水平軸風力發(fā)電機的設計【功率為1500KW】

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選題的內(nèi)容概述：設計內(nèi)容包括小型風力發(fā)電機所處的環(huán)境進行分析，對小型風力發(fā)電機各部分結(jié)構(gòu)進行設計，并對關鍵部位進行應力計算，載荷計算及校核。同時進行三維建模及裝配設計。選題的目的及意義：面對日益增長的能耗需求和環(huán)保方面的壓力，世界各國都在加大新能源的開發(fā)力度。清潔無污染、綠色環(huán)保的可再生能源是當今世界能源開發(fā)的焦點。風能是可再生清潔能源中最具代表性的一種，它對保護環(huán)境和維持生態(tài)平衡，以及減少對常規(guī)能源依賴和改善能源結(jié)構(gòu)都有重要意義。風能開發(fā)的重點是利用風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換成電能。水平軸風力機是風能利用中最主要的形式。據(jù)統(tǒng)計，截止2010年全國大約還有530萬無電用戶，其中大部分集中在偏遠地區(qū)，居住相對分散，如果采用常規(guī)電網(wǎng)來供電，從經(jīng)濟效益上是不行的。相對于其他能源，風能還具有以下優(yōu)勢:風能是一種潔凈的無污染能源，不存在燃煤、燃油的環(huán)境污染問題，不會引起因為過量的排放二氧化碳等氣體所造成的溫室效應，不存在核電放射性廢料對人類的威脅。風力電場建設周期短，裝機規(guī)模靈活，既可單臺安裝，也可以多臺安裝。建設一般規(guī)模的風電廠只需半年到一年的時間，而大型燃煤火電站、大型水電站以及核電站的建設周期則需要三到十年的時間。風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高。和火電相比，它不存在建設廠房、煤的運輸、鍋爐除灰等問題;和水電相比，它不存在修筑水壩、淹沒土地以及大規(guī)模移民等問題。風力發(fā)電不消耗燃料，無三廢處理問題，風電價格已經(jīng)達到電力市場可以接受的程度。在我國隨著風力發(fā)電機國產(chǎn)化的進程，發(fā)電成本正在逐步下降。因此，從經(jīng)濟效益看，風力發(fā)電也具有較強的競爭力。風力發(fā)電機組安裝分散，占地面積少，控制系統(tǒng)與塔架安裝在一起，總占地面積僅僅為風電場總面積的1%，其他大部分的土地仍可供農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)使用，基本上不影響風電場以及周圍的生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，截止2010年全國大約還有530萬無電用戶，其中大部分集中在偏遠地區(qū)，居住相對分散，如果采用常規(guī)電網(wǎng)來供電，從經(jīng)濟效益上是不行的。此外一些偏遠的農(nóng)場、牧場、林場以及部分工廠，由于距供電線路較遠，假設新的供電新路成本抬高，只有采用獨立的風力供電系統(tǒng)才能解決供電問題。此外，近年來，各大城市在電力緊張時，采用拉閘限電的方式解決供電不足的問題，給居民生活造成很大不便，采用小型風力供電系統(tǒng)對城市供電進行補充可以帶來可觀的經(jīng)濟效益。由此可以看出小型風車有著巨大的市場前景。選題的相關研究現(xiàn)狀：隨著風電技術(shù)不斷進步和風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，風電成本一直呈下降趨勢，從19811995年，世界風電成本己由15.8歐分/度電下降到5.7歐分/度電，目前風電成本約為4歐分/度電左右，在過去5年中，風電成本下降約20%。如果在常規(guī)能源電價中，考慮了因污染環(huán)境而發(fā)生的外部附加成本之后，那么風能是目前最具有與常規(guī)能源競爭的可再生能源。歐洲和美國等這些風電技術(shù)比較發(fā)達的國家，不論是政府還是企業(yè)自身都投入大量的資金用于風電技術(shù)的改進和發(fā)展。世界的風電技術(shù)都取得了長足進步，設計、制造技術(shù)也日益成熟，產(chǎn)品進入商品化階段，功率發(fā)展成大功率兆瓦級。一方面風力機廠家為了滿足市場需要開發(fā)不同類型的風力機，如低溫型、高原型、海上風機等，另一方面在與傳統(tǒng)能源競爭中，風電越來越注重降低成本以增加其競爭力。所以，目前的態(tài)勢是機組單機容量的大型化，而同時單位成本卻逐年減少。近年來，風力機仍以發(fā)展水平軸為主，雖然垂直軸有全風向、變速裝置及發(fā)電機可以置于地面等優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)軸過長、轉(zhuǎn)換效率不高還是制約了其發(fā)展;其次通過齒輪箱多級變速驅(qū)動風電機組依然是目前風電市場上的主流產(chǎn)品，變速變槳距雙饋恒頻是大型風電機組的主要模式?，F(xiàn)在也出現(xiàn)了直驅(qū)電機組，因為其部件少減少傳動鏈損失和停機時間，以及維護費用低等優(yōu)點在市場上占有越來越大的份額闊。一些歐洲國家，如丹麥、德國和英國等，風力發(fā)電正由陸地走向海洋，這也成為今后風力發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。在空氣動力學方面最重要的是進行新型翼型、葉片和風輪的設計與研究，以捕獲更多的風能。據(jù)說美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)了一種新型葉片，試驗表明:新型葉片比早期的風力機葉片捕獲的風能要大20%以上。還有采用柔性葉片也是一個發(fā)展方向工，利用新型材料(如新型工程塑料等)進行設計制造葉片，變風況時能達到改善空氣動力學性能，這樣增加葉片的可靠性和風能的有效利用。另外，還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置，如葉片上的副翼，它能夠簡單有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，比機械剎車更可靠，并且能降低費用。因為風能技術(shù)是一項高新技術(shù)、它涉及到氣象學、空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、材料力學、機電工程、電氣工程、環(huán)境科學等學科和專業(yè)。我國這方面起步又晚，我國風能發(fā)展中技術(shù)創(chuàng)新還很薄弱，除小型的風電機組，很少有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，因此很大程度上還要從國外引進技術(shù)?？傮w來說還處于跟蹤和引進國外的先進技術(shù)階段，而且個別引進的技術(shù)并不實用。就是某些引進的許可證，有的是國外淘汰技術(shù)，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠的技術(shù)、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能大打折扣。為了早日實現(xiàn)風電機組的國產(chǎn)化，國家投入大量的財力、物力和人力，早在“八五”“九五”期間，我國將風能利用列入了國家重點科技攻關項目，并組織了多家科研單位進行攻關，取得了一定成績側(cè)。此外，在風力發(fā)電機組的制造水平上，我國己經(jīng)成為國際主流機型的兆瓦級機組主要市場。國外的很多知名風電制造商紛紛在中國設立分廠，或者和中方合作開發(fā)風機。我國在上世紀的也曾經(jīng)由政府有關技術(shù)與產(chǎn)業(yè)部門組織并投資研究風力發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)。首先從國外引進原裝產(chǎn)品、技術(shù)資料和圖紙，消化吸收并與外方合作建立試驗性的風電場，更主要的是組織科研所、高校及工廠獨自研究與開發(fā)風力發(fā)電機組。但由于我國技術(shù)儲備不夠雄厚，或因研究方法不夠科學，以致現(xiàn)在的很多大型機組仍然是依靠進口，或者是購買國外許可證，按照國外圖紙加工生產(chǎn)，所以我國大型風力機技術(shù)的還有很長的路要走。在風力機槳葉設計和制造技術(shù)方面我國也遠遠落后于國外先進廠家，作為風力機國產(chǎn)化主要關鍵技術(shù)的葉片設計和制造技術(shù)沒有完全掌握，葉片的設計和制造材料還需要從國外引進，葉片多數(shù)為仿制，生產(chǎn)工藝也不完全過關。風力機設計和制造技術(shù)還是與世界先進制造商的技術(shù)水平有一定的差距。為了提高機組利用率和可靠性，趕上世界先進水平，發(fā)展我國自己的風電事業(yè)，對于風力機的設計方法進行研究非常有必要，這樣才能開展其它一系列工作。本本 科科 生生 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 （設設 計計 ）開開 題題 報報 告告 選題在哪些方面有所進展和創(chuàng)新：在以往的設計中，主要是對入網(wǎng)式大型風力發(fā)電機進行研究。本課題選取的是對民用小型風力發(fā)電機進行設計，將風力發(fā)電機簡便輕捷運用在日常生活中。并且在風力發(fā)電機運動中加入了偏航系統(tǒng)，使其可以對風保證其工作效率。選題研究工作進展安排：3月1日之前 領會畢業(yè)設計任務書，調(diào)研，收集資料3月1日-3月15日 畢業(yè)實習3月16日-3月23日 寫開題報告3月24日-4月7日 總體方案的設計4月8日-5月18日 繪制總裝圖和零件圖5月19日-5月29日 編寫設計說明書5月30日-6月3日 制作ppt，準備答辯6月4日 進行答辯 隨著風電技術(shù)不斷進步和風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，風電成本一直呈下降趨勢，從19811995年，世界風電成本己由15.8歐分/度電下降到5.7歐分/度電，目前風電成本約為4歐分/度電左右，在過去5年中，風電成本下降約20%。如果在常規(guī)能源電價中，考慮了因污染環(huán)境而發(fā)生的外部附加成本之后，那么風能是目前最具有與常規(guī)能源競爭的可再生能源。歐洲和美國等這些風電技術(shù)比較發(fā)達的國家，不論是政府還是企業(yè)自身都投入大量的資金用于風電技術(shù)的改進和發(fā)展。世界的風電技術(shù)都取得了長足進步，設計、制造技術(shù)也日益成熟，產(chǎn)品進入商品化階段，功率發(fā)展成大功率兆瓦級。一方面風力機廠家為了滿足市場需要開發(fā)不同類型的風力機，如低溫型、高原型、海上風機等，另一方面在與傳統(tǒng)能源競爭中，風電越來越注重降低成本以增加其競爭力。所以，目前的態(tài)勢是機組單機容量的大型化，而同時單位成本卻逐年減少。近年來，風力機仍以發(fā)展水平軸為主，雖然垂直軸有全風向、變速裝置及發(fā)電機可以置于地面等優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)軸過長、轉(zhuǎn)換效率不高還是制約了其發(fā)展;其次通過齒輪箱多級變速驅(qū)動風電機組依然是目前風電市場上的主流產(chǎn)品，變速變槳距雙饋恒頻是大型風電機組的主要模式。現(xiàn)在也出現(xiàn)了直驅(qū)電機組，因為其部件少減少傳動鏈損失和停機時間，以及維護費用低等優(yōu)點在市場上占有越來越大的份額闊。一些歐洲國家，如丹麥、德國和英國等，風力發(fā)電正由陸地走向海洋，這也成為今后風力發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。在空氣動力學方面最重要的是進行新型翼型、葉片和風輪的設計與研究，以捕獲更多的風能。據(jù)說美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)了一種新型葉片，試驗表明:新型葉片比早期的風力機葉片捕獲的風能要大20%以上。還有采用柔性葉片也是一個發(fā)展方向工，利用新型材料(如新型工程塑料等)進行設計制造葉片，變風況時能達到改善空氣動力學性能，這樣增加葉片的可靠性和風能的有效利用。另外，還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置，如葉片上的副翼，它能夠簡單有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，比機械剎車更可靠，并且能降低費用。因為風能技術(shù)是一項高新技術(shù)、它涉及到氣象學、空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、材料力學、機電工程、電氣工程、環(huán)境科學等學科和專業(yè)。我國這方面起步又晚，我國風能發(fā)展中技術(shù)創(chuàng)新還很薄弱，除小型的風電機組，很少有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，因此很大程度上還要從國外引進技術(shù)?？傮w來說還處于跟蹤和引進國外的先進技術(shù)階段，而且個別引進的技術(shù)并不實用。就是某些引進的許可證，有的是國外淘汰技術(shù)，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠的技術(shù)、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能大打折扣。為了早日實現(xiàn)風電機組的國產(chǎn)化，國家投入大量的財力、物力和人力，早在“八五”“九五”期間，我國將風能利用列入了國家重點科技攻關項目，并組織了多家科研單位進行攻關，取得了一定成績側(cè)。此外，在風力發(fā)電機組的制造水平上，我國己經(jīng)成為國際主流機型的兆瓦級機組主要市場。國外的很多知名風電制造商紛紛在中國設立分廠，或者和中方合作開發(fā)風機。我國在上世紀的也曾經(jīng)由政府有關技術(shù)與產(chǎn)業(yè)部門組織并投資研究風力發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)。首先從國外引進原裝產(chǎn)品、技術(shù)資料和圖紙，消化吸收并與外方合作建立試驗性的風電場，更主要的是組織科研所、高校及工廠獨自研究與開發(fā)風力發(fā)電機組。但由于我國技術(shù)儲備不夠雄厚，或因研究方法不夠科學，以致現(xiàn)在的很多大型機組仍然是依靠進口，或者是購買國外許可證，按照國外圖紙加工生產(chǎn)，所以我國大型風力機技術(shù)的還有很長的路要走。在風力機槳葉設計和制造技術(shù)方面我國也遠遠落后于國外先進廠家，作為風力機國產(chǎn)化主要關鍵技術(shù)的葉片設計和制造技術(shù)沒有完全掌握，葉片的設計和制造材料還需要從國外引進，葉片多數(shù)為仿制，生產(chǎn)工藝也不完全過關。風力機設計和制造技術(shù)還是與世界先進制造商的技術(shù)水平有一定的差距。為了提高機組利用率和可靠性，趕上世界先進水平，發(fā)展我國自己的風電事業(yè)，對于風力機的設計方法進行研究非常有必要，這樣才能開展其它一系列工作。主要參考文獻：1 濮良貴，紀名剛.機械設計.北京.高等教育出版社.2006.5.2 宋海輝風力發(fā)電技術(shù)及工程M.北京：中國水利水電出版社.20093 劉萬琨，張志英，李銀鳳等風能與風力發(fā)電技術(shù)M.北京：化學工業(yè)出版社.2006.94 包道日娜，劉志章.離網(wǎng)型風力發(fā)電機葉片設計方法研究J.北京.應用能源技術(shù).2007.125 姚興佳，宋俊等風力發(fā)電機組原理與應用M.北京：機械工業(yè)出版社.2009.66 蘇紹禹風力發(fā)電機設計與運行維護M.北京：中國電力出版社.2002 指導教師意見：指導教師：年月日 專業(yè)主任意見：專業(yè)主任：年月日3月1日之前 領會畢業(yè)設計任務書，調(diào)研，收集資料3月1日-3月15日 畢業(yè)實習3月16日-3月23日 寫開題報告3月24日-4月7日 總體方案的設計4月8日-5月18日 繪制總裝圖和零件圖5月19日-5月29日 編寫設計說明書5月30日-6月3日 制作ppt，準備答辯6月4日 進行答辯說明書 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(shù)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(qū)動發(fā)電機發(fā)電，先通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變成機械能，在由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)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。 Abstract Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise. Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator. In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc. Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser. 目錄 1. 緒論 5 1．1 風力發(fā)電發(fā)展概況 5 1．2 風力發(fā)電的背景 6 1．2．1 能源危機 6 1．2．2 環(huán)境危機 6 1．2．3 可再生能源開發(fā)利用 7 1．2．4 風能開發(fā)利用 8 1．3 風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 8 1．3．1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀 9 1．3．2 國內(nèi)風電發(fā)展現(xiàn)狀 10 1．4 國內(nèi)外風電機組發(fā)展趨勢 11 1．4．1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 11 1．4．2 水平軸風電機組技術(shù)成為主流 11 1．4．3 風電機組單機容量持續(xù)增大 12 1．4．4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用 12 1．4．5 雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導地位 12 1．4．6 大型風電機組關健部件的性能日益提高 13 1．4．7 智能化控制技術(shù)提高了風電機的可靠性和壽命 13 1．4．8 葉片技術(shù)發(fā)展趨勢 13 1．4．9 風電場建設和運營的技術(shù)水平日益提高 14 1．4．10 惡劣氣侯環(huán)境下的風電機可靠性得到重視 14 1．5 小結(jié) 15 2. 發(fā)電機組的基本功能構(gòu)成及工作原理 16 2．1 風電機組的基本功能構(gòu)成 16 2．2 風電機組的工作原理 17 2. 3 風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu) 19 2．3．1 風輪 19 2．3．2 輪轂 19 2．3．3 主軸 20 2．3．4 齒輪箱 21 2．3．5 發(fā)電機 21 2．3．6 偏航系統(tǒng) 22 2．3．7 對風裝置 23 2．3．8 塔架和基礎 23 2．3．9 附屬部件 23 3. 風電發(fā)電機主要零件的設計計算 25 3．1 確定設計目標 25 3．1．1 風力機總體設計方案 25 3．1．2 風力機零件設計方案 27 3．2 風力發(fā)電機設計中的相關理論及概念 28 3．2．1 風力機氣動設計理論基礎 28 3．2．2 葉片設計中的基本概念 31 3．3．風力發(fā)電機葉輪系統(tǒng)設計計算 33 3．3．1 葉輪的總體設計 33 3．3．2 葉片的設計計算 34 3．3．3 輪轂的選擇 39 3．4 風力發(fā)電機增速器的設計計算 39 3．4．1 傳動方案的確定 39 3．4．2 增速器基本設計要求及設計步驟 40 3．4．3 傳動原理圖 41 3．4．4 增速器各傳動部件的材料及力學性能 42 3．4．5 第一級行星輪系傳動設計 43 3．4．6 第二級平行軸圓柱直齒輪設計 44 3．4．7 第三級平行軸圓柱斜齒輪設計 45 3．4．8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 45 3．5 塔架的設計 46 3．5．1 塔架高度的確定 46 3．5．2 塔架形式的確定 47 3．6 偏航系統(tǒng)的設計 47 3．7 制動系統(tǒng)的設計 48 3．8 其它附屬部件的設計 49 3．4．1 機艙的設計 49 3．4．2 機座的設計 49 3．4．1 回轉(zhuǎn)體的設計 49 總結(jié) 50 致謝 51 參考文獻 52 顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 朗讀 顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 1. 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(jié)構(gòu)等限制，實際值更小。因此，如何提高風能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風能，實現(xiàn)風能規(guī)?；茫恢睘閷W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(shù)，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(zhuǎn)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(diào)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(gòu)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(nèi)有較快的響應速度；變速運行調(diào)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(diào)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(qū)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(qū)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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?qū)嶒炇已芯侩A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(shù)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，其次是新疆達坂城風電場。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(zhì)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(zhì)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。可以支配的化石資源的極限大約為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(nèi)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?，F(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(zhuǎn)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?，還有海平面的上升。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(zhuǎn)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(zhì)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(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)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(shù)。 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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(nèi)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(shù)，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(nèi)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，在新疆、內(nèi)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1．3．1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀 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(shù)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。 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(nèi)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(nèi)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。 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(shù)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(nèi)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(nèi)風電發(fā)展現(xiàn)狀 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?cè)萘窟_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。 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(shù)落后，風電場建設主要依賴進口風電整機?！堕_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(nèi)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。 風電技術(shù)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(quán)項目，支持建立了首批6家風電整機企業(yè)，進行風電技術(shù)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(shù)和關鍵部件設計制造技術(shù)，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(qū)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(shù)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(shù)，研制成功兆瓦級風電機組樣機。我國風電技術(shù)與國外風電技術(shù)的差距正在不斷縮小。 1．4 國內(nèi)外風電機技術(shù)發(fā)展趨勢 縱觀世界風電技術(shù)現(xiàn)實和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風電技術(shù)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(nèi)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(shù)成為主流 水平軸風電機組技術(shù)，因其具有風能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸過長、風能轉(zhuǎn)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?qū)︼L、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(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用 由于變槳距功率調(diào)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(jié)合變槳距技術(shù)的應用以及電力電子技術(shù)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(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風電機組，使得在風能轉(zhuǎn)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(diào)槳機構(gòu)，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(shù)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，在國際風電市場中所占的份額最大。德國Repower公司利用該技術(shù)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領域已經(jīng)具有優(yōu)勢，不僅能滿足國內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)，與整機設計技術(shù)結(jié)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(shù)的主要發(fā)展方向。 1．4．8 葉片技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)、外兩段葉片組成，靠近葉根的內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)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(zhì)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(jié) 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(zhì)量，講效益，走集約發(fā)展路線，創(chuàng)造和諧發(fā)展藍圖。 2. 發(fā)電機的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 2．1 風電機的功能單元的劃分 控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉(zhuǎn)換單元 機械能傳遞單元 發(fā)電單元 風力發(fā)電機是一種復雜的機電一體化設備。從能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換單元的主要功能是將風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)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(gòu)成 （1）一次能源轉(zhuǎn)換單元 風能是風力發(fā)電的一次能源，相應的能量轉(zhuǎn)換單元是風電機組的核心部分，包括風輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風輪是風電機組能量轉(zhuǎn)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(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風輪軸驅(qū)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(zhuǎn)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(gòu)等。一般大型風電機組的風輪設計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)，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(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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 在風力發(fā)電機組中，存在著兩種物質(zhì)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。 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) 電網(wǎng) 風 M1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 轉(zhuǎn)速測量 風力發(fā)電機 調(diào)速 風速、風向 功率測量 圖2-2 風電機的工作原理 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(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。將風的動能變成風輪旋轉(zhuǎn)的動能，兩者都屬于機械能。風輪的輸出功率為 （1-1） 式中 P1——風輪的輸出功率，單位為W； M1——風輪的輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有 （1-2） 式中 P2——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(zhuǎn)矩，單位為N·m； ?2——主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為1/s； ——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） 式中 P3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是W； UN——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)； 2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。 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(zhuǎn)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?nèi)~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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及三維建模 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(zhuǎn)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(qū)動的對象。如圖2-3所示 圖2-3風輪的結(jié)構(gòu)圖 2.3.2 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(qū)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(jié)構(gòu)，可以簡化結(jié)構(gòu)、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。 輪轂如下圖2-4所示 圖2-4輪轂示意圖 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(zhuǎn)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(diào)質(zhì)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(shù)要求。主軸如圖2-5所示 圖2-5主軸示意圖 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(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)相對較復雜，造價高。 如圖2-6所示。 圖2-6 齒輪箱整體圖 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(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組（即勵磁繞組）、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子軸等組成，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子（含磁極）以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，即與轉(zhuǎn)子磁場相對靜止。因此，發(fā)電機的轉(zhuǎn)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=pn1/60 2.3.6 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，并傳遞氣動推力到塔架。主動偏航的偏航軸承中含有齒圈，偏航驅(qū)動機構(gòu)中的小齒輪與之嚙合，驅(qū)動底板轉(zhuǎn)動。 偏航驅(qū)動機包括電機、減速器、驅(qū)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(diào)速器與限速裝置實現(xiàn)風力機在不同風速時，轉(zhuǎn)速恒定和不超過某一最高轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)速裝置，用于上風式風輪機，利用電機驅(qū)動。 偏航系統(tǒng)如圖2-7所示 圖2-7偏航系統(tǒng)示意圖 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(zhuǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(shù)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，更不得有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。 3、回轉(zhuǎn)體 回轉(zhuǎn)體是機座與塔架之間的連接件。它是由固定套、會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)圈則與機座相連。當風向變化時，風力機就能繞其回轉(zhuǎn)而自動迎風。 4、制動裝置 制動裝置也稱剎車機構(gòu)，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)。 風力發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)部件如上所述，使用catia軟件對其各部分零件進行三維建模，完成裝配如圖2-8所示。 圖2-8風力發(fā)電機整體裝配圖 3. 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(shù)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(zhì)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(gòu)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(jié)構(gòu)強度、制造工藝與成本等多方面的設計內(nèi)容，而這些設計目標很難同時達到，需要權(quán)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(jié)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(gòu)成形式和氣動布局方案進行比較和選擇，并結(jié)合機組性能和氣動特性的分析和仿真技術(shù)，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(zhì)要求。 3 ）風電機的總體結(jié)構(gòu)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(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)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(zhì)量。 4）載荷分析與風電機組基本性能的預評估 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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設計工作。設計有關部件的結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)要求與設計示意圖、系統(tǒng)原理圖。 （2）風電機結(jié)構(gòu)動力學分析 在初步完成風電機組