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风力发电机组整机基础知识 中国南车株洲电力机车研究所风电事业部 1 风力发电理论原理 叶轮吸收风能转化为机械能 发电机将机械能转化为电能 第一篇风力发电简介 现代风力发电机采用空气动力学原理 就像飞机的机翼一样 风并非 推 动风轮叶片 而是吹过叶片形成叶片正反面的压差 这种压差会产生升力 令风轮旋转并不断横切风流 风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率 根据Betz定律 理论上风电机能够提取的最大功率 是风的功率的59 6 大多数风电机只能提取风的功率的40 或者更少 风力发电机主要包含三部分 风轮 机舱和塔杆 大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构 是横轴式三叶片风轮 并安装在直立管状塔杆上 风轮叶片由复合材料制造 不像小型风力发电机 大型风电机的风轮转动相当慢 比较简单的风力发电机是采用固定速度的 通常采用两个不同的速度 在弱风下用低速和在强风下用高速 这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电 比较新型的设计一般是可变速的 比如Vestas公司的V52 850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31 4转 利用可变速操作 风轮的空气动力效率可以得到改善 从而提取更多的能量 而且在弱风情况下噪音更低 因此 变速的风电机设计比起定速风电机 越来越受欢迎 机舱上安装的感测器探测风向 透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向 面向来风 风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机 如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机 在风电工业中 配有变速箱的风力发电机是很普遍的 不过 为风电机而设计的多极直接驱动式发电机 也有显著的发展 设於塔底的变压器 或者有些设於机舱内 可提升发电机的电压到配电网电压 香港的情况为11千伏 所有风力发电机的功率输出是随著风而变的 强风下最常见的两种限制功率输出的方法 从而限制风轮所承受压力 是失速调节和斜角调节 使用失速调节的风电机 超过额定风速的强风会导致通过业片的气流产生扰流 令风轮失速 当风力过强时 业片尾部制动装置会动作 令风轮剎车 使用斜角调节的风电机 每片叶片能够以纵向为轴而旋转 叶片角度随著风速不同而转变 从而改变风轮的空气动力性能 当风力过强时 叶片转动至迎气边缘面向来风 从而令风轮剎车 叶片中嵌入了避雷条 当叶片遭到雷击时 可将闪电中的电流引导到地下去 2 风力发电发展史 风力发电机最初出现在十九世纪末 自二十世纪八十年代起 这项技术不断发展并日渐成熟 适合工业应用 近二三十年 典型的风力发电机的风轮直径不断增大 而额定功率也不断提升 在二十一世纪00年代初 风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围在600千瓦至750千瓦之间 而风轮直径则在40米至47米之间 当时所有制造商都有生产这类风力发电机 新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的 二零零七年初 有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达到约90米的风力发电机 例如Vestas 维斯塔斯 V903 0兆瓦风电机 Nordex 德国恩德 N902 5兆瓦风电机等 甚至有些直径达100米 如GE 通用电气 3 6兆瓦风电机 这些大型风力发电机主要市场是欧洲 在欧洲 适合风电的地段日渐减少 因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机 另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机 已经完成设计并制成原型机 例如REPower公司 德国 设计的风力发电机风轮直径达126米 功率达5兆瓦 3 风的功率计算 风的能量指的是风的动能 特定质量的空气的动能可以用下列公式计算 能量 1 2X质量X 速度 2吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式算 功率 1 2X空气密度X面积X 速度 3其中功率单位为瓦特 空气密度单位为千克 立方米 面积指气流横截面积 单位为平方米 速度单位为米 秒 在海平面高度和摄氏15度的条件下 干空气密度为1 225千克 立方米 空气密度随气压和温度而变 随著高度的升高 空气密度也会下降 上述公式中可以看出 风的功率与速度的三次方 立方 成正比 并与风轮扫掠面积成正比 不过实际上 风轮只能提取风的能量中的一部分 而非全部 4 风力发电机的功率曲线 在风速很低的时候 风电机风轮会保持不动 当到达切入风速时 通常每秒3到4米 风轮开始旋转并牵引发电机开始发电 随著风力越来越强 输出功率会增加 当风速达到额定风速时 风电机会输出其额定功率 之後输出功率会保留大致不变 当风速进一步增加 达到切出风速的时候 风电机会剎车 不再输出功率 为免受损 风力发电机的性能可以用功率曲线来表达 功率曲线是用作显示在不同风速下 切入风速到切出风速 风电机的输出功率 为特定地点选取合适的风力发电机 一般方法是采用风电机的功率曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算 风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的 由於能量与风速的立方成正比 因此 风力发电机的功率会随风速变化会很大 同样构造和风轮直径的风电机可以配以不同大小的发电机 因此两座同样构造和风轮直径的风电机可能有相当不同的额定输出功率值 这取决於它的设计是配合强风地带 配较大型发电机 或弱风地带 配较小型发电机 空气密度按照标准空气密度 1 225kg m3 计算功率曲线如下 5 风力发电机的主要种类 竖轴式 横轴式 横轴风力发电机和竖轴风力发电机根据叶片固定轴的方位 风力发电机可以分为横轴和竖轴两类 竖轴式风电机工作时转轴方向与风向一致 横轴式风电机转轴方向与风向成直角 横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致 而竖轴式风电机则不必如此 因为它可以收集不同来向的风能 横轴式风电机在世界上占主流位置 逆风风力发电机和顺风风力发电机逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机 而对於顺风风电机 来风是从风轮的背後吹来 大多数的风力发电机是逆风式的 单叶片 双叶片和三叶片风力发电机叶片的数目由很多因素决定 其中包括空气动力效率 复杂度 成本 噪音 美学要求等等 大型风力发电机可由1 2或者3片叶片构成 叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量 因此噪音比较大 而如果叶片太多 它们之间会相互作用而降低系统效率 目前3叶片风电机是主流 从美学角度上看 3叶片的风电机看上去较为平衡和美观 6 风电场 风电场 风电系统可以是仅有一台风电机 或者由多台风电机器线性排列或方阵排列形成风电场 风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离 以免造成过强的湍流相互影响 或由於 尾流效应 而严重减低後排风电机的功率输出 为了配合运送大型设备 特别是叶片 到安装现场 须要建设道路 另外亦须要建设输电线 把风电场的输出连接到电网接入点 7 世界各地的风力发电装置 到2005年底 世界总风力发电装机容量达58千兆瓦 德国 西班牙 美国 印度和丹麦是以风力发电装机容量来算前几名的国家 在丹麦 风能发电提供该国总用电量的20 香港第一台大型风力发电机是由香港电灯集团於2005年末安装在南丫岛上 并於2006年二月正式启用 该机额定输出功率为800千瓦 风能是可再生能源发展中最快的部分 由1995年到2005年之间的年增长率为28 5 根据德国风能会 DEWI 的估计 风能发电的年增长率将保持高增长率 在2012年或之前全球风力发电装机容量可能达到150千兆瓦 第二篇风力发电机组概述 叶轮直径尺寸分类 有82米和88米机型环境温度分类 常温型 生存温度 25 45 运行温度 15 45 低温型 生存温度 40 45 运行温度 30 45 1 风电机组分类 2 风力发电机组基本参数 3 风力发电机组机舱内部简图 1 叶片 数量 三只作用 机组吸收风能的部件主要材料 玻璃钢 变桨系统 改变叶片仰角可实现功率调节叶片的工作位置 在90度仰角时 第三篇叶轮 现场照片 叶片技术发展 材料 木制叶片及布蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片铝合金等弦长挤压成型叶片玻璃钢复合叶片碳纤维复合叶片 叶片技术发展 尺寸 叶片技术发展 数量 三叶片 双叶片 单叶片 2 轮毂 功能 固定叶片 连接齿轮箱 叶片受力后 带动轮毂顺时针旋转 即将风能转化为机械能 3 变桨系统 通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动 实现风机的功率控制 如果一个驱动器发生故障 另两个驱动器可以安全地使风机停机 4 叶轮组装图片 第三篇齿轮箱 1 装配位置 齿轮箱 叶轮 发电机 低转速 需要高转速 将低转速的动能转化为高转速的动能 2 工作原理 3 风电机组齿轮箱结构 4 齿轮箱的减噪装置图片 齿轮箱的重量约占机舱重量的1 2 减振元件增加在齿轮箱与主机架之间 5 润滑冷却系统 对齿轮和轴承的保护作用 减小摩擦和磨损 具有更高的承载能力 防止胶合 吸收冲击和振动 防止疲劳点蚀 冷却 防锈 抗腐蚀 1 装配位置 第四篇联轴器制动器 2 联轴器 联轴器作用 作为一个柔性轴 它补偿齿轮箱输出轴和发电机转子的平行性偏差和角度误差 制动器作用 制动器是一个液压动作的盘式制动器 用于机械刹车制动 3 制动器 制动器图片 4 刹车系统位于齿轮箱高速端与低速端的比较 5 发电机对中 齿轮箱输出轴轴心线 发电机转子轴心线 1 装配位置 第五篇偏航系统 2 偏航系统 功能 改变机舱朝向以实现对风 解缆保护 机组偏航1 靠什么装置驱动 2 需要偏航 由谁决定 3 偏航多少角度 由谁检测 偏航驱动装置 侧面轴承 偏航大齿圈 滑垫保持装置 偏航系统结构 3 风速风向仪 风电机组对风的测量是由风速风向仪来实现的 4 凸轮计数器 获得较高且稳定的风速 即让风轮处于风能最佳的位置 给风轮及主机 机舱 提供满足功能要求的 可靠的固定支撑 提供安装 维修等工作的平台 1 塔筒的作用 第六篇塔筒 塔架有张线支撑式和悬臂梁式两种基本形式 塔架所用的材料可以是木杆 铁管或其它圆柱结构 也可以是钢材做成的桁架结构 a 张线支撑式b 悬臂梁式c 桁架式及塔架的主要受力情况 2 塔架的主要形式 3 机组塔筒 目前南车风电所用塔架 以轮毂中心高计算 主要为 65米 70米以运行的环境温度划分有 低温型 40 C 常温型 20 C 3 机组塔筒吊装图 4 塔筒的高强度螺栓连接 螺栓上的字符 字母表示生产厂家的简称 比如CA是一汽标准件厂的简写 下面的数字表示螺栓的强度等级 圆点前的数字表示螺栓的抗拉强度Mpa的百分之一 圆点后的数字表示螺栓的屈服强度与抗拉强度的比的10倍 抗拉强度 当钢材屈服到一定程度后 由于内部晶粒重新排列 其抵抗变形能力又重新提高 此时变形虽然发展很快 但却只能随着应力的提高而提高 直至应力达最大值 此后 钢材抵抗变形的能力明显降低 并在最薄弱处发生较大的塑性变形 此处试件截面迅速缩小