3480 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì),水平,風(fēng)力發(fā)電機(jī),設(shè)計(jì) 延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1摘 要風(fēng)能作為一種可再生能源越來(lái)越受到世界各國(guó)政府的重視。與此同時(shí)，對(duì)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(diǎn)課題項(xiàng)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(duì)環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為 1500 千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對(duì)其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；增速器。延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書2AbstractWind 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.延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書3目錄1. 緒論 ...............................................................51．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 ............................................51．2 風(fēng)力發(fā)電的背景 ..............................................61．2．1 能源危機(jī) .............................................61．2．2 環(huán)境危機(jī) .............................................61．2．3 可再生能源開發(fā)利用 ...................................71．2．4 風(fēng)能開發(fā)利用 .........................................81．3 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................81．3．1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 .....................................91．3．2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 ....................................101．4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì) .....................................111．4．1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì) ..................................111．4．2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 ..........................111．4．3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大 ............................121．4．4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用 ....................121．4．5 雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位 ........................121．4．6 大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)健部件的性能日益提高 ..................131．4．7 智能化控制技術(shù)提高了風(fēng)電機(jī)的可靠性和壽命 ............131．4．8 葉片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ....................................131．4．9 風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的技術(shù)水平日益提高 ..................141．4．10 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)可靠性得到重視 ...............141．5 小結(jié) .......................................................152. 發(fā)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成及工作原理 .................................162．1 風(fēng)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成 .....................................162．2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 .........................................172. 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 .............................192．3．1 風(fēng)輪 ................................................192．3．2 輪轂 ................................................192．3．3 主軸 ................................................202．3．4 齒輪箱 ..............................................212．3．5 發(fā)電機(jī) ..............................................212．3．6 偏航系統(tǒng) ............................................222．3．7 對(duì)風(fēng)裝置 ............................................232．3．8 塔架和基礎(chǔ) ..........................................23延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書42．3．9 附屬部件 ............................................233. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .....................................253．1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) ...............................................253．1．1 風(fēng)力機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 ..................................253．1．2 風(fēng)力機(jī)零件設(shè)計(jì)方案 ..................................273．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的相關(guān)理論及概念 ...........................283．2．1 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) ..............................283．2．2 葉片設(shè)計(jì)中的基本概念 ................................313．3．風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................333．3．1 葉輪的總體設(shè)計(jì) ......................................333．3．2 葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算 ......................................343．3．3 輪轂的選擇 ..........................................393．4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................393．4．1 傳動(dòng)方案的確定 ......................................393．4．2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟 ........................403．4．3 傳動(dòng)原理圖 ..........................................413．4．4 增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能 ....................423．4．5 第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) ..............................433．4．6 第二級(jí)平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì) ..........................443．4．7 第三級(jí)平行軸圓柱斜齒輪設(shè)計(jì) ..........................453．4．8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 ..............................453．5 塔架的設(shè)計(jì) .................................................463．5．1 塔架高度的確定 ......................................463．5．2 塔架形式的確定 ......................................473．6 偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................473．7 制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................483．8 其它附屬部件的設(shè)計(jì) .........................................493．4．1 機(jī)艙的設(shè)計(jì) ..........................................493．4．2 機(jī)座的設(shè)計(jì) ..........................................493．4．1 回轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì) ........................................49總結(jié) .................................................................50致謝 .................................................................51參考文獻(xiàn) .............................................................52延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書51. 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(lái)越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動(dòng)能的59.3%，同時(shí)由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)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(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；茫恢睘閷W(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來(lái)，大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)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(shí)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(qiáng)非線性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)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(lái)控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。其中，啟動(dòng)、剎車過(guò)程使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過(guò)程中的急劇波動(dòng)，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)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(dòng)鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖 1-1 能量驅(qū)動(dòng)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(jī)，圖 2） 。延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書6圖 1-1 水平軸風(fēng)車 圖 1-2 垂直軸風(fēng)車世界上第 1 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組于 1891 年在丹麥建成，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(jī)，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，采用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組。20 世紀(jì) 80 年代開始建立示范風(fēng)電場(chǎng)。20 世紀(jì) 90 年代，許多國(guó)家紛紛制定了激勵(lì)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。1992 年以來(lái)，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)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(huì)在法國(guó)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(gè)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(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已超過(guò)了 120.8GW，相當(dāng)于減排 1.58 億噸 CO2。美國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)近年來(lái)一直保持高速發(fā)展，2009 年新增風(fēng)電裝機(jī)容量 9.92GW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到35.16GW，排名世界第 1。我國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場(chǎng)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(guó)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(guó)家計(jì)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(jī)，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(dú)戶使用或?qū)嶒?yàn)室研究階段。1983 年，山東引進(jìn) 3 臺(tái)丹麥 Vestas 55kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范；1986 年 5 月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。1986～1993 年，全國(guó)共建 12 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書713.3MW；1994～1999 年，全國(guó)共建有 21 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到 249.05MW。其中，1992～1996 年的主力機(jī)型為 200～300kW 機(jī)組，1997～2002 年的主力機(jī)型則為 600kW 機(jī)組。2008 年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為 8.94kW。截止到 2009 年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到 16.13GW，累計(jì)裝機(jī)容量為 25805.3MW。1．2 風(fēng)力發(fā)電的背景1．2．1 能源危機(jī)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(lái)，全球的能源消耗飛速增長(zhǎng)，推動(dòng)了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會(huì)發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長(zhǎng)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源危機(jī)制約了人類進(jìn)一步發(fā)展。自 20 世紀(jì) 50年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開始關(guān)注世界能源危機(jī)問(wèn)題。全球能源危機(jī)的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲(chǔ)量與開采時(shí)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(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在 2050 年左右即將枯竭；天然氣儲(chǔ)量估計(jì)131800~152900m3，年開采量維持在 2300 m3，將在 57~65 年內(nèi)枯竭；煤的儲(chǔ)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(wàn)噸，據(jù) 1993 年世界能源委員會(huì)的估計(jì)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(jī)在能源消耗急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)凸顯的同時(shí)，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)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(lái)沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計(jì)，按照目前的趨勢(shì)，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(huì)以前 CO2濃度的兩倍。到 2100 年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大氣中 CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前 CO2濃度的 3 倍，達(dá)到 5000 萬(wàn)年前的CO2濃度水平。能源消費(fèi)在迅速擴(kuò)大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運(yùn)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(dòng)排放的 CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過(guò)程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書8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(dá)到最高，全球變暖帶來(lái)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(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時(shí)刻威脅著人類的生命和財(cái)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(jī)及其引起的環(huán)境危機(jī)成為全球經(jīng)濟(jì)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(jī)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(diǎn)，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(jī)帶來(lái)的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國(guó)所關(guān)注。綠色電力來(lái)源于風(fēng)能、小水電、太陽(yáng)能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)和其他可再生能源。因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)的過(guò)程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的排放物。相對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)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(chǎng)對(duì)于這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長(zhǎng)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(dá)到峰值且開始下降，而風(fēng)電是目前唯一實(shí)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(yáng)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(shí)，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)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(guó) 900 多個(gè)氣象站陸地上離地 10m 高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為 100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為 3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量為 600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為 800GW，共計(jì)約 1400GW。50m 或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)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(jī)發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動(dòng)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(guó)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(jià)電力的獲得，由延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書9于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(jī)組。這種小型風(fēng)電機(jī)組被廣泛運(yùn)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(jī)的發(fā)電成本低很多。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5kW 以下。1973 年，世界石油危機(jī)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(guó)都在積極研制、開發(fā) 1100kW 以上的大型風(fēng)電機(jī)組。美國(guó)在 1974 年開始實(shí)施聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)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(jī)組。瑞典、荷蘭、英國(guó)、丹麥、德國(guó)、日本、西班牙等國(guó)，也根據(jù)各自國(guó)家的情況制訂了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃。在 20 世紀(jì) 70 年代中期以后，我國(guó)將風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。我國(guó)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(guó)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(jī)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(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。20 世紀(jì) 80 年代中期以后，我國(guó)先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國(guó)、德國(guó)引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機(jī)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(chǎng)。1．3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1．3．1 國(guó)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(guó)家采取了諸如價(jià)格、市場(chǎng)配額、稅收等各種激勵(lì)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(guò) 30 年的努力，隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時(shí)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(jià)格完全可以和煤電競(jìng)爭(zhēng)，低于燃?xì)怆妰r(jià)。裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的 2003~2007 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長(zhǎng)率為24.7%。到 2007 年年底，全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近 94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量20GW，分別在全球 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2007 年全球大約生產(chǎn)了 2000 億度風(fēng)電電延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書10力，約占全球電力供應(yīng)的 1%。按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，2007 年全球前十名的國(guó)家依次是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)和葡萄牙。2008 年全球新裝機(jī)容量超過(guò) 27GW，同比增長(zhǎng) 42%，風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)率為29%，高于過(guò)去 5 年的平均增長(zhǎng)速度。2008 年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了 120.8GW，美國(guó)超過(guò)德國(guó)，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時(shí)也成為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò) 20GW 的風(fēng)電大國(guó)。中國(guó)超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)。到2008 年年底，在世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量中，已有包括美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度等在內(nèi)的 16 個(gè)國(guó)家超過(guò) 1GW。在歐盟 2007 年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電開始超過(guò)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(jī)容量為 88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了 66GW。美國(guó) 2007 年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008 年內(nèi)美國(guó)竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國(guó)所有新增電力裝機(jī)的 42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到 8.34GW，同比增長(zhǎng) 157%，累計(jì)增長(zhǎng) 49.6%，完成新增投資 170 億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)容量到40GW 的目標(biāo)，并要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計(jì)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(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望 2010 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80GW；到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到 3600 億 kW·h；2030 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 300GW，發(fā)電量達(dá)到6000×108kW·h，分別占屆時(shí)歐盟風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的 35%和 20%。2006 年，美國(guó)可再生能源理事會(huì)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(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)也提出了未來(lái)依靠風(fēng)電滿足國(guó)內(nèi) 20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國(guó)也開始加速發(fā)展風(fēng)電。1．3．2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀裝機(jī)容量2004 年年底，全國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)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(jī)容量超過(guò) 60%，總?cè)萘窟_(dá)到了1260GW。2006 年新增裝機(jī)容量超過(guò) 100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò) 2.6GW。2007 年又新延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書11增裝機(jī)容量 3.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 5.9GW，超過(guò)丹麥，成為世界第 5 風(fēng)電大國(guó)。當(dāng)年裝機(jī)容量?jī)H次于美國(guó)和西班牙，超過(guò)德國(guó)和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場(chǎng)之一。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)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(jī)容量超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。2009 年新增裝機(jī)容量 13.85GW，累計(jì)裝機(jī)容量為 26GW，總裝機(jī)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(guó)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(chǎng)建設(shè)主要依賴進(jìn)口風(fēng)電整機(jī)。 《開再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過(guò) 40 家。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國(guó)船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽(yáng)、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國(guó)內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場(chǎng)。風(fēng)電技術(shù)研發(fā)“九五”和“十五”期間，我國(guó)政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”和“國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃” ，以及國(guó)債項(xiàng)目和風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目，支持建立了首批 6 家風(fēng)電整機(jī)企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機(jī)容量 600kW 和 750 kW 定槳距風(fēng)電機(jī)組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)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(jī)組，以及 1200 kW 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過(guò)“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)與國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。1．4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)縱觀世界風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)實(shí)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(diǎn)：1．4．1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì)2009 年，世界排名前十位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球 78.7％的市場(chǎng)份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球 88.1％的市場(chǎng)份額，丹麥VESTAS、美國(guó) GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó) ENERCON、中國(guó)金風(fēng)這前 5 家企業(yè)，就占延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書12據(jù)了國(guó)內(nèi)外 49.8％市場(chǎng)份領(lǐng)?？梢钥闯觯菏澜顼L(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機(jī)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(gòu)愈演愈烈。法國(guó)阿?，m集團(tuán)收購(gòu)-Multibrid；丹麥的 Vestas 公司兼并 NEG。Micon 公司；美國(guó) GE 公司收購(gòu)了德國(guó)安然風(fēng)電公司；Siemes 公司收購(gòu)了丹麥 AN/Bonus 和德國(guó) winergy AG 公司；印度 Suzlon 公司控股了 Repower 公司；金風(fēng)科技收購(gòu)了德國(guó) Vensys 公司；湘電股份 1000 萬(wàn)歐元收購(gòu)荷蘭達(dá)爾文公司；中復(fù)連眾收購(gòu)了德國(guó) NOI 公司；中航惠騰 2009 年收購(gòu)了荷蘭 CTC 葉片公司；美國(guó) GE 公司與哈電集團(tuán)合資成立了通用哈電風(fēng)能（沈陽(yáng)）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(chǎng)集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個(gè)大公司相當(dāng)于多個(gè)公司的集成。1．4．2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流水平軸風(fēng)電機(jī)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(jī)組上更顯出經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使水平軸風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型，并占到 95％以上的市場(chǎng)份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過(guò)長(zhǎng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動(dòng)、停機(jī)和變槳困難等問(wèn)題，目前市場(chǎng)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(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定進(jìn)展。1．4．3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大近年來(lái)，世界風(fēng)電市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增大，隨著單機(jī)容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機(jī)型已經(jīng)從 2000 年的 500-1000kW 增加到 2009年的 2-31VM。我國(guó)主流機(jī)型已經(jīng)從 2005 年的 600-1000kW 增加到 2009 年的 850-2000kW， 2009 年我國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為 2MW。近年來(lái)，海上風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，2008 年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到 6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到 127m。目前，已經(jīng)開始 8-10MW 風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造。我國(guó)華銳風(fēng)電的 3MW 海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)成功投入運(yùn)行， 5MW 海上風(fēng)電機(jī)組已在 2010 年 10 月底下線。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國(guó)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(jī)組。1．4．4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書13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(diǎn)，近年在大型風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)組，使得在風(fēng)能轉(zhuǎn)換上有了進(jìn)一步完善和提高。2009 年，在全球所安裝的風(fēng)電機(jī)組中有 95％的風(fēng)電機(jī)組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國(guó) 2009年安裝的 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，也全部是變槳距機(jī)組。2MW 以上的風(fēng)電機(jī)組大多采用三個(gè)獨(dú)立的電控調(diào)槳機(jī)構(gòu)，通過(guò)三組變速電機(jī)和減速箱對(duì)槳葉分別進(jìn)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(jī)組，在國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)中所占的份額最大。德國(guó) Repower 公司利用該技術(shù)開發(fā)的機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到 5MW。西門子公司、德國(guó) Nordex 公司、西班牙 Gamesa 公司、美國(guó)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(jī)組，2009 年新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)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(jī)組。我國(guó)內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、東方氣輪機(jī)、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、廣東明陽(yáng)等企業(yè)也在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組。2009 年我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組仍然占 82％以上。目前，我國(guó)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(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。1．4．6 大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)健部件的性能日益提高隨著風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，各部件的性能指標(biāo)都有了提高，國(guó)外己研發(fā)出 3000V-12000V 的風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)效率進(jìn)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(dá)到 98％以上；某些公司還對(duì)槳葉及變槳距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如德國(guó) ENERCON 公司在改進(jìn)槳葉后使葉片的 Cp 值達(dá)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(guó)在大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件方面也取得明顯進(jìn)步，如南京高速齒輪箱廠、重慶齒輪箱廠、大重減速機(jī)廠、杭州前進(jìn)齒輪箱廠和德陽(yáng)二重等主要齒輪箱制造企業(yè)生產(chǎn)的大型風(fēng)電機(jī)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(zhǎng)達(dá) 48.8m，與 3 兆瓦風(fēng)電機(jī)組配套的大尺寸延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書14葉片，蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)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(guó)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(guó)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(shì)，不僅能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，而且已經(jīng)向國(guó)際市場(chǎng)供貨。北京科諾偉業(yè)能源科技有限公司、合肥陽(yáng)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?jiān)措姎?、九州電氣和禾旺電氣?10 多家企業(yè)已具備兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)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(jī)的可靠性和壽命鑒于風(fēng)電機(jī)的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)電機(jī)組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)制造廠家與有關(guān)研究部門積極研究風(fēng)電機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行和控制規(guī)律，通過(guò)采用智能化控制技術(shù)，與整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合，努力減少和避免風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(shì)隨著風(fēng)電機(jī)組尺寸的增大，葉片的長(zhǎng)度也變得更長(zhǎng)，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設(shè)計(jì)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(zhǎng)期的工作壽命。額外的葉片狀況檢測(cè)設(shè)備將被開發(fā)出來(lái)并安裝在風(fēng)電機(jī)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(jī)組整機(jī)損壞之前警示操作者。對(duì)于陸上風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，不久這種檢測(cè)設(shè)備就會(huì)成為必備品。為了增加葉片的個(gè)剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長(zhǎng)度大于 50 米的葉片上將廣泛使用強(qiáng)化碳纖維材料。為了方便兆瓦級(jí)葉片的道路運(yùn)輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。例如德國(guó) Enercon 公司的 E126 6MW 風(fēng)電機(jī)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(dòng)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(dòng)外形能夠快速變化。為了減少葉片和整機(jī)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(chǎng)。熱塑材料的應(yīng)用：LM Glasfibre 公司正開展一項(xiàng)耗資 8 百萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目，延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書15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(jìn)模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會(huì)融化，并將紗絲轉(zhuǎn)化為合成材料，這可能會(huì)使葉片生產(chǎn)時(shí)間縮短 50%。1．4．9 風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的技術(shù)水平日益提高隨著投資者對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期的評(píng)估工作和建成后運(yùn)行質(zhì)量的越來(lái)越高的要求，國(guó)外已經(jīng)針對(duì)風(fēng)資源的測(cè)試與評(píng)估開發(fā)出了許多先進(jìn)測(cè)試設(shè)備和評(píng)估軟件。在風(fēng)電場(chǎng)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(jī)組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也開發(fā)出了成熟軟件。國(guó)外還對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的短期及長(zhǎng)期發(fā)電量預(yù)測(cè)做了很多研究，取得了重大進(jìn)步，預(yù)測(cè)精確度可達(dá) 90％以上。1．4．10 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)可靠性得到重視由于中國(guó)的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點(diǎn)，惡劣氣候環(huán)境已對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成很大的影響，包括增加維護(hù)工作量，減少發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組損壞。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，今年來(lái)中國(guó)的風(fēng)電機(jī)組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺(tái)風(fēng)、防鹽霧等方面著手進(jìn)行了研究，以確保風(fēng)電機(jī)組在惡劣氣候條件下能可靠運(yùn)行，提高發(fā)電量。1．5 小結(jié)隨著能源危機(jī)程度的加深，世界各國(guó)都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國(guó)能源耗費(fèi)相對(duì)較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。針對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對(duì)研發(fā)的投入，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)電的重視，可再生能源法及實(shí)施辦法出臺(tái)，相信我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展將會(huì)快步前進(jìn)。為了可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)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(yàn)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(lán)圖。延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書16控制與安全系統(tǒng)一次能源轉(zhuǎn)換單元 機(jī)械能傳遞單元 發(fā)電單元2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)2．1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)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(gè)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(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動(dòng)與制動(dòng)；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過(guò)程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)在任何狀態(tài)下的安全性。延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書17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(jī)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(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動(dòng)力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)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(jī)械能（轉(zhuǎn)矩） ，再通過(guò)風(fēng)輪軸驅(qū)動(dòng)與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。（2）機(jī)械能傳遞單元機(jī)械能傳遞單元也可簡(jiǎn)稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈，連接風(fēng)電機(jī)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(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過(guò)傳動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。同時(shí)，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。（3）發(fā)電單元發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動(dòng)控制，既能夠在無(wú)人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時(shí)又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時(shí)能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。此外，風(fēng)電機(jī)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(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對(duì)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(jī)組的工作原理在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖 2-2 所示。電網(wǎng)風(fēng) M 1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 控制系統(tǒng)偏航系統(tǒng)主傳動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)裝置 發(fā)電系統(tǒng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書18轉(zhuǎn)速測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速風(fēng)速、風(fēng)向 功率測(cè)量圖 2-2 風(fēng)電機(jī)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(jī)時(shí)，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為（1-11PM?=1）式中 P 1——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(guò)主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。主傳動(dòng)系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有（1-2211P== M?h2）式中 P 2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W；M2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N·m；?2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s；1h——主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)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；UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是 V；延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書19IN——流過(guò)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． 信息流信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進(jìn)行的。控制系統(tǒng)的功能是過(guò)程控制和安全保護(hù)。過(guò)程控制包括起動(dòng)、運(yùn)行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件突然失效時(shí)應(yīng)該緊急停機(jī)。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過(guò)傳感器變成電信號(hào)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(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。對(duì)于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過(guò)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(jī)組輸出功率。在起動(dòng)和停止的過(guò)程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。對(duì)于變速型風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過(guò)偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)方向。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，除了借助變槳距制動(dòng)外，還可以通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸上的制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的輪轂組成。其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(zhǎng)度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。其強(qiáng)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(lái)的力，都通過(guò)輪轂傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng)，再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。如圖 2-3 所示延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書20圖 2-3 風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)圖2.3.2 輪轂風(fēng)力機(jī)葉片都要裝在輪轂上，通過(guò)輪轂與主軸連接，并將葉片力傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象(發(fā)電機(jī))。同時(shí)輪轂也實(shí)現(xiàn)葉片槳距角控制，故需要有足夠的強(qiáng)度。有些風(fēng)力機(jī)采用槳距角葉片結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)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(guò)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 所示延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書21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(jī)組由于其葉片長(zhǎng)、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(jī)組主軸材料可選用 40Cr 或其他高強(qiáng)度的合金鋼，必須經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，保證鋼材在強(qiáng)度、塑性、韌性 3 個(gè)方面都有較好的綜合機(jī)械性能，在設(shè)計(jì)加工圖時(shí)，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 齒輪箱延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書22齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(rùn)滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風(fēng)力機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，采用增速齒輪箱。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)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(dòng)力矩小、壽命長(zhǎng)。齒輪箱分為兩類，即定軸線齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。定軸線齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，造價(jià)低廉。行星齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)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(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，造價(jià)高。 如圖 2-6 所示。圖 2-6 齒輪箱整體圖2.3.5 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件，它的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。發(fā)電機(jī)可選用同步發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)是目前使用最多的一種發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)的定子與異步發(fā)電機(jī)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(lì)磁繞組） 、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子軸等組成，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵(lì)磁電流來(lái)建立磁場(chǎng)。為了便于起動(dòng)，磁極上還一般裝有籠型起動(dòng)繞組。同步發(fā)電機(jī)的工作原理：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子（含磁極）以轉(zhuǎn)速 n 旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)切割定子上的三相對(duì)稱繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為 f1的三相對(duì)稱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流輸出，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由定子繞組中的三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，即與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)靜止。因此，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率和極對(duì)數(shù)之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，即：延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書23f1=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(jī)組中主要部件的重量，并傳遞氣動(dòng)推力到塔架。主動(dòng)偏航的偏航軸承中含有齒圈，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的小齒輪與之嚙合，驅(qū)動(dòng)底板轉(zhuǎn)動(dòng)。偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)包括電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)小齒輪等。減速后使小齒輪低速增扭。主動(dòng)偏航的一個(gè)問(wèn)題是，斷續(xù)的偏航運(yùn)動(dòng)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(shí)制動(dòng)。主動(dòng)偏航系統(tǒng)的偏航運(yùn)動(dòng)是由偏航誤差控制的，當(dāng)偏航誤差超過(guò)一定時(shí)間段允許的范圍時(shí)，偏航開始啟動(dòng)！用調(diào)速器與限速裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速時(shí)，轉(zhuǎn)速恒定和不超過(guò)某一最高轉(zhuǎn)速限值。當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，這些裝置還可用來(lái)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(dòng)阻力式和變槳距角式。本風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采取如圖所示的主動(dòng)偏航式調(diào)速裝置，用于上風(fēng)式風(fēng)輪機(jī)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(duì)風(fēng)裝置延邊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書24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(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)，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(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，為此，需要對(duì)風(fēng)裝置。一些典型的對(duì)風(fēng)裝置，使用尾舵控制對(duì)風(fēng)的最簡(jiǎn)單的方法，小型風(fēng)力機(jī)多采用這種方式。在風(fēng)力機(jī)兩側(cè)裝有控制方向的舵輪，多用于中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。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(yùn)行引起的各種載荷，同時(shí)傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。塔架的剛度要適度，其自震頻率要避開運(yùn)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(jì)采用錐筒式塔架。2.3.9 附屬部件附屬部件包括機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體以及制動(dòng)裝置等，下面分別簡(jiǎn)要介紹。1、機(jī)艙風(fēng)力機(jī)常年在野外運(yùn)轉(zhuǎn)，不但要經(jīng)受狂風(fēng)暴雨的襲擊，還時(shí)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