風(fēng)電機組整機基礎(chǔ)知識

1、風(fēng)力發(fā)電機組整機基礎(chǔ)知識中國南車株洲電力機車研究所風(fēng)電事業(yè)部中國南車株洲電力機車研究所風(fēng)電事業(yè)部1.風(fēng)力發(fā)電理論原理葉輪吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能風(fēng)能機械能電能變壓器升壓后輸送至電網(wǎng)第一篇 風(fēng)力發(fā)電簡介 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機的機翼一 樣。風(fēng)并非推動風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。 風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的 所有功率。根據(jù)Betz 定律，理論上風(fēng)電 機能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率 的 59.6%。大多數(shù)風(fēng)電機只能提取風(fēng)的功 率的40%或者更少。 風(fēng)力發(fā)電機主要包含三部分 風(fēng)輪、 機艙和塔桿。

2、大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電 機的最常見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片風(fēng)輪 ，并安裝在直立管狀塔桿上。 風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不像小型風(fēng)力發(fā)電機，大型風(fēng)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)力發(fā)電機是采用固定速度的。通常采用兩個不同的速度-在弱風(fēng)下用低速和在強風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機的感應(yīng)式異步發(fā)電機能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。 比較新型的設(shè)計一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風(fēng)電機轉(zhuǎn)速為每分鐘14轉(zhuǎn)到每分鐘 31.4轉(zhuǎn)）。利用可變速操作，風(fēng)輪的空氣動力效率可以得到改善，從而提取更多的能量，而且在 弱風(fēng)情況下噪音更低。因此，變速的風(fēng)電機設(shè)計比起定速風(fēng)電機，越來越受歡迎。 機艙上安

3、裝的感測器探測風(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機械裝置令機艙和風(fēng)輪自動轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪變速箱傳送到機艙內(nèi)的發(fā)電機（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發(fā)電機）。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)力發(fā)電機是很普遍的。不過，為風(fēng)電機而設(shè)計的多極直 接驅(qū)動式發(fā)電機，也有顯著的發(fā)展 。 設(shè)於塔底的變壓器（或者有些設(shè)於機艙內(nèi)）可提升發(fā)電機的電壓到配電網(wǎng)電壓（香港的情況為11千伏）。 所有風(fēng)力發(fā)電機的功率輸出是隨著風(fēng)而變的。強風(fēng)下最常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制風(fēng)輪所承受壓力）是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機，超過額定風(fēng)速的強風(fēng)會導(dǎo)致通過業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強時，業(yè)片 尾部

4、制動裝置會動作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強時 ，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。 葉片中嵌入了避雷條，當(dāng)葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去。2.風(fēng)力發(fā)電發(fā)展史 風(fēng)力發(fā)電機最初出現(xiàn)在十九世紀(jì)末。自二十世紀(jì)八十年代起 ，這項技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟 ，適合工業(yè)應(yīng)用 。近 二三十年 ，典型的風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪直徑不斷增大，而額定功率也不斷提升 。 在二十一世紀(jì) 00年代初 ，風(fēng)力發(fā)電機最具經(jīng)濟效益的額定 輸出功率范圍在 600千瓦至750千瓦之間，而風(fēng)輪直徑則在40米 至47米之

5、間。當(dāng)時所有制造商都有生產(chǎn)這類風(fēng)力發(fā)電機 。新一 代的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機是以這類機種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來的。 二零零七年初，有一 些制造商開始生產(chǎn)額定功率為幾兆瓦而風(fēng)輪直徑達到約90米的風(fēng)力發(fā)電機（例如Vestas（維斯塔斯 ）V90 3.0兆瓦風(fēng) 電機， Nordex （德國恩德）N90 2.5兆瓦風(fēng)電機等），甚至有些直徑達100 米 ( 如GE（通用電氣） 3.6 兆瓦風(fēng)電機) 。 這些大型風(fēng)力發(fā)電機主要市場是歐 洲。在歐洲，適合風(fēng)電的地段日漸減少，因此有逼切性安裝發(fā)電能力盡量高的風(fēng)力發(fā)電機 。 另一類更大型的為海上應(yīng)用而設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機，已經(jīng)完成設(shè)計并 制成原型機。例如REPower公司（德國

6、）設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪直徑達126米，功率達5兆瓦。 3.風(fēng)的功率計算 風(fēng)的能量指的是風(fēng)的動能。特定質(zhì)量的空氣的動能可以用下列公式計算 。 能量= 1/2 X 質(zhì)量 X (速度)2 吹過特定面積的風(fēng)的的功率可以用下列公式 算 。 功率= 1/2 X 空氣密度 X 面積 X ( 速 度 )3 其中功率單位為瓦 特； 空氣密度單位為千克/立方米； 面積指氣流橫截面積，單位為平方米 ； 速度單位為米/秒。 在海平面高度和攝氏15度的條件下，干空氣密度為 1.225千克/ 立方米。空氣密度隨氣壓和溫度而變。隨著高度的升高，空氣密度也會下降。 上述公式中可以看出，風(fēng)的功率與速度的三次方（立方）成正比，并

7、與風(fēng)輪掃掠面積成正比。不過實際上，風(fēng)輪只能提取風(fēng) 的能量中的一部分，而非全部 。4.風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線 在風(fēng)速很低的時候，風(fēng)電機風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_切入風(fēng)速時（通常每秒3到4米），風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機開 始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強，輸出功率會增加。當(dāng)風(fēng)速達 到額定風(fēng)速時，風(fēng)電機會輸出其額定功率。之後輸出功率 會保留大致不變。當(dāng)風(fēng)速進一步增加，達到切出風(fēng)速的時 候，風(fēng)電機會剎車，不再輸出功率，為免受損。 風(fēng)力發(fā)電機的性能可以用功率曲線來表達。功率曲 線是用作顯示在不同風(fēng)速下（切入風(fēng)速到切出風(fēng)速）風(fēng)電機的輸出功率。 為特定地點選取合適的風(fēng)力發(fā)電機，一般方法是采用風(fēng)電機的功率曲線和該地點的風(fēng)力

8、資料以進行產(chǎn)電量估算。 風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速設(shè)而定的。由於能量與風(fēng)速的立方成正比，因此 ，風(fēng)力發(fā)電機的功率會隨風(fēng)速變化會很大。 同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機可以配以不同大小的發(fā)電機。因此兩座同樣構(gòu)造和 風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機可能有相當(dāng)不同的額定輸出功率值，這取決於它的設(shè)計是配合強風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機）。空氣密度按照標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(1.225kg/m3)計算功率曲線如下。5.風(fēng)力發(fā)電機的主要種類豎軸式橫軸式 橫軸風(fēng)力發(fā)電機和豎軸風(fēng)力發(fā)電機根據(jù)葉片固定軸的方位，風(fēng)力發(fā)電機可以分為橫軸和豎軸兩類。豎軸式風(fēng)電機工作時轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向一致，橫軸式風(fēng)電機轉(zhuǎn)軸方向與

9、風(fēng)向成直角。 橫軸式風(fēng)電機通常需要不停地變向以保持與風(fēng)向一致。而 豎軸式風(fēng)電機則不必如此，因為它可以收集不同來向的風(fēng)能。 橫軸式風(fēng)電機在世界上占主流位置。 逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機 逆風(fēng)風(fēng)電機是一種風(fēng)輪面向來風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機。而對於順風(fēng)風(fēng)電機，來風(fēng)是從風(fēng)輪的背後吹來。大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機是逆風(fēng)式的。 單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機 葉片的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空氣動力效率、復(fù)雜度、成本、噪音、美 學(xué)要求等等。大型風(fēng)力發(fā)電機可由1、2或者3片葉片構(gòu)成。葉片較少的風(fēng)力發(fā) 電機通常需要更高的轉(zhuǎn)速以提取風(fēng)中的能量，因此噪音比較大

10、 。而如果葉片 太多，它們之間會相互作用而降低系統(tǒng)效率。目前3葉片風(fēng)電機是主流。從美 學(xué)角度上看，3葉片的風(fēng)電機看上去較為平衡和美觀。6.風(fēng)電場風(fēng)風(fēng) 電電 場場 風(fēng)電系統(tǒng)可以是僅有一臺風(fēng)電機，或者由多臺風(fēng)電機器線性排列或方陣排列形成風(fēng)電場。 風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機相互之間需要有足夠的距離，以免造成過強的湍流相互影響，或由於“尾流效應(yīng)”而嚴(yán)重減低後排風(fēng)電機的功率輸出。 為了配合運送大型設(shè)備（特別是葉片）到安裝現(xiàn)場，須要建設(shè)道路。另外亦須要建設(shè)輸電線，把風(fēng)電場的輸出連接到電網(wǎng)接入點。7.世界各地的風(fēng)力發(fā)電裝置 到2005年底，世界總風(fēng)力發(fā)電裝機容量達58千兆瓦。德國、西班牙、美國、印度和丹麥?zhǔn)且燥L(fēng)力發(fā)

11、電裝機容量來算前幾名的國家。在丹麥，風(fēng)能發(fā)電提供該國總用電量的20。香港第一臺大型風(fēng)力發(fā)電機是由香港電燈集團於2005年末安裝在南丫島上，并於2006年二月正式啟用。該機額定輸出功率為800千瓦。 風(fēng)能是可再生能源發(fā)展中最快的部分。由1995年到2005年之間的年增長率為28.5。根據(jù)德國風(fēng)能會（DEWI）的估計，風(fēng)能發(fā)電的年增長率將保持高增長率，在2012年或之前全球風(fēng)力發(fā)電裝機容量可能達到150千兆瓦。葉片輪轂 葉輪 機艙 塔架第二篇 風(fēng)力發(fā)電機組概述葉輪直徑尺寸分類： 有82米和88米機型環(huán)境溫度分類： 常溫型：生存溫度：-25+45 運行溫度：-15+45 低溫型：生存溫度：-40+4

12、5 運行溫度：-30+451.風(fēng)電機組分類2.風(fēng)力發(fā)電機組基本參數(shù)3. 風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)部簡圖1.葉片數(shù)量：三只作用：機組吸收風(fēng)能的部件主要材料：玻璃鋼變槳系統(tǒng)：改變?nèi)~片仰角可實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)葉片的工作位置：在90度仰角時第三篇 葉輪現(xiàn)場照片葉片技術(shù)發(fā)展材料木制葉片及布蒙皮葉片木制葉片及布蒙皮葉片 鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片 鋁合金等弦長擠壓成型葉片鋁合金等弦長擠壓成型葉片 玻璃鋼復(fù)合葉片玻璃鋼復(fù)合葉片 碳纖維復(fù)合葉片碳纖維復(fù)合葉片 葉片技術(shù)發(fā)展尺寸三葉片雙葉片單葉片2.輪轂功能： 固定葉片，連接齒輪箱。葉片受力后，帶動輪轂順時針旋轉(zhuǎn)，即將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。3.變槳系統(tǒng)： 通過控制

13、系統(tǒng)將葉片以精細的變槳角度向順槳方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)風(fēng)機的功率控制。 如果一個驅(qū)動器發(fā)生故障，另兩個驅(qū)動器可以安全地使風(fēng)機停機。4.葉輪組裝圖片第三篇 齒輪箱1.裝配位置齒輪箱葉輪發(fā)電機低轉(zhuǎn)速需要高轉(zhuǎn)速將低轉(zhuǎn)速的動能轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速的動能2.工作原理3. 風(fēng)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)4.齒輪箱的減噪裝置圖片齒輪箱的重量約占機艙重量的1/2。減振元件增加在齒輪箱與主機架之間。 對齒輪和軸承的保護作用： 減小摩擦和磨損，具有更高的承載能力，防止膠合。 吸收沖擊和振動。 防止疲勞點蝕。 冷卻、防銹、抗腐蝕。1.裝配位置第四篇 聯(lián)軸器制動器2.聯(lián)軸器聯(lián)軸器作用： 作為一個柔性軸，它補償齒輪箱輸出軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的平行性偏差

14、和角度誤差。制動器作用： 制動器是一個液壓動作的盤式制動器，用于機械剎車制動。3.制動器制動器圖片4.剎車系統(tǒng)位于齒輪箱高速端與低速端的比較低速軸上高速軸上優(yōu)點高可靠剎車直接作用在風(fēng)輪上剎車力矩小剎車力矩不會變成齒輪箱載荷齒輪箱可帶集成風(fēng)輪支撐缺點剎車力矩很大剎車力矩對齒輪箱有載荷沖擊多數(shù)情況要采用非集成風(fēng)輪支撐的齒輪箱安全性差齒輪箱輸出軸軸心線發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸心線1.裝配位置第五篇 偏航系統(tǒng)功能：改變機艙朝向以實現(xiàn)對風(fēng)、解纜保護。機組偏航1.靠什么裝置驅(qū)動？2.“需要偏航”由誰決定？3.“偏航多少角度”由誰檢測？偏航驅(qū)動裝置側(cè)面軸承偏航大齒圈滑墊保持裝置3.風(fēng)速風(fēng)向儀 風(fēng)電機組對風(fēng)的測量是由風(fēng)速

15、風(fēng)向儀來實現(xiàn)的。4.凸輪計數(shù)器 獲得較高且穩(wěn)定的風(fēng)速，即讓風(fēng)輪處于風(fēng)能最佳的位置。 給風(fēng)輪及主機（機艙）提供滿足功能要求的、可靠的固定支撐。 提供安裝、維修等工作的平臺。1.塔筒的作用第六篇 塔筒 a、張線支撐式 b、懸臂梁式 c、 目前南車風(fēng)電所用塔架（以輪轂中心高計算）主要為： 65米、70米 以運行的環(huán)境溫度劃分有： 低溫型（-40C） 常溫型（-20C）3. 機組塔筒吊裝圖4.塔筒的高強度螺栓連接螺栓上的字符： 字母表示生產(chǎn)廠家的簡稱，比如CA是一汽標(biāo)準(zhǔn)件廠的簡寫。 下面的數(shù)字表示螺栓的強度等級,圓點前的數(shù)字表示螺栓的抗拉強度Mpa的百分之一。圓點后的數(shù)字表示螺栓的屈服強度與抗拉強度的比的10倍 。抗拉強度：抗拉強度： 當(dāng)鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，此時變形雖然發(fā)展很快，但卻只能隨著應(yīng)力的提高而提高，直至應(yīng)力達最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發(fā)生