畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級指導(dǎo)教師 職 稱 單 位課題性質(zhì) 設(shè)計(jì)□ 論文□ 課題來源 科研□ 教學(xué)□ 生產(chǎn)□ 其它□畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)一、課題研究的意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)市場對風(fēng)能的需求量與日俱增，風(fēng)能市場也迅速發(fā)展起來，風(fēng)能作為一種可再生的能源，愈來愈受到世界各國的重視，其蘊(yùn)藏量巨大，全球風(fēng)能資源總量 2.74X109MW，其中可利用風(fēng)能 2X107MW 中國風(fēng)能儲存量巨大，分布面廣，僅陸地上風(fēng)能儲量就有 3.53 億千瓦，開發(fā)利用潛能巨大。中國風(fēng)力等新能源的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風(fēng)電裝機(jī)的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風(fēng)電成本可望再降。因此風(fēng)電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風(fēng)電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場前景看好。二、課題研究的目的人類追求經(jīng)濟(jì)成長及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊(yùn)藏量有限，統(tǒng)計(jì)顯示依照目前的消耗速率，石油蘊(yùn)藏量能供人類使用不到 50 年，天然氣不到 70 年，煤炭較久超過 200年，終有一日人類將沒有石油可用。然而風(fēng)力發(fā)電不一樣，由于攝取大自然的風(fēng)能，只要太陽及地球仍在運(yùn)行即無匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在它 20 年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機(jī)，在卸除它能耗費(fèi)能源的 80 倍，是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進(jìn)口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進(jìn)能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟(jì)社會層面，風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會，從零組件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、維護(hù)等，皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛硐喈?dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)會與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風(fēng)能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。風(fēng)能是最具商業(yè)潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，取用不盡。風(fēng)力發(fā)電具有裝機(jī)容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電在為經(jīng)濟(jì)增長提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的同時，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問題。在各類新能源開發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)相對成熟、并具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)開發(fā)條件的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電可以減少化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的大量的污染物和碳排放。大規(guī)模推廣風(fēng)電可以為節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。風(fēng)電的優(yōu)越性可歸納為下面五點(diǎn)： 1、風(fēng)力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。 2、風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達(dá) 95%以上，已是一種安全可靠的能源。 3、風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電。若計(jì)算涉及煤電的環(huán)境保護(hù)與交通運(yùn)輸?shù)拈g接投資，則風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤電。 4、風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)工期短，單臺機(jī)組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間，是煤電、核電無可比擬的。 投資規(guī)模靈活，有多少錢裝多少機(jī)。目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為 2-3 個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機(jī)。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個機(jī)艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機(jī)艙始終對風(fēng)。 5、風(fēng)能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，隨著生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，新能源的開發(fā)日益受到重視，由于風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性日益改善，因此國家對風(fēng)力發(fā)電已制定了發(fā)展計(jì)劃。三、目前國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (簡稱風(fēng)電機(jī))是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過齒輪箱增速，驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。在理論上，最好的風(fēng)輪只能將約 60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的效率可達(dá)到 40%。風(fēng)電機(jī)輸出達(dá)到額定功率前，功率與風(fēng)速的立方成正比，即風(fēng)速增加 1 倍，輸出功率增加 8 倍，所以同力發(fā)電的效益與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速關(guān)系極大。由于風(fēng)速隨時在變化，風(fēng)電機(jī)常年在野外運(yùn)行，承受十分復(fù)雜惡劣的交變載荷。當(dāng)前生產(chǎn)的主力機(jī)型為600~750kW，機(jī)體龐大，風(fēng)輪直徑和塔架高度都達(dá)到 40~50m，設(shè)計(jì)和制造較困難。目前風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命是 20a，要求經(jīng)受住 60 m/s 的 11 級暴風(fēng)襲擊，代表機(jī)組可靠性的可利用率要達(dá)到 95%以上。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開發(fā)了由微機(jī)控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。當(dāng)前，世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是：1）風(fēng)力機(jī)單機(jī)大型化風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量不斷增加是風(fēng)電技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。商業(yè)風(fēng)力機(jī)平均單機(jī)容量從 1982 年為55kw 到 2002 年約為 1100kw，20 年增加了近 20 倍。隨著技術(shù)的逐漸成熟早年多樣化的設(shè)計(jì)理念也趨向統(tǒng)一。單機(jī)容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機(jī)組采用更高的塔架，有利于捕獲風(fēng)能，50m 高度捕獲的風(fēng)能要比 30m 高度處多 20%。目前，商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá) 3.6MW。2）變速恒頻機(jī)組將成為主流機(jī)型目前，世界各地風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)為恒速運(yùn)行機(jī)組。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和變速恒頻機(jī)組的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)開始改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，在低于額定風(fēng)俗的相當(dāng)大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風(fēng)能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性隨著風(fēng)力機(jī)葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結(jié)構(gòu)更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時，針對風(fēng)力機(jī)的空氣動力環(huán)境，風(fēng)力機(jī)專用新翼型也得到廣泛應(yīng)用，大大改善葉片的氣動性能。4）海上風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展由于海上風(fēng)力資源比陸地上好，風(fēng)速比沿岸路上約高 25%，且海面粗糙度小，海上風(fēng)場湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，減少機(jī)組疲勞載荷，延長使用壽命。5）中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展我國風(fēng)電經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，風(fēng)電的實(shí)際應(yīng)用已有了長足的進(jìn)步，在可再生能源的發(fā)電利用中僅次于水電。中國風(fēng)電近些年的總體狀況表現(xiàn)出風(fēng)電蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁勢頭以及越來越廣泛的應(yīng)用規(guī)模。最新的調(diào)查顯示，我國風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到 2580 萬 Kw,位居世界第二，稍微超過德國，截止2009 年 12 月 31 日我國已經(jīng)有 24 個省、自治區(qū)、直轄市建設(shè)了風(fēng)電場，主要分布在內(nèi)蒙古、甘肅、遼寧、、江蘇、河北、廣東等地。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，還表現(xiàn)在風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化率比以往有了明顯增長，特別是金風(fēng)的風(fēng)電設(shè)備水平已經(jīng)具有一定的市場競爭力，目前已具備制造 1200kW 以上機(jī)組的能力。四、本課題的研究內(nèi)容1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體概述2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總體裝配圖和主要零部件圖的繪制4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡單維護(hù)和保養(yǎng)5 總結(jié)五、研究方法1、查閱有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)資料，并對相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程進(jìn)行復(fù)習(xí)。2、通過分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算得到有關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)3、對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的校核，并依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇有關(guān)的零部件4、進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制有關(guān)零件圖以及總體結(jié)構(gòu)圖5、編寫技術(shù)說明書六、進(jìn)度安排2-3 周：調(diào)查研究了解目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分析同類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、使用過程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)；4-5 周：參考資料查詢、總體方案的確定；6-7 周：方案的可行性分析8-10 周：總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析：11-12 周：系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算：13-14 周：零件的設(shè)計(jì)計(jì)算：15-16 周：整理材料，編寫設(shè)計(jì)計(jì)算書，進(jìn)行答辯。七、參考文獻(xiàn)[1]謝家瀛 機(jī)械制造技術(shù)概論 2001 年 7 月 1 日機(jī)械工業(yè)出版社[2] 中國風(fēng)能技術(shù)開發(fā)中心 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 1998.12[3]程明，張運(yùn)乾，張建中 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 2009 年 9 月[4]龍澤強(qiáng) 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究 中國風(fēng)能技術(shù)開發(fā)中心指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師簽名：年 月 日教研室意見：審 查 結(jié) 果： 同 意□ 不 同 意□教研室主任簽名：年 月 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì) 二級學(xué)院（直屬學(xué)部）： 專業(yè)： 班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名： 職稱： 評閱教師姓名： 職稱： 年 03 月摘 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(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)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過葉輪將風(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 增速器水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)目 錄第 1 章 緒論.11.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況.11.2 風(fēng)力發(fā)電的背景.21.2.1 能源危機(jī)21.2.2 環(huán)境危機(jī)21.2.3 可再生能源開發(fā)利用31.2.4 風(fēng)能開發(fā)利用31.3 風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.41.3.1 國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀41.3.2 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀51.4 國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢.51.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢51.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流61.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大61.4.4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用61.4.5 雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位61.4.6 大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)健部件的性能日益提高71.4.7 智能化控制技術(shù)提高了風(fēng)電機(jī)的可靠性和壽命71.4.8 葉片技術(shù)發(fā)展趨勢71.4.9 風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營的技術(shù)水平日益提高81.4.10 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)可靠性得到重視81.5 小結(jié).8第 2 章 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu).92.1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分.92.2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理.92.2.1 能量流102.2.2 信息流112.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu).112.3.1 風(fēng)輪112.3.2 輪轂122.3.3 主軸122.3.4 齒輪箱122.3.5 發(fā)電機(jī)122.3.6 偏航系統(tǒng)122.3.7 對風(fēng)裝置132.3.8 塔架和基礎(chǔ)132.3.9 附屬部件13第 3 章 風(fēng)電發(fā)電機(jī)主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算.153.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo).153.1.1 風(fēng)力機(jī)總體設(shè)計(jì)方案153.1.2 風(fēng)力機(jī)零件設(shè)計(jì)方案173.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的相關(guān)理論及概念.173.2.1 風(fēng)力機(jī)氣動設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)173.2.2 葉片設(shè)計(jì)中的基本概念193.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.213.3.1 葉輪的總體設(shè)計(jì)213.3.2 葉片設(shè)計(jì)計(jì)算223.2.3 輪轂的設(shè)計(jì)263.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算.263.3.1 傳動方案的確定263.3.2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟273.3.3 傳動原理圖283.3.4 增速器各傳動部件的材料及力學(xué)性能283.3.5 第一級行星輪系傳動設(shè)計(jì)293.3.6 第二級行星輪系傳動設(shè)計(jì)303.3.7 第三級平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì)303.3.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定313.4 塔架設(shè)計(jì).313.4.1 塔架高度的確定323.4.2 塔架形式確定323.5 偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì).323.6 制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì).333.7 其它附屬部件的設(shè)計(jì).333.7.1 機(jī)艙的設(shè)計(jì)333.7.2 機(jī)座的設(shè)計(jì)343.7.3 回轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)34總 結(jié).35致 謝.36參考文獻(xiàn).37水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)0第 1 章 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(jī)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(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)?；?，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來，大型風(fēng)電機(jī)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(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(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個動態(tài)過程構(gòu)成，即啟動、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)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(yùn)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(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） 。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(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、西歐等發(fā)達(dá)國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。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(jì)裝機(jī)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(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已超過了 120.8GW，相當(dāng)于減1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(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(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，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場。1986～1993 年，全國共建 12 個風(fēng)電場，裝機(jī)容量為 13.3MW；1994～1999 年，全國共建有 21 個風(fēng)電場，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，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長對能源的需求越來越大，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)，對世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國際輿論開始關(guān)注世界能源危機(jī)問題。全球能源危機(jī)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(jì)算，石油儲量大約在 2050 年左右即將枯竭；天然氣儲量估計(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(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，能源危機(jī)凸顯的同時，環(huán)境危機(jī)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(jì)，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(qiáng)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(dá)到 5000 萬年前的 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，而是人類活動排放的 CO2 等溫室氣體效應(yīng)造水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)2成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2 密切相關(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(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)帷⑸镔|(zhì)和其他可再生能源。因?yàn)樗鼈冊谏a(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(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(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(yùn)動，空氣流動所形成的動能稱為風(fēng)能。據(jù)估計(jì)到達(dá)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(jìn)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(jì)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(jī)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(jià)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(jī)械無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)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(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，當(dāng)時的發(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，各國都在積極研制、開發(fā) 1100kW 以上的大型風(fēng)電機(jī)組。美國在 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、丹麥、德國、日本、西班牙等國，也根據(jù)各自國家的3情況制訂了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃。在 20 世紀(jì) 70 年代中期以后，我國將風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家重點(diǎn)項(xiàng)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(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(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。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（1）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(jià)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(kuò)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(jià)格完全可以和煤電競爭，低于燃?xì)怆妰r(jià)。（2）裝機(jī)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(jì)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(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(jì)風(fēng)電裝機(jī)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(jī)容量超過 27GW，同比增長 42%，風(fēng)電裝機(jī)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(jī)容量達(dá)到了 120.8GW，美國超過德國，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時也成為第二個風(fēng)電裝機(jī)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(jì)裝機(jī)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(jī)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(jī)容量為 88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了 66GW。美國 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)美國竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國所有新增電力裝機(jī)的 42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到 8.34GW，同比增長 157%，累計(jì)增長 49.6%，完成新增投資 170 億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。（3）發(fā)展規(guī)劃20 世紀(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)，并要求其成員國根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國的發(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，分別占屆水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)4時歐盟風(fēng)電裝機(jī)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（1）裝機(jī)容量2004 年年底，全國的風(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 60%，總?cè)萘窟_(dá)到了 1260GW。2006年新增裝機(jī)容量超過 100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過 2.6GW。2007 年又新增裝機(jī)容量3.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 5.9GW，超過丹麥，成為世界第 5 風(fēng)電大國。當(dāng)年裝機(jī)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(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)容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。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。（2）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(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 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(jìn)入我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場。（3）風(fēng)電技術(shù)研發(fā)“九五”和“十五”期間，我國政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”和“國家科技攻關(guān)計(jì)劃” ，以及國債項(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“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國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)，研制成功兆瓦級風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。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(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢縱觀世界風(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)5外 49.8％市場份領(lǐng)。可以看出：世界風(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、收購愈演愈烈。法國阿?，m集團(tuán)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(dá)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(tuán)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(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％以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過長、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動、停機(jī)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(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來，國際上相關(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，世界風(fēng)電市場中風(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 年我國陸地風(fēng)電場安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為 2MW。近年來，海上風(fēng)電場的開發(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 2009 年安裝的 MW 級風(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)組大多采用三個獨(dú)立的電控調(diào)槳機(jī)構(gòu)，通過三組變速電機(jī)和減速箱對槳葉分別進(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，在國際水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)6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(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)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(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。我國內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、東方氣輪機(jī)、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(jī)組。2009 年我國新增風(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；某些公司還對槳葉及變槳距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如德國 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)長達(dá) 48.8m，與 3 兆瓦風(fēng)電機(jī)組配套的大尺寸葉片，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?jiān)措姎?、九州電氣和禾旺電氣?10 多家企業(yè)已具備兆瓦級風(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，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)展趨勢隨著風(fēng)電機(jī)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(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(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。對于陸上風(fēng)電機(jī)組7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(qiáng)化碳纖維材料。為了方便兆瓦級葉片的道路運(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(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。熱塑材料的應(yīng)用：LM Glasfibre 公司正開展一項(xiàng)耗資 8 百萬歐元的研究項(xiàng)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(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。國外還對風(fēng)電機(jī)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(jìn)步，預(yù)測精確度可達(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(diǎn)，惡劣氣候環(huán)境已對風(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，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，今年來中國的風(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，世界各國都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國能源耗費(fèi)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(shí)施辦法出臺，相信我國的風(fēng)電發(fā)展將會快步前進(jìn)。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(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。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)8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)電單元第 2 章 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與制動；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)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(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)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(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） ，再通過風(fēng)輪軸驅(qū)動與之連接的機(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稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動鏈，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、傳動和制動機(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(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，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動機(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)測兩部分：大型風(fēng)電機(jī)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(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機(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9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 轉(zhuǎn)速測量風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速風(fēng)速、風(fēng)向 功率測量圖 2-2 風(fēng)電機(jī)的工作原理2.2.1 能量流當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，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(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）2211P== h式中 P 2——主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W；M2——主傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)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(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；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)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)10UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是 V；IN——流過定子繞組線電流，單位是 A；cos ——功率因數(shù)；jh2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。2.2.2 信息流信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進(jìn)行的。控制系統(tǒng)的功能是過程控制和安全保護(hù)。過程控制包括起動、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(jìn)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(jī)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(jī)，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(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，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(jī)時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)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(shí)現(xiàn)制動。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，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)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。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的對象。112.3.2 輪轂風(fēng)力機(jī)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(jī)驅(qū)動的對象（發(fā)電機(jī)） 。同時輪轂也實(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(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。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、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)過調(diào)質(zhì)處理，保證鋼材在強(qiáng)度、塑性、韌性 3 個方面都有較好的綜合機(jī)械性能，在設(shè)計(jì)加工圖時，必須注明這一技術(shù)要求。2.3.4 齒輪箱齒輪箱是風(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(hù)容易，造價(jià)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(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，造價(jià)高。 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(jī)的工作原理：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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=pn1/602.3.6 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，并傳遞氣動推水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)12力到塔架。主動偏航的偏航軸承中含有齒圈，偏航驅(qū)動機(jī)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(jī)包括電機(jī)、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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)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(jī)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(jī)，利用電機(jī)驅(qū)動。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(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(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，同時傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個風(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)體以及制動裝置等，下面分別簡要介紹。（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(jī)艙” 。田園一號風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙設(shè)計(jì)的的輕巧、美觀并帶有流線型，它是由重量輕、強(qiáng)度高而又耐腐蝕的玻璃鋼制作，并在金屬機(jī)艙的面板上相間敷以玻璃布與環(huán)氧樹脂保護(hù)層。（2）機(jī)座機(jī)座用來支撐塔架上方風(fēng)力機(jī)的所有設(shè)備及附屬部件，它牢固與否直接關(guān)系到整機(jī)的安全和使用壽命。機(jī)座的設(shè)計(jì)要與整機(jī)布置統(tǒng)一考慮，在滿足強(qiáng)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(jī)的機(jī)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13紋、夾渣、氣孔等缺陷。（3）回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體是機(jī)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(jī)座相連。當(dāng)風(fēng)向變化時，風(fēng)力機(jī)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(jī)構(gòu)，是風(fēng)力機(jī)非常重要的附屬部件，它可以保證風(fēng)力機(jī)在維修或大風(fēng)期間風(fēng)輪處于制動狀態(tài)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)14第 3 章 風(fēng)電發(fā)電機(jī)主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)積累和豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)質(zhì)量的必備條件。3.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)與所有大型裝備的設(shè)計(jì)相似，首先需要明確所設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機(jī)組與偏僻地區(qū)的小型單機(jī)設(shè)計(jì)需求明顯不同。因此，針對設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)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(jī)組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行和維修。近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)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(yùn)輸方式需要重點(diǎn)考慮。此外，檢修、維護(hù)不便，對可靠性有更高的要求。3.1.1 風(fēng)力機(jī)總體設(shè)計(jì)方案風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電裝備,且要求較好的性價(jià)比?？傮w設(shè)計(jì)是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計(jì)過程 ， 在某種意義上來說 ，總體設(shè)計(jì)可以決定整個設(shè)計(jì)過程的成敗 。由于風(fēng)電機(jī)組由多個功能子系統(tǒng)組成 ，機(jī)組總體設(shè)計(jì)與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)密切相關(guān) ，以針對風(fēng)輪部件的總體設(shè)計(jì)為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝與成本等多方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而這些設(shè)計(jì)目標(biāo)很難同時達(dá)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(jī)組發(fā)展的主要動力和研究熱點(diǎn) ，如何根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，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(jià)比要求，是風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。以下簡要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與大致步驟:（1）風(fēng)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案①總體氣動布局方案設(shè)計(jì)隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計(jì)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)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(jìn)行比較和選擇，并結(jié)合機(jī)組性能和氣動特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機(jī)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(jì)算報(bào)告。②風(fēng)電機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組氣動設(shè)計(jì)前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運(yùn)行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計(jì)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(jì)的基本要求是發(fā)電成本最低、機(jī)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(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)此階段是需要從風(fēng)電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計(jì)界面，保證總體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。④載荷分析與風(fēng)電機(jī)組基本性能的預(yù)評估15在設(shè)計(jì)初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠承受正常運(yùn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(jì)方案根據(jù)整機(jī)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(jì)工作。設(shè)計(jì)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(bào)告和技術(shù)說明。⑥配套附件選擇和確定整機(jī)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?？傮w設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗(yàn)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(jì)的失誤和延期。上述總體設(shè)計(jì)的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果是：風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案圖、總體布置圖和設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告、風(fēng)電機(jī)性能分析與載荷初步分析報(bào)告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計(jì)示意圖、系統(tǒng)原理圖。（2）風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析在初步完成風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對風(fēng)電機(jī)組動特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。動特性分析屬于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究范疇，主要涉及動載荷分析、振動及結(jié)構(gòu)動特性分析等方面的內(nèi)容。①動載荷問題作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動和機(jī)械載荷會引起葉片等構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動負(fù)荷。因此，這實(shí)質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問題，對風(fēng)輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。同時，葉片等構(gòu)件的動負(fù)載將合成為風(fēng)輪的動負(fù)載，也是風(fēng)電機(jī)振動的主要振源。②振動風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計(jì)都必須考慮振動問題。振動會引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備的可靠性和可用性。③穩(wěn)定性風(fēng)電機(jī)組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會導(dǎo)致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展史上，運(yùn)行中風(fēng)輪與其他機(jī)體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振） 、變距/ 擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。（3）風(fēng)電機(jī)組的可靠性設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)16靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機(jī)組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用率實(shí)際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組固有可靠性和運(yùn)行管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。3.1.2 風(fēng)力機(jī)零件設(shè)計(jì)方案（1）風(fēng)電機(jī)組部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)根據(jù)確定的總體氣動布局、總體技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)載荷以及風(fēng)電機(jī)組的初步結(jié)構(gòu)方案，開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這些子系統(tǒng)或主要的部件有：風(fēng)輪（包括詳細(xì)的葉片結(jié)構(gòu)、輪轂、變槳距機(jī)構(gòu)等） 、主傳動鏈（包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置等） 、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)艙和主機(jī)架、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等。（2）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則風(fēng)電機(jī)組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，參照合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與校核。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強(qiáng)度要求，并進(jìn)行必要的剛度分析。（3）零部件強(qiáng)度與剛度分析①結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。對于載荷的波動情況，一般需要通過增加許用安全系數(shù)加以解決。②構(gòu)件剛度分析構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。實(shí)際上，構(gòu)件的剛度分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計(jì)要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強(qiáng)度分析使設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化。③結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命的主要失效形式之一。有鑒于風(fēng)電機(jī)組的循環(huán)和隨機(jī)載荷作用條件，許多構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細(xì)分析主要零部件在風(fēng)電機(jī)組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。④零部件的工程詳圖設(shè)計(jì)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以開展風(fēng)電機(jī)組的工程詳圖設(shè)計(jì)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作。設(shè)計(jì)中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的相關(guān)理論及概念葉片是風(fēng)車結(jié)構(gòu)中最重要的，也是受力最復(fù)雜的部件。風(fēng)車運(yùn)行在隨時變化的自然環(huán)境中，受力情況復(fù)雜，風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)是風(fēng)車設(shè)計(jì)的。葉片是風(fēng)車吸收風(fēng)能的部件，業(yè)是主要的受力部件。設(shè)計(jì)優(yōu)良的葉片能夠很好的控制載荷，同時最大幅度的提高風(fēng)車的效率。因此，對風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。3.2.1 風(fēng)力機(jī)氣動設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)貝茨（Betz ）理論世界上第一個關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整的理論是 1919 年由 A·貝茨17（Betz ）建立的。貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能（沒有輪毅） ，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的） ，這時的風(fēng)輪稱“理想風(fēng)輪” 。分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 v1,v 是實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速。v2 是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積 s1,葉片掃掠面的風(fēng)速面積 s 及掃掠后風(fēng)速面積 s2。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能.如圖 3-1 所示。v1---葉片前的風(fēng)速；v--風(fēng)經(jīng)過葉片時的速度；v2--風(fēng)經(jīng)過葉片后的速度；S1--葉片前的風(fēng)速的面積；S--風(fēng)經(jīng)過葉片時的面積；S2--風(fēng)經(jīng)過葉片后的面積，于是1svsv=風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得：F=ρsv（v2-v1） 圖 3-1 貝