3480 水平軸風力發(fā)電機設計

3480 水平軸風力發(fā)電機設計,水平,風力發(fā)電機,設計 指導教師：工學院機械設計制造及其自動化機械工程2008金泰玉學院名稱：專業(yè)名稱：本科生畢業(yè)論文（設計）開題報告延 邊 大 學學 號：年 級：學科門類：學生姓名：年 3 月 # 日2012 自然科學： □ 基礎研究類 □ 應用基礎研究類 □ 應用研究類類 型□ 論文■ 設計論文（設計）題目本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （ 設 計 ） 開 題 報 告設計內(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)電機各部分結構進行設計，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。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構都有重要意義。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:①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。②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。③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。④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□ 工程類 ■裝備置類 □ 產(chǎn)品類 □ 軟件類選題的內(nèi)容概述：選題的目的及意義：選題的相關研究現(xiàn)狀：隨著風電技術不斷進步和風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，風電成本一直呈下降趨勢，從1981~1995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的改進和發(fā)展。世界的風電技術都取得了長足進步，設計、制造技術也日益成熟，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，但其轉軸過長、轉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子的旋轉速度，比機械剎車更可靠，并且能降低費用。因為風能技術是一項高新技術、它涉及到氣象學、空氣動力學、結構動力學、計算機技術、控制技術、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)權的核心技術，因此很大程度上還要從國外引進技術?？傮w來說還處于跟蹤和引進國外的先進技術階段，而且個別引進的技術并不實用。就是某些引進的許可證，有的是國外淘汰技術，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠的技術、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質量、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。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)由政府有關技術與產(chǎn)業(yè)部門組織并投資研究風力發(fā)電技術與產(chǎn)品開發(fā)。首先從國外引進原裝產(chǎn)品、技術資料和圖紙，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的還有很長的路要走。在風力機槳葉設計和制造技術方面我國也遠遠落后于國外先進廠家，作為風力機國產(chǎn)化主要關鍵技術的葉片設計和制造技術沒有完全掌握，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還是與世界先進制造商的技術水平有一定的差距。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)，對于風力社會科學： □ 基礎研究類 □ 應用研究類 □ 綜合研究類小型風力風力發(fā)電機的設計分析 隨著風電技術不斷進步和風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，風電成本一直呈下降趨勢，從1981~1995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的改進和發(fā)展。世界的風電技術都取得了長足進步，設計、制造技術也日益成熟，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，但其轉軸過長、轉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子的旋轉速度，比機械剎車更可靠，并且能降低費用。因為風能技術是一項高新技術、它涉及到氣象學、空氣動力學、結構動力學、計算機技術、控制技術、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)權的核心技術，因此很大程度上還要從國外引進技術?？傮w來說還處于跟蹤和引進國外的先進技術階段，而且個別引進的技術并不實用。就是某些引進的許可證，有的是國外淘汰技術，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠的技術、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質量、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。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)由政府有關技術與產(chǎn)業(yè)部門組織并投資研究風力發(fā)電技術與產(chǎn)品開發(fā)。首先從國外引進原裝產(chǎn)品、技術資料和圖紙，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的還有很長的路要走。在風力機槳葉設計和制造技術方面我國也遠遠落后于國外先進廠家，作為風力機國產(chǎn)化主要關鍵技術的葉片設計和制造技術沒有完全掌握，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還是與世界先進制造商的技術水平有一定的差距。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。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 選題研究工作進展安排：本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （ 設 計 ） 開 題 報 告選題在哪些方面有所進展和創(chuàng)新：年 月 日年 月專業(yè)主任意見：日指導教師意見：[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)電技術及工程[M]. 北京：中國水利水電出版社.2009[3] 劉萬琨，張志英，李銀鳳等．風能與風力發(fā)電技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社.2006.9 [4] 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.2007.12[5] 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.2009.6[6] 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主要參考文獻：指導教師：專業(yè)主任：延邊大學本科畢業(yè)設計說明書1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。延邊大學本科畢業(yè)設計說明書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.延邊大學本科畢業(yè)設計說明書3目錄1. 緒論 ...............................................................51．1 風力發(fā)電發(fā)展概況 ............................................51．2 風力發(fā)電的背景 ..............................................61．2．1 能源危機 .............................................61．2．2 環(huán)境危機 .............................................61．2．3 可再生能源開發(fā)利用 ...................................71．2．4 風能開發(fā)利用 .........................................81．3 風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................81．3．1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀 .....................................91．3．2 國內(nèi)風電發(fā)展現(xiàn)狀 ....................................101．4 國內(nèi)外風電機組發(fā)展趨勢 .....................................111．4．1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 ..................................111．4．2 水平軸風電機組技術成為主流 ..........................111．4．3 風電機組單機容量持續(xù)增大 ............................121．4．4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術得到廣泛采用 ....................121．4．5 雙饋異步發(fā)電技術仍占主導地位 ........................121．4．6 大型風電機組關健部件的性能日益提高 ..................131．4．7 智能化控制技術提高了風電機的可靠性和壽命 ............131．4．8 葉片技術發(fā)展趨勢 ....................................131．4．9 風電場建設和運營的技術水平日益提高 ..................141．4．10 惡劣氣侯環(huán)境下的風電機可靠性得到重視 ...............141．5 小結 .......................................................152. 發(fā)電機組的基本功能構成及工作原理 .................................162．1 風電機組的基本功能構成 .....................................162．2 風電機組的工作原理 .........................................172. 3 風力發(fā)電機的基本結構及三維建模 .............................192．3．1 風輪 ................................................192．3．2 輪轂 ................................................192．3．3 主軸 ................................................202．3．4 齒輪箱 ..............................................212．3．5 發(fā)電機 ..............................................212．3．6 偏航系統(tǒng) ............................................222．3．7 對風裝置 ............................................232．3．8 塔架和基礎 ..........................................23延邊大學本科畢業(yè)設計說明書42．3．9 附屬部件 ............................................233. 風電發(fā)電機主要零件的設計計算 .....................................253．1 確定設計目標 ...............................................253．1．1 風力機總體設計方案 ..................................253．1．2 風力機零件設計方案 ..................................273．2 風力發(fā)電機設計中的相關理論及概念 ...........................283．2．1 風力機氣動設計理論基礎 ..............................283．2．2 葉片設計中的基本概念 ................................313．3．風力發(fā)電機葉輪系統(tǒng)設計計算 .................................333．3．1 葉輪的總體設計 ......................................333．3．2 葉片的設計計算 ......................................343．3．3 輪轂的選擇 ..........................................393．4 風力發(fā)電機增速器的設計計算 .................................393．4．1 傳動方案的確定 ......................................393．4．2 增速器基本設計要求及設計步驟 ........................403．4．3 傳動原理圖 ..........................................413．4．4 增速器各傳動部件的材料及力學性能 ....................423．4．5 第一級行星輪系傳動設計 ..............................433．4．6 第二級平行軸圓柱直齒輪設計 ..........................443．4．7 第三級平行軸圓柱斜齒輪設計 ..........................453．4．8 行星齒輪具體結構的確定 ..............................453．5 塔架的設計 .................................................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)的設計 .............................................473．7 制動系統(tǒng)的設計 .............................................483．8 其它附屬部件的設計 .........................................493．4．1 機艙的設計 ..........................................493．4．2 機座的設計 ..........................................493．4．1 回轉體的設計 ........................................49總結 .................................................................50致謝 .................................................................51參考文獻 .............................................................52延邊大學本科畢業(yè)設計說明書51. 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(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） 。延邊大學本科畢業(yè)設計說明書6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，裝機容量為延邊大學本科畢業(yè)設計說明書713.3MW；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(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，尤其是延邊大學本科畢業(yè)設計說明書8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，由延邊大學本科畢業(yè)設計說明書9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，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、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 億度風電電延邊大學本科畢業(yè)設計說明書10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 年又新延邊大學本科畢業(yè)設計說明書11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(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(nèi)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)，就占延邊大學本科畢業(yè)設計說明書12據(jù)了國內(nèi)外 49.8％市場份領。可以看出：世界風電機組制造企業(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(diào)節(jié)技術得到廣泛采用延邊大學本科畢業(yè)設計說明書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，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(diào)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(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延邊大學本科畢業(yè)設計說明書14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(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，延邊大學本科畢業(yè)設計說明書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。延邊大學本科畢業(yè)設計說明書16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2. 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。延邊大學本科畢業(yè)設計說明書17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(diào)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 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)延邊大學本科畢業(yè)設計說明書18轉速測量風力發(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（1-2211P== M?h2）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)殡娔堋０l(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；UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是 V；延邊大學本科畢業(yè)設計說明書19IN——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． 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?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。如圖 2-3 所示延邊大學本科畢業(yè)設計說明書20圖 2-3 風輪的結構圖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。輪轂如下圖 2-4 所示延邊大學本科畢業(yè)設計說明書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(diào)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。主軸如圖 2-5 所示圖 2-5 主軸示意圖2.3.4 齒輪箱延邊大學本科畢業(yè)設計說明書22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。 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：延邊大學本科畢業(yè)設計說明書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(diào)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(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 對風裝置延邊大學本科畢業(yè)設計說明書24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