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

2、大型與電網接駁的風力發電 機的最常見的結構，是橫軸式三葉片風輪 ，并安裝在直立管狀塔桿上。 風輪葉片由復合材料制造。不像小型風力發電機，大型風電機的風輪轉動相當慢。比較簡單的風力發電機是采用固定速度的。通常采用兩個不同的速度-在弱風下用低速和在強風下用高速。這些定速風電機的感應式異步發電機能夠直接發產生電網頻率的交流電。 比較新型的設計一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風電機轉速為每分鐘14轉到每分鐘 31.4轉）。利用可變速操作，風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 弱風情況下噪音更低。因此，變速的風電機設計比起定速風電機，越來越受歡迎。 機艙上安

3、裝的感測器探測風向，透過轉向機械裝置令機艙和風輪自動轉向，面向來風。 風輪的旋轉運動通過齒輪變速箱傳送到機艙內的發電機（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發電機）。在風電工業中，配有變速箱的風力發電機是很普遍的。不過，為風電機而設計的多極直 接驅動式發電機，也有顯著的發展 。 設於塔底的變壓器（或者有些設於機艙內）可提升發電機的電壓到配電網電壓（香港的情況為11千伏）。 所有風力發電機的功率輸出是隨著風而變的。強風下最常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制風輪所承受壓力）是失速調節和斜角調節。使用失速調節的風電機，超過額定風速的強風會導致通過業片的氣流產生擾流，令風輪失速。當風力過強時，業片 尾部

4、制動裝置會動作，令風輪剎車。使用斜角調節的風電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度隨著風速不同而轉變，從而改變風輪的空氣動力性能。當風力過強時 ，葉片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而令風輪剎車。 葉片中嵌入了避雷條，當葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導到地下去。2.風力發電發展史 風力發電機最初出現在十九世紀末。自二十世紀八十年代起 ，這項技術不斷發展并日漸成熟 ，適合工業應用 。近 二三十年 ，典型的風力發電機的風輪直徑不斷增大，而額定功率也不斷提升 。 在二十一世紀 00年代初 ，風力發電機最具經濟效益的額定 輸出功率范圍在 600千瓦至750千瓦之間，而風輪直徑則在40米 至47米之

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

6、）設計的風力發電機風輪直徑達126米，功率達5兆瓦。 3.風的功率計算 風的能量指的是風的動能。特定質量的空氣的動能可以用下列公式計算 。 能量= 1/2 X 質量 X (速度)2 吹過特定面積的風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，空氣密度也會下降。 上述公式中可以看出，風的功率與速度的三次方（立方）成正比，并

7、與風輪掃掠面積成正比。不過實際上，風輪只能提取風 的能量中的一部分，而非全部 。4.風力發電機的功率曲線 在風速很低的時候，風電機風輪會保持不動。當到達切入風速時（通常每秒3到4米），風輪開始旋轉并牽引發電機開 始發電。隨著風力越來越強，輸出功率會增加。當風速達 到額定風速時，風電機會輸出其額定功率。之後輸出功率 會保留大致不變。當風速進一步增加，達到切出風速的時 候，風電機會剎車，不再輸出功率，為免受損。 風力發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速下（切入風速到切出風速）風電機的輸出功率。 為特定地點選取合適的風力發電機，一般方法是采用風電機的功率曲線和該地點的風力

8、資料以進行產電量估算。 風力發電機的額定輸出功率是配合特定的額定風速設而定的。由於能量與風速的立方成正比，因此 ，風力發電機的功率會隨風速變化會很大。 同樣構造和風輪直徑的風電機可以配以不同大小的發電機。因此兩座同樣構造和 風輪直徑的風電機可能有相當不同的額定輸出功率值，這取決於它的設計是配合強風地帶（配較大型發電機）或弱風地帶（配較小型發電機）?？諝饷芏劝凑諛藴士諝饷芏?1.225kg/m3)計算功率曲線如下。5.風力發電機的主要種類豎軸式橫軸式 橫軸風力發電機和豎軸風力發電機根據葉片固定軸的方位，風力發電機可以分為橫軸和豎軸兩類。豎軸式風電機工作時轉軸方向與風向一致，橫軸式風電機轉軸方向與

9、風向成直角。 橫軸式風電機通常需要不停地變向以保持與風向一致。而 豎軸式風電機則不必如此，因為它可以收集不同來向的風能。 橫軸式風電機在世界上占主流位置。 逆風風力發電機和順風風力發電機逆風風力發電機和順風風力發電機 逆風風電機是一種風輪面向來風的橫軸式風電機。而對於順風風電機，來風是從風輪的背後吹來。大多數的風力發電機是逆風式的。 單葉片、雙葉片和三葉片風力發電機單葉片、雙葉片和三葉片風力發電機 葉片的數目由很多因素決定，其中包括空氣動力效率、復雜度、成本、噪音、美 學要求等等。大型風力發電機可由1、2或者3片葉片構成。葉片較少的風力發 電機通常需要更高的轉速以提取風中的能量，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效率。目前3葉片風電機是主流。從美 學角度上看，3葉片的風電機看上去較為平衡和美觀。6.風電場風風 電電 場場 風電系統可以是僅有一臺風電機，或者由多臺風電機器線性排列或方陣排列形成風電場。 風電場的風力發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”而嚴重減低後排風電機的功率輸出。 為了配合運送大型設備（特別是葉片）到安裝現場，須要建設道路。另外亦須要建設輸電線，把風電場的輸出連接到電網接入點。7.世界各地的風力發電裝置 到2005年底，世界總風力發電裝機容量達58千兆瓦。德國、西班牙、美國、印度和丹麥是以風力發

11、電裝機容量來算前幾名的國家。在丹麥，風能發電提供該國總用電量的20。香港第一臺大型風力發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。 風能是可再生能源發展中最快的部分。由1995年到2005年之間的年增長率為28.5。根據德國風能會（DEWI）的估計，風能發電的年增長率將保持高增長率，在2012年或之前全球風力發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 風力發電機組概述葉輪直徑尺寸分類： 有82米和88米機型環境溫度分類： 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.風電機組分類2.風力發電機組基本參數3. 風力發電機組機艙內部簡圖1.葉片數量：三只作用：機組吸收風能的部件主要材料：玻璃鋼變槳系統：改變葉片仰角可實現功率調節葉片的工作位置：在90度仰角時第三篇 葉輪現場照片葉片技術發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 玻璃鋼復合葉片玻璃鋼復合葉片 碳纖維復合葉片碳纖維復合葉片 葉片技術發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，即將風能轉化為機械能。3.變槳系統： 通過控制

13、系統將葉片以精細的變槳角度向順槳方向轉動，實現風機的功率控制。 如果一個驅動器發生故障，另兩個驅動器可以安全地使風機停機。4.葉輪組裝圖片第三篇 齒輪箱1.裝配位置齒輪箱葉輪發電機低轉速需要高轉速將低轉速的動能轉化為高轉速的動能2.工作原理3. 風電機組齒輪箱結構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 聯軸器制動器2.聯軸器聯軸器作用： 作為一個柔性軸，它補償齒輪箱輸出軸和發電機轉子的平行性偏差

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.剎車系統位于齒輪箱高速端與低速端的比較低速軸上高速軸上優點高可靠剎車直接作用在風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情況要采用非集成風輪支撐的齒輪箱安全性差齒輪箱輸出軸軸心線發電機轉子軸心線1.裝配位置第五篇 偏航系統功能：改變機艙朝向以實現對風、解纜保護。機組偏航1.靠什么裝置驅動？2.“需要偏航”由誰決定？3.“偏航多少角度”由誰檢測？偏航驅動裝置側面軸承偏航大齒圈滑墊保持裝置3.風速風向儀 風電機組對風的測量是由風速

15、風向儀來實現的。4.凸輪計數器 獲得較高且穩定的風速，即讓風輪處于風能最佳的位置。 給風輪及主機（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： 字母表示生產廠家的簡稱，比如CA是一汽標準件廠的簡寫。 下面的數字表示螺栓的強度等級,圓點前的數字表示螺栓的抗拉強度Mpa的百分之一。圓點后的數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： 當鋼材屈服到一定程度后，由于內部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，此時變形雖然發展很快，但卻只能隨著應力的提高而提高，直至應力達最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發生