風(fēng)電機(jī)組整機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)中國(guó)南車株洲電力機(jī)車研究所風(fēng)電事業(yè)部中國(guó)南車株洲電力機(jī)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(jī)械能發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能風(fēng)能機(jī)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(jiǎn)介 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一 樣。風(fēng)并非推動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過(guò)葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)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(jī)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(jī)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(jī)只能提取風(fēng)的功 率的40%或者更少。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分 風(fēng)輪、 機(jī)艙和塔桿。

2、大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電 機(jī)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(jī)，大型風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的。通常采用兩個(gè)不同的速度-在弱風(fēng)下用低速和在強(qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)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(jì)一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風(fēng)電機(jī)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(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)比起定速風(fēng)電機(jī)，越來(lái)越受歡迎。 機(jī)艙上安

3、裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和風(fēng)輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向，面向來(lái)風(fēng)。 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發(fā)電機(jī)）。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很普遍的。不過(guò)，為風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多極直 接驅(qū)動(dòng)式發(fā)電機(jī)，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(jī)艙內(nèi)）可提升發(fā)電機(jī)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(jī)的功率輸出是隨著風(fēng)而變的。強(qiáng)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(jī)，超過(guò)額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過(guò)業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí)，業(yè)片 尾部

4、制動(dòng)裝置會(huì)動(dòng)作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向?yàn)檩S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(dòng)力性能。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí) ，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來(lái)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(shí)，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(jī)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(xiàng)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(jī)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(jī)最具經(jīng)濟(jì)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(shí)所有制造商都有生產(chǎn)這類風(fēng)力發(fā)電機(jī) 。新一 代的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以這類機(jī)種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來(lái)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(dá)到約90米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（例如Vestas（維斯塔斯 ）V90 3.0兆瓦風(fēng) 電機(jī)， Nordex （德國(guó)恩德）N90 2.5兆瓦風(fēng)電機(jī)等），甚至有些直徑達(dá)100 米 ( 如GE（通用電氣） 3.6 兆瓦風(fēng)電機(jī)) 。 這些大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要市場(chǎng)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(jī) 。 另一類更大型的為海上應(yīng)用而設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并 制成原型機(jī)。例如REPower公司（德國(guó)

6、）設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑達(dá)126米，功率達(dá)5兆瓦。 3.風(fēng)的功率計(jì)算 風(fēng)的能量指的是風(fēng)的動(dòng)能。特定質(zhì)量的空氣的動(dòng)能可以用下列公式計(jì)算 。 能量= 1/2 X 質(zhì)量 X (速度)2 吹過(guò)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?？諝饷芏入S氣壓和溫度而變。隨著高度的升高，空氣密度也會(huì)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(guò)實(shí)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(jī)的功率曲線 在風(fēng)速很低的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會(huì)保持不動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)（通常每秒3到4米），風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開 始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來(lái)越強(qiáng)，輸出功率會(huì)增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá) 到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)會(huì)輸出其額定功率。之後輸出功率 會(huì)保留大致不變。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加，達(dá)到切出風(fēng)速的時(shí) 候，風(fēng)電機(jī)會(huì)剎車，不再輸出功率，為免受損。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能可以用功率曲線來(lái)表達(dá)。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(jī)的輸出功率。 為特定地點(diǎn)選取合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般方法是采用風(fēng)電機(jī)的功率曲線和該地點(diǎn)的風(fēng)力

8、資料以進(jìn)行產(chǎn)電量估算。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的功率會(huì)隨風(fēng)速變化會(huì)很大。 同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)。因此兩座同樣構(gòu)造和 風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)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(jì)是配合強(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī)）?？諝饷芏劝凑諛?biāo)準(zhǔn)空氣密度(1.225kg/m3)計(jì)算功率曲線如下。5.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要種類豎軸式橫軸式 橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)葉片固定軸的方位，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以分為橫軸和豎軸兩類。豎軸式風(fēng)電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向一致，橫軸式風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸方向與

9、風(fēng)向成直角。 橫軸式風(fēng)電機(jī)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(jī)則不必如此，因?yàn)樗梢允占煌瑏?lái)向的風(fēng)能。 橫軸式風(fēng)電機(jī)在世界上占主流位置。 逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 逆風(fēng)風(fēng)電機(jī)是一種風(fēng)輪面向來(lái)風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機(jī)。而對(duì)於順風(fēng)風(fēng)電機(jī)，來(lái)風(fēng)是從風(fēng)輪的背後吹來(lái)。大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是逆風(fēng)式的。 單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī) 葉片的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空氣動(dòng)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(jī)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(jī)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(huì)相互作用而降低系統(tǒng)效率。目前3葉片風(fēng)電機(jī)是主流。從美 學(xué)角度上看，3葉片的風(fēng)電機(jī)看上去較為平衡和美觀。6.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)風(fēng) 電電 場(chǎng)場(chǎng) 風(fēng)電系統(tǒng)可以是僅有一臺(tái)風(fēng)電機(jī)，或者由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)器線性排列或方陣排列形成風(fēng)電場(chǎng)。 風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互之間需要有足夠的距離，以免造成過(guò)強(qiáng)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(jī)的功率輸出。 為了配合運(yùn)送大型設(shè)備（特別是葉片）到安裝現(xiàn)場(chǎng)，須要建設(shè)道路。另外亦須要建設(shè)輸電線，把風(fēng)電場(chǎng)的輸出連接到電網(wǎng)接入點(diǎn)。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(jī)容量達(dá)58千兆瓦。德國(guó)、西班牙、美國(guó)、印度和丹麥?zhǔn)且燥L(fēng)力發(fā)

11、電裝機(jī)容量來(lái)算前幾名的國(guó)家。在丹麥，風(fēng)能發(fā)電提供該國(guó)總用電量的20。香港第一臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由香港電燈集團(tuán)於2005年末安裝在南丫島上，并於2006年二月正式啟用。該機(jī)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(zhǎng)率為28.5。根據(jù)德國(guó)風(fēng)能會(huì)（DEWI）的估計(jì)，風(fēng)能發(fā)電的年增長(zhǎng)率將保持高增長(zhǎng)率，在2012年或之前全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可能達(dá)到150千兆瓦。葉片輪轂 葉輪 機(jī)艙 塔架第二篇 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述葉輪直徑尺寸分類： 有82米和88米機(jī)型環(huán)境溫度分類： 常溫型：生存溫度：-25+45 運(yùn)行溫度：-15+45 低溫型：生存溫度：-40+4

12、5 運(yùn)行溫度：-30+451.風(fēng)電機(jī)組分類2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)3. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部簡(jiǎn)圖1.葉片數(shù)量：三只作用：機(jī)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(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)葉片的工作位置：在90度仰角時(shí)第三篇 葉輪現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)擠壓成型葉片鋁合金等弦長(zhǎng)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(dòng)輪轂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。3.變槳系統(tǒng)： 通過(guò)控制

13、系統(tǒng)將葉片以精細(xì)的變槳角度向順槳方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功率控制。 如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障，另兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以安全地使風(fēng)機(jī)停機(jī)。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(jī)低轉(zhuǎn)速需要高轉(zhuǎn)速將低轉(zhuǎn)速的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速的動(dòng)能2.工作原理3. 風(fēng)電機(jī)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(jī)艙重量的1/2。減振元件增加在齒輪箱與主機(jī)架之間。 對(duì)齒輪和軸承的保護(hù)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(dòng)。 防止疲勞點(diǎn)蝕。 冷卻、防銹、抗腐蝕。1.裝配位置第四篇 聯(lián)軸器制動(dòng)器2.聯(lián)軸器聯(lián)軸器作用： 作為一個(gè)柔性軸，它補(bǔ)償齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平行性偏差

14、和角度誤差。制動(dòng)器作用： 制動(dòng)器是一個(gè)液壓動(dòng)作的盤式制動(dòng)器，用于機(jī)械剎車制動(dòng)。3.制動(dòng)器制動(dòng)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(diǎn)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(huì)變成齒輪箱載荷齒輪箱可帶集成風(fēng)輪支撐缺點(diǎn)剎車力矩很大剎車力矩對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)子軸心線1.裝配位置第五篇 偏航系統(tǒng)功能：改變機(jī)艙朝向以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)、解纜保護(hù)。機(jī)組偏航1.靠什么裝置驅(qū)動(dòng)？2.“需要偏航”由誰(shuí)決定？3.“偏航多少角度”由誰(shuí)檢測(cè)？偏航驅(qū)動(dòng)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(jī)組對(duì)風(fēng)的測(cè)量是由風(fēng)速

15、風(fēng)向儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4.凸輪計(jì)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(jī)（機(jī)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(tái)。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(jì)算）主要為： 65米、70米 以運(yùn)行的環(huán)境溫度劃分有： 低溫型（-40C） 常溫型（-20C）3. 機(jī)組塔筒吊裝圖4.塔筒的高強(qiáng)度螺栓連接螺栓上的字符： 字母表示生產(chǎn)廠家的簡(jiǎn)稱，比如CA是一汽標(biāo)準(zhǔn)件廠的簡(jiǎn)寫。 下面的數(shù)字表示螺栓的強(qiáng)度等級(jí),圓點(diǎn)前的數(shù)字表示螺栓的抗拉強(qiáng)度Mpa的百分之一。圓點(diǎn)后的數(shù)字表示螺栓的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比的10倍 ?？估瓘?qiáng)度：抗拉強(qiáng)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(shí)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(dá)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