航的偏航軸承中含有齒圈，偏航驅動機構中的小齒輪與之嚙合，驅動底板轉動。偏航驅動機包括電機、減速器、驅動小齒輪等。減速后使小齒輪低速增扭。主動偏航的一個問題是，斷續(xù)的偏航運動使偏航齒輪易磨損或斷齒。為了減緩沖擊，設置偏航剎車，在不偏航時制動。主動偏航系統(tǒng)的偏航運動是由偏航誤差控制的，當偏航誤差超過一定時間段允許的范圍時，偏航開始啟動！用調速器與限速裝置實現(xiàn)風力機在不同風速時，轉速恒定和不超過某一最高轉速限值。當風速過高時，這些裝置還可用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速器和限速裝置有三類：偏航式、氣動阻力式和變槳距角式。本風力發(fā)電機主要采取如圖所示的主動偏航式調速裝置，用于上風式風輪機，利用電機驅動。2.3.7 對風裝置自然界的風，不論是速度還是方向，都經(jīng)常發(fā)生變化。對于水平軸風力機，為了得到最高的風能利用效率，應使風輪的旋轉面經(jīng)常對準風向，為此，需要對風裝置。一些典型的對風裝置，使用尾舵控制對風的最簡單的方法，小型風力機多采用這種方式。在風力機兩側裝有控制方向的舵輪，多用于中型風力發(fā)電機。2.3.8 塔架和基礎塔架的功能是支撐位于空中的風力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與基礎相連接，承受風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種載荷，同時傳遞這些載荷到基礎，使整個風力發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。塔架的剛度要適度，其自震頻率要避開運行頻率的整數(shù)倍。塔架按結構不同可分為拉索式、桁架式、錐筒式塔架，本設計采用錐筒式塔架。2.3.9 附屬部件附屬部件包括機艙、機座、回轉體以及制動裝置等，下面分別簡要介紹。（1）機艙風力機常年在野外運轉，不但要經(jīng)受狂風暴雨的襲擊，還時刻面臨塵沙磨損和鹽霧侵蝕的威脅。為了使塔架上方的主要設備及附屬部件（槳葉及尾舵或舵輪除外）免受風沙、雨雪、冰雹以及鹽霧的直接侵害，往往用罩殼把他們密封起來，這罩殼就是“機艙” 。田園一號風力發(fā)電機機艙設計的的輕巧、美觀并帶有流線型，它是由重量輕、強度高而又耐腐蝕的玻璃鋼制作，并在金屬機艙的面板上相間敷以玻璃布與環(huán)氧樹脂保護層。（2）機座機座用來支撐塔架上方風力機的所有設備及附屬部件，它牢固與否直接關系到整機的安全和使用壽命。機座的設計要與整機布置統(tǒng)一考慮，在滿足強度和剛度要求的前提下應力求耐用、緊湊、輕巧。尤其像田園一號這種中型風力機的機座是由縱梁、橫梁為主，再輔以臺板、腹板、肋板等焊接而成。焊接時必須嚴格根據(jù)焊接工藝施焊，并采取必要的技術措施以減少變形。主要焊接需經(jīng)探傷檢查，決不允許有未融合、未焊透，更不得有裂13紋、夾渣、氣孔等缺陷。（3）回轉體回轉體是機座與塔架之間的連接件。它是由固定套、會轉圈以及位于他們之間的軸承組成。固定套鎖定在塔架上部，而回轉圈則與機座相連。當風向變化時，風力機就能繞其回轉而自動迎風。（4）制動裝置制動裝置也稱剎車機構，是風力機非常重要的附屬部件，它可以保證風力機在維修或大風期間風輪處于制動狀態(tài)。水平軸風力發(fā)電機設計14第 3 章 風電發(fā)電機主要零件的設計計算風電機組設計所涉及的學科領域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設計技術積累和豐富的設計實踐經(jīng)驗是保證大型風電機組設計質量的必備條件。3.1 確定設計目標與所有大型裝備的設計相似，首先需要明確所設計風電機組的設計目標。比如，并網(wǎng)大功率機組與偏僻地區(qū)的小型單機設計需求明顯不同。因此，針對設計需求，應考慮合理的機組功能構成、電機類型、控制方式、運輸和安裝方式等影響機組性能指標的主要因素。例如 ， 陸上風電場所需的大型機組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運輸、安裝、運行和維修。近海風力發(fā)電機組的運行環(huán)境（如風況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎和運輸方式需要重點考慮。此外，檢修、維護不便，對可靠性有更高的要求。3.1.1 風力機總體設計方案風電機組是比較復雜的機電裝備,且要求較好的性價比?？傮w設計是平衡這些關系的重要設計過程 ， 在某種意義上來說 ，總體設計可以決定整個設計過程的成敗 。由于風電機組由多個功能子系統(tǒng)組成 ，機組總體設計與各部件或子系統(tǒng)的功能設計密切相關 ，以針對風輪部件的總體設計為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動性能、結構強度、制造工藝與成本等多方面的設計內容，而這些設計目標很難同時達到，需要權衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風電機組發(fā)展的主要動力和研究熱點 ，如何根據(jù)設計目標并結合工程經(jīng)驗，在這些復雜因素之間取得平衡關系，滿足盡可能高的設備性價比要求，是風電機組總體設計的關鍵所在。以下簡要介紹風電機組總體設計的主要任務與大致步驟:（1）風電機總體設計方案①總體氣動布局方案設計隨著風電機單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設計逐漸成為風電機組設計重要方面。此階段的任務主要包括對風場的風況分析，有針對性地對各類可行的功能構成形式和氣動布局方案進行比較和選擇，并結合機組性能和氣動特性的分析和仿真技術，初步確定整機的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關的分析計算報告。②風電機總體參數(shù)設計風電機組氣動設計前須首先確定總體參數(shù)，如風輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設計風速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設計的基本要求是發(fā)電成本最低、機組載荷最小，發(fā)電量多且滿足電源品質要求。③風電機的總體結構布局設計此階段是需要從風電機的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設備的布置形式與技術要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術組成、原理分析、結構形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結構承力構件布置、承載形式和傳力路線進行分析，選擇合理的設計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設計界面，保證總體設計的質量。④載荷分析與風電機組基本性能的預評估15在設計初期，必須對載荷作預評估，以準確確定風電機組的結構設計依據(jù)。風電機組應能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風輪及其葉片，且風輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關設計標準，結合具體的風電機組運行工況要求，對所有載荷都應予以仔細分析評估。⑤各部件和子系統(tǒng)的設計方案根據(jù)整機總體結構方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結構形式、參數(shù)及附件的選擇等設計工作。設計有關部件的結構方案模型圖和有關系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關的報告和技術說明。⑥配套附件選擇和確定整機配套附件和備件等設備，對新研制的部件要確定技術要求和協(xié)作關系。提交協(xié)作及采購清單等有關文件。總體設計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗，以求總體設計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎上，避免以后出現(xiàn)不應有的重大反復，導致設計的失誤和延期。上述總體設計的各階段屬于靜態(tài)設計，設計結果是：風電機組總體設計方案圖、總體布置圖和設計計算報告、風電機性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術要求與設計示意圖、系統(tǒng)原理圖。（2）風電機結構動力學分析在初步完成風電機組總體設計的基礎上，需要進一步對風電機組動特性進行詳細的分析。動特性分析屬于風電機組結構動力學研究范疇，主要涉及動載荷分析、振動及結構動特性分析等方面的內容。①動載荷問題作用于風輪葉片上的周期性氣動和機械載荷會引起葉片等構件的動態(tài)響應，而此響應反饋于外部氣動負荷。因此，這實質上是一種流固耦合響應問題，對風輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。同時，葉片等構件的動負載將合成為風輪的動負載，也是風電機振動的主要振源。②振動風電機組的運行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，風輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)及其支撐結構等零部件的設計都必須考慮振動問題。振動會引起結構的損傷或破壞，影響設備的可靠性和可用性。③穩(wěn)定性風電機組載荷存在復雜的耦合關系，可能會導致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。在風電機組發(fā)展史上，運行中風輪與其他機體耦合的結構不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴重的后果。風輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振） 、變距/ 擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。（3）風電機組的可靠性設計風電機組可靠性量化指標，通常以其可利用率來度量。此種量化指標屬于廣義可水平軸風力發(fā)電機設計16靠性范疇，因其同時包括了風電機組可靠性和可維修性等方面的內容。因此，可利用率實際上是一種反應風電機組固有可靠性和運行管理可靠性的綜合度量指標。3.1.2 風力機零件設計方案（1）風電機組部件結構方案設計根據(jù)確定的總體氣動布局、總體技術參數(shù)、設計載荷以及風電機組的初步結構方案，開展子系統(tǒng)和部件具體結構的設計。這些子系統(tǒng)或主要的部件有：風輪（包括詳細的葉片結構、輪轂、變槳距機構等） 、主傳動鏈（包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置等） 、發(fā)電機系統(tǒng)、機艙和主機架、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎等。（2）設計準則風電機組的零部件很多，相應的結構設計應根據(jù)具體的設計要求，參照合理的設計準則進行詳細的設計與校核。其中，有些部件（或構件）應采用剛度設計、強度校核的準則；有些則應首先考慮強度要求，并進行必要的剛度分析。（3）零部件強度與剛度分析①結構的極限強度設計極限強度設計的基本準則是在極端載荷作用下，保證構件的應力不超過材料許用應力，避免發(fā)生靜載破壞。對于載荷的波動情況，一般需要通過增加許用安全系數(shù)加以解決。②構件剛度分析構件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。實際上，構件的剛度分析與強度設計有密切聯(lián)系，應根據(jù)主要構件的具體工況條件和設計要求，考慮合理的剛度指標，并結合強度分析使設計達到優(yōu)化。③結構疲勞強度設計疲勞破壞是影響承受交變載荷構件的設計壽命的主要失效形式之一。有鑒于風電機組的循環(huán)和隨機載荷作用條件，許多構件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細分析主要零部件在風電機組壽命期內的循環(huán)應力值和循環(huán)次數(shù)。④零部件的工程詳圖設計根據(jù)風電機組總體與部件結構設計方案，可以開展風電機組的工程詳圖設計根據(jù)主要構件的具體工作。設計中需要解決設備總體和零部件的裝配、加工等具體技術問題，提供詳細的設計技術文件，形成設備制造工程的基礎。3.2 風力發(fā)電機設計中的相關理論及概念葉片是風車結構中最重要的，也是受力最復雜的部件。風車運行在隨時變化的自然環(huán)境中，受力情況復雜，風車葉片的設計是風車設計的。葉片是風車吸收風能的部件，業(yè)是主要的受力部件。設計優(yōu)良的葉片能夠很好的控制載荷，同時最大幅度的提高風車的效率。因此，對風車葉片的設計顯得尤為重要。3.2.1 風力機氣動設計理論基礎貝茨（Betz ）理論世界上第一個關于風力機風輪葉片接受風能的完整的理論是 1919 年由 A·貝茨17（Betz ）建立的。貝茨理論的建立，是假定風輪是“理想”的，全部接受風能（沒有輪毅） ，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風輪軸線的） ，這時的風輪稱“理想風輪” 。分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風輪葉片所做的功。設風輪前方的風速為 v1,v 是實際通過風輪的風速。v2 是葉片掃掠后的風速，通過風輪葉片前風速面積 s1,葉片掃掠面的風速面積 s 及掃掠后風速面積 s2。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能.如圖 3-1 所示。v1---葉片前的風速；v--風經(jīng)過葉片時的速度；v2--風經(jīng)過葉片后的速度；S1--葉片前的風速的面積；S--風經(jīng)過葉片時的面積；S2--風經(jīng)過葉片后的面積，于是1svsv=風作用在葉片上的力由歐拉定理求得：F=ρsv（v2-v1） 圖 3-1 貝