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延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書
摘 要
風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點課題項目之一。
風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的原理是：一定速度前進的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)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(fēng)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(shè)計了一臺功率為1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機，由風(fēng)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(xì)的方案選擇及設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)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(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 5
1．2 風(fēng)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(fēng)能開發(fā)利用 8
1．3 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 8
1．3．1 國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 9
1．3．2 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 10
1．4 國內(nèi)外風(fēng)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(fēng)電機組技術(shù)成為主流 11
1．4．3 風(fēng)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(dǎo)地位 12
1．4．6 大型風(fēng)電機組關(guān)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(fēng)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(fēng)電場建設(shè)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(fēng)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(fēng)電機組的基本功能構(gòu)成 16
2．2 風(fēng)電機組的工作原理 17
2. 3 風(fēng)力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 19
2．3．1 風(fēng)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(fēng)裝置 23
2．3．8 塔架和基礎(chǔ) 23
2．3．9 附屬部件 23
3. 風(fēng)電發(fā)電機主要零件的設(shè)計計算 25
3．1 確定設(shè)計目標(biāo) 25
3．1．1 風(fēng)力機總體設(shè)計方案 25
3．1．2 風(fēng)力機零件設(shè)計方案 27
3．2 風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中的相關(guān)理論及概念 28
3．2．1 風(fēng)力機氣動設(shè)計理論基礎(chǔ) 28
3．2．2 葉片設(shè)計中的基本概念 31
3．3．風(fēng)力發(fā)電機葉輪系統(tǒng)設(shè)計計算 33
3．3．1 葉輪的總體設(shè)計 33
3．3．2 葉片的設(shè)計計算 34
3．3．3 輪轂的選擇 39
3．4 風(fēng)力發(fā)電機增速器的設(shè)計計算 39
3．4．1 傳動方案的確定 39
3．4．2 增速器基本設(shè)計要求及設(shè)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(xué)性能 42
3．4．5 第一級行星輪系傳動設(shè)計 43
3．4．6 第二級平行軸圓柱直齒輪設(shè)計 44
3．4．7 第三級平行軸圓柱斜齒輪設(shè)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(shè)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(shè)計 47
3．7 制動系統(tǒng)的設(shè)計 48
3．8 其它附屬部件的設(shè)計 49
3．4．1 機艙的設(shè)計 49
3．4．2 機座的設(shè)計 49
3．4．1 回轉(zhuǎn)體的設(shè)計 49
總結(jié) 50
致謝 51
參考文獻 52
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朗讀
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1. 緒論
1．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況
風(fēng)能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開發(fā)利用越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機從風(fēng)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(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實現(xiàn)風(fēng)能規(guī)模化利用，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來，大型風(fēng)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(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風(fēng)力機產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調(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(fēng)電機組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)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(yīng)速度；變速運行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機組輸出額定功率不變。
風(fēng)車按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車和垂直軸風(fēng)車。能量驅(qū)動鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)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(fēng)車（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，圖2）。
圖1-1 水平軸風(fēng)車 圖1-2 垂直軸風(fēng)車
世界上第1臺風(fēng)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(fēng)力發(fā)電一直未能得到廣泛應(yīng)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(fēng)電機組。20世紀(jì)80年代開始建立示范風(fēng)電場。20世紀(jì)90年代，許多國家紛紛制定了激勵風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。1992年以來，全球風(fēng)電累計裝機容量的年增長率一直高于15%，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻成熟。2002年4月2～5日，首屆世界風(fēng)能大會在法國巴黎舉行，歐洲和北美風(fēng)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(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。2008年年底全球累計風(fēng)電裝機容量已超過了120.8GW，相當(dāng)于減排1.58億噸CO2。美國風(fēng)電市場近年來一直保持高速發(fā)展，2009年新增風(fēng)電裝機容量9.92GW，累計風(fēng)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(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場之一，風(fēng)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(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。20世紀(jì)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電場，其次是達坂城風(fēng)電場。1986～1993年，全國共建12個風(fēng)電場，裝機容量為13.3MW；1994～1999年，全國共建有21個風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng)總量累計達到16.13GW，累計裝機容量為25805.3MW。
1．2 風(fēng)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(chǔ)。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(jì)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(guān)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(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(yīng)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(jì)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)強度將相當(dāng)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(yīng)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(guān)。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?zāi)害，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(yán)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(guān)注。綠色電力來源于風(fēng)能、小水電、太陽能、地?zé)?、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(fēng)電是目前唯一實現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。
1．2．4 風(fēng)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(fēng)能。據(jù)估計到達地球的太陽能只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)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(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲量為3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量為600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為800GW，共計約1400GW。50m或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量為2000GW。
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機發(fā)明以前，風(fēng)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(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家。12世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。16世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電站。20世紀(jì)30年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功的研制了一些小型風(fēng)電機組。這種小型風(fēng)電機組被廣泛運用在多風(fēng)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(dāng)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(fēng)能作為新能源得到重視，世界風(fēng)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(fēng)電機組。美國在1974年開始實施聯(lián)邦風(fēng)能計劃，20世紀(jì)80年代成功開發(fā)了100kW、200 kW、2000 kW、2500 kW、6200 kW、7200 kW等6種風(fēng)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(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計劃。在20世紀(jì)70年代中期以后，我國將風(fēng)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(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開始真正起步。20世紀(jì)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(fēng)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(fēng)電場。20世紀(jì)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(fēng)電機組，在、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)電場。
1．3 風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1．3．1 國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)電成本
不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)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(dǎo)和支持風(fēng)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(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時風(fēng)電成本由20世紀(jì)80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價格完全可以和煤電競爭，低于燃?xì)怆妰r。
裝機容量高速增長
根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的2003~2007年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風(fēng)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(fēng)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(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的1%。按照累計風(fēng)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(fēng)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(fēng)電裝機容量首位，同時也成為第二個風(fēng)電裝機容量超過20GW的風(fēng)電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國。到2008年年底，在世界風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電項目容量更是占當(dāng)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(fēng)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(jì)90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到2010年風(fēng)電裝機容量到40GW的目標(biāo)，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(biāo)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(fēng)電裝機容量達到80GW；到2020年風(fēng)電裝機容量達到180GW，發(fā)電量達到3600億kW·h；2030年風(fēng)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(fēng)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(biāo)。美國風(fēng)能協(xié)會也提出了未來依靠風(fēng)電滿足國內(nèi)20%電力需求的宏偉目標(biāo)。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(fēng)電。
1．3．2 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
裝機容量
2004年年底，全國的風(fēng)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(dāng)年風(fēng)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(fēng)電大國。當(dāng)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(fēng)電市場之一。風(fēng)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(fēng)電裝機容量超千萬千瓦的風(fēng)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(fēng)電設(shè)備制造能力
風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場建設(shè)主要依賴進口風(fēng)電整機。《開再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機制造企業(yè)已超過40家。除金風(fēng)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(fēng)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(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場。
風(fēng)電技術(shù)研發(fā)
“九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風(fēng)計劃”和“國家科技攻關(guān)計劃”，以及國債項目和風(fēng)電特許權(quán)項目，支持建立了首批6家風(fēng)電整機企業(yè)，進行風(fēng)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(fēng)電機組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)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(fēng)電機組，以及1200 kW永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，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(fēng)電機組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級風(fēng)電機組樣機。我國風(fēng)電技術(shù)與國外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。
1．4 國內(nèi)外風(fēng)電機技術(shù)發(fā)展趨勢
縱觀世界風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)實和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)這前5家企業(yè)，就占據(jù)了國內(nèi)外49.8％市場份領(lǐng)。可以看出：世界風(fēng)電機組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。
近幾年，風(fēng)電設(shè)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(fēng)能（沈陽）公司和哈電通用風(fēng)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(dāng)于多個公司的集成。
1．4．2 水平軸風(fēng)電機組技術(shù)成為主流
水平軸風(fēng)電機組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機組上更顯出經(jīng)濟性等優(yōu)點，使水平軸風(fēng)電機組成為世界風(fēng)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(fēng)電機組因轉(zhuǎn)軸過長、風(fēng)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(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。
1．4．3 風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大
近年來，世界風(fēng)電市場中風(fēng)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(fēng)電場安裝的最大風(fēng)電機組為2MW。
近年來，海上風(fēng)電場的開發(fā)進一步加快了大容量風(fēng)電機組的發(fā)展，2008年底世界上已運行的最大風(fēng)電機組單機容量已達到6MW，風(fēng)輪直徑達到127m。目前，已經(jīng)開始8-10MW風(fēng)電機組的設(shè)計和制造。我國華銳風(fēng)電的3MW海上風(fēng)電機組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場成功投入運行， 5MW海上風(fēng)電機組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風(fēng)、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(fēng)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(fēng)電機組上得到了廣泛采用。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)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(fēng)電機組，使得在風(fēng)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(fēng)電機組中有95％的風(fēng)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(fēng)電機組中，也全部是變槳距機組。2MW以上的風(fēng)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(dǎo)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(fēng)電機組，在國際風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組，2009年新增風(fēng)電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)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(fēng)電機組。
我國內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)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(fēng)電機組。2009年我國新增風(fēng)電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組仍然占82％以上。目前，我國華銳風(fēng)電研發(fā)的3MW的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機組已經(jīng)投入運行。
1．4．6 大型風(fēng)電機組關(guān)健部件的性能日益提高
隨著風(fēng)電機組的單機容量不斷增大，各部件的性能指標(biāo)都有了提高，國外己研發(fā)出3000V-12000V的風(fēng)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(yīng)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(fēng)能展的情況看，歐洲風(fēng)電設(shè)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(chǔ)。
我國在大型風(fēng)電機組關(guān)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(fēng)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(fù)連眾和中材科技已能生產(chǎn)長達48.8m，與3兆瓦風(fēng)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(fēng)能展的情況看，我國風(fēng)電設(shè)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(chǔ)。我國在某些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領(lǐng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機的可靠性和壽命
鑒于風(fēng)電機的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)電機組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來，風(fēng)電機制造廠家與有關(guān)研究部門積極研究風(fēng)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(shè)計技術(shù)結(jié)合，努力減少和避免風(fēng)電機組運行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風(fēng)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(fēng)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(shè)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(shè)備將被開發(fā)出來并安裝在風(fēng)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(fēng)電機組整機損壞之前警示操作者。對于陸上風(fēng)電機組來說，不久這種檢測設(shè)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(fēng)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(fù)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(yīng)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(fēng)電場建設(shè)和運營的技術(shù)水平日益提高
隨著投資者對風(fēng)電場建設(shè)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(fēng)資源的測試與評估開發(fā)出了許多先進測試設(shè)備和評估軟件。在風(fēng)電場選址，特別是選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的應(yīng)用軟件。在風(fēng)電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對風(fēng)電機組和風(fēng)電場的短期及長期發(fā)電量預(yù)測做了很多研究，取得了重大進步，預(yù)測精確度可達90％以上。
1．4．10 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)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(fēng)、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(fēng)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(yán)重時還導(dǎo)致風(fēng)電機組損壞。因此，在風(fēng)電機組設(shè)計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)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(fēng)電機組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風(fēng)、防鹽霧等方面著手進行了研究，以確保風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電的重視，可再生能源法及實施辦法出臺，相信我國的風(fēng)電發(fā)展將會快步前進。為了可持續(xù)發(fā)展，我國的風(fēng)電發(fā)展產(chǎn)業(yè)需要借鑒其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗教訓(xùn)，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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機是一種復(fù)雜的機電一體化設(shè)備。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類設(shè)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(fēng)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(fēng)電機起、停機和發(fā)電等運行過程的控制，并保證風(fēng)電機在任何狀態(tài)下的安全性。
圖2-1 風(fēng)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(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)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(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風(fēng)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(fēng)電機組的傳動鏈，連接風(fēng)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(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機組的風(fēng)輪設(shè)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(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機組發(fā)電單元的需要。同時，機械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動機構(gòu)，以保證風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(fēng)電機組運行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風(fēng)電機組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風(fēng)電機組的正常和安全運行；同時又要保證風(fēng)電機組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機，以預(yù)防或減輕損失。
此外，風(fēng)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(fēng)電機組需要設(shè)置對風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。
2．2 風(fēng)電機組的工作原理
在風(fēng)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)
變槳距系統(tǒng)
電網(wǎng)
風(fēng) M1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器
轉(zhuǎn)速測量
風(fēng)力發(fā)電機 調(diào)速
風(fēng)速、風(fēng)向 功率測量
圖2-2 風(fēng)電機的工作原理
1． 能量流
當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機時，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。將風(fēng)的動能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動能，兩者都屬于機械能。風(fēng)輪的輸出功率為
（1-1）
式中 P1——風(fēng)輪的輸出功率，單位為W；
M1——風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
?1——風(fēng)輪的角速度，單位為1/s.
風(fēng)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(yīng)該緊急停機。
風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)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(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)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(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)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(fēng)機，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機最大限度的捕獲風(fēng)能。
當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)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(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對準(zhǔn)來風(fēng)方向。
當(dāng)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(fēng)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(yīng)的控制功能。
2.3 風(fēng)力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)及三維建模
2.3.1 風(fēng)輪
風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)力機驅(qū)動的對象。如圖2-3所示
圖2-3風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)圖
2.3.2 輪轂
風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)力發(fā)電機組中關(guān)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(fēng)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(fēng)力機與發(fā)電機匹配，采用增速齒輪箱。在風(fēng)力發(fā)電機組中，對齒輪箱的要求非常嚴(yán)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(fù)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(fēng)力發(fā)電機組中關(guān)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(fēng)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(yīng)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(yán)格不變的固定關(guān)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(shè)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(dāng)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(fēng)力機在不同風(fēng)速時，轉(zhuǎn)速恒定和不超過某一最高轉(zhuǎn)速限值。當(dāng)風(fēng)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(fēng)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(fēng)式風(fēng)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(fēng)裝置
自然界的風(fēng)，不論是速度還是方向，都經(jīng)常發(fā)生變化。對于水平軸風(fēng)力機，為了得到最高的風(fēng)能利用效率，應(yīng)使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向，為此，需要對風(fēng)裝置。一些典型的對風(fēng)裝置，使用尾舵控制對風(fēng)的最簡單的方法，小型風(fēng)力機多采用這種方式。在風(fēng)力機兩側(cè)裝有控制方向的舵輪，多用于中型風(fēng)力發(fā)電機。
2.3.8 塔架和基礎(chǔ)
塔架的功能是支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與基礎(chǔ)相連接，承受風(fēng)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(chǔ)，使整個風(fēng)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(shè)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(fēng)力機常年在野外運轉(zhuǎn)，不但要經(jīng)受狂風(fēng)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(shè)備及附屬部件（槳葉及尾舵或舵輪除外）免受風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機機艙設(shè)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(fēng)力機的所有設(shè)備及附屬部件，它牢固與否直接關(guān)系到整機的安全和使用壽命。
機座的設(shè)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(yīng)力求耐用、緊湊、輕巧。尤其像田園一號這種中型風(fēng)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(yán)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(dāng)風(fēng)向變化時，風(fēng)力機就能繞其回轉(zhuǎn)而自動迎風(fēng)。
4、制動裝置
制動裝置也稱剎車機構(gòu)，是風(fēng)力機非常重要的附屬部件，它可以保證風(fēng)力機在維修或大風(fēng)期間風(fēng)輪處于制動狀態(tài)。
風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機整體裝配圖
3. 風(fēng)電發(fā)電機主要零件的設(shè)計計算
風(fēng)電機組設(shè)計所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實踐經(jīng)驗是保證大型風(fēng)電機組設(shè)計質(zhì)量的必備條件。
3．1 確定設(shè)計目標(biāo)
與所有大型裝備的設(shè)計相似，首先需要明確所設(shè)計風(fēng)電機組的設(shè)計目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機組與偏僻地區(qū)的小型單機設(shè)計需求明顯不同。因此，針對設(shè)計需求，應(yīng)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(biāo)的主要因素。例如 ， 陸上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組的運行環(huán)境（如風(fēng)況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎(chǔ)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(fēng)力機總體設(shè)計方案
風(fēng)電機組是比較復(fù)雜的機電裝備,且要求較好的性價比?？傮w設(shè)計是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計過程 ， 在某種意義上來說 ，總體設(shè)計可以決定整個設(shè)計過程的成敗 。由于風(fēng)電機組由多個功能子系統(tǒng)組成 ，機組總體設(shè)計與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計密切相關(guān) ，以針對風(fēng)輪部件的總體設(shè)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(shè)計內(nèi)容，而這些設(shè)計目標(biāo)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(fēng)電機組發(fā)展的主要動力和研究熱點 ，如何根據(jù)設(shè)計目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗，在這些復(fù)雜因素之間取得平衡關(guān)系，滿足盡可能高的設(shè)備性價比要求，是風(fēng)電機組總體設(shè)計的關(guān)鍵所在。
以下簡要介紹風(fēng)電機組總體設(shè)計的主要任務(wù)與大致步驟:
（1）風(fēng)電機總體設(shè)計方案
1 ）總體氣動布局方案設(shè)計
隨著風(fēng)電機單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計逐漸成為風(fēng)電機組設(shè)計重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對風(fēng)場的風(fēng)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(guān)的分析計算報告。
2 ）風(fēng)電機總體參數(shù)設(shè)計
風(fēng)電機組氣動設(shè)計前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設(shè)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(fēng)電機的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計
此階段是需要從風(fēng)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(shè)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(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。
4）載荷分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估
在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。風(fēng)電機組應(yīng)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(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)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(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機組運行工況要求，對所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評估。
5）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計工作。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)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(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購清單等有關(guān)文件。
總體設(shè)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(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期。
上述總體設(shè)計的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果是：風(fēng)電機組總體設(shè)計方案圖、總體布置圖和設(shè)計計算報告、風(fēng)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(shè)計示意圖、系統(tǒng)原理圖。
（2）風(fēng)電機結(jié)構(gòu)動力