任務三　了解風力發電技術

一、風力發電基本原理

風力發電是一個由風力機（風機）將捕獲到的風能轉化為機械能，并通過主軸、齒輪箱等傳動機構將機械能傳遞給發電機，再由發電機將機械能轉換為電能的過程。如圖1-3-1所示。

由于MW級風電機組齒輪箱損壞率較高，由此而有了直驅式風電機組（無齒輪箱）。風電機組常用功率調節方式有失速調節和變槳距調節兩種。

二、風力發電機組介紹

1.風力發電機組分類

按風輪葉片分類　定槳型、變槳型。

按風輪轉速分類　定速型、變速型。

按傳動機構分類　齒輪箱升速型、直驅型。

按發電機分類　異步型、同步型。

按并網方式分類　并網型、離網型。

2.風力發電的發展

2015年，全球風電新增裝機容量63.01GW，同比上升2.41％，如圖1-3-2所示。

截至2015年年底，全球風電裝機容量達到4.33億千瓦。全球風能理事會預計，到2020年年底，全球風電裝機容量將增長近一倍至7.92億千瓦。風電在價格、表現和可靠性方面正在朝向更有競爭力的方向發展。

中國繼續引領全球風電增長，2015年我國新增裝機容量達到30.5GW，位列第一；排在第二的美國風電延續了緩慢復蘇的趨勢，新增裝機容量達到8.59GW；德國以6.01GW新增裝機容量位列全球第三；巴西和印度分別以2.75GW、2.62MW的新增容量位居全球風電新增容量第四和第五。如圖1-3-3所示。

2015年在全球風電產業回暖的利好驅動下，風電整機企業新增裝機容量得到穩定增長，金風科技憑借7.8GW的全球新增裝機，一躍成為當年全球最大風電整機制造商。中國本土裝機容量占其總裝機容量的99％。丹麥的維斯塔斯、美國的GE、德國的西門子和西班牙的歌美颯分列二到五位。如表1-3-1所示。

2015年，中國風電累計裝機容量達到145.1GW，其中并網容量達到129GW，占全部發電裝機容量8.6％。2015年，風電發電量1863億千瓦時，占全部發電量的3.3％。

3.大型風力發電機組的發展模式

陸地風力發電，其方向是低風速發電技術，主要機型是2～5MW的大型風力發電機組，這種模式關鍵是向電網輸電。

近海風力發電，主要用于比較淺的近海海域，安裝5MW以上的大型風力發電機，布置大規模的風力發電場，這種模式的主要制約因素是風力發電場的規劃和建設成本。但是近海風力發電的優勢是明顯的，即不占用土地，海上風力資源較好。

4.大型風力發電機組的發展趨勢

①變槳距調節方式迅速取代失速調節方式。

②變速運行方式迅速取代恒速運行方式。

③機組規模向大型化發展。

④直驅永磁、異步雙饋兩種形式共同發展。

三、大型水平軸風電機組的結構組成

風力發電機組就安裝結構而言，可分為兩種類型：一種是水平軸風力發電機組，葉片安裝在水平軸上；另一種是垂直軸風力發電機組，風輪軸是垂直布置的，由葉片帶動垂直軸轉動，再去帶動發電機進行發電。垂直軸風力發電機組的增速器、聯軸器、發電機、制動器等都是安裝在地面上的，整個機組的安裝、調試和維修均比水平軸風力發電機要方便一些。但由于一些難以解決的技術問題，垂直軸風力發電機組的發展和應用受到了很大的限制。下面主要介紹大型水平軸風力發電機組的結構。

大型水平軸風力發電機組主要由兩大部分組成：氣動機械部分和電氣部分。氣動機械部分包括風輪、低速軸、增速齒輪箱、高速軸（直驅式變速恒頻風力發電機組無增速齒輪箱）。其主要功能是驅動發電機轉子，將風能轉換為機械能。

電氣部分包括異步發電機、電力電子變頻器、變壓器和電網。其主要功能是將機械能轉換為頻率恒定的電能。

大型水平軸風力發電機組主要由葉輪、調速或限速裝置、偏航系統、傳動機構、發電機系統、塔架、控制系統等組成，如圖1-3-4～圖1-3-6所示。

1.葉輪

葉輪又叫風輪。風力發電機區別于其他機械的最主要特征，就是葉輪它由3個葉片和輪轂所組成，將風能轉換為機械能，如圖1-3-7和圖1-3-8所示。

葉片裝在輪轂上。葉片采用玻璃纖維或高強度復合材料制成。

輪轂是葉輪的樞紐，連接葉片根部與主軸（低速軸）。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統，再傳到風力發電機驅動的對象。輪轂也是控制葉片槳距（使葉片做俯仰轉動）的所在。要求輪轂能承受大的、復雜的載荷。

2.調速或限速裝置

在很多情況下，要求風力發電機不論風速如何變化，轉速總保持恒定或不超過某一限定值，為此而采用了調速或限速裝置。當風速過高時，這些裝置還用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速或限速裝置有各種各樣的類型，但從原理上來看大致有三類：一類是使葉輪偏離主風向，另一類是利用氣動阻力，第三類是改變葉片的槳距角。

3.偏航系統

為了讓葉輪能自然地對準風向，通常風力發電機都會采用調向裝置。對大型風力發電機組而言，一般采用的是電動機驅動的風向跟蹤系統。整個偏航系統由電動機及減速機構、偏航調節系統和扭纜保護裝置等部分組成。偏航調節系統包括風向標和偏航系統調節軟件。

風向標對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號。通過偏航系統軟件，確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號放大傳送給電動機，通過減速機構轉動風力機平臺，直到對準風向為止。

4.傳動系統

風力發電機的傳動系統一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯軸器和制動器等，但不是每一種風力發電機都必須具備所有這些環節。有些風力發電機的輪轂直接連接到齒輪箱上，不需要低速傳動軸。也有一些風力發電機設計成無齒輪箱的，葉輪直接連接到發電機。

傳動系統將機械能傳遞給發電機，包括一個齒輪箱、離合器和一個能使風力發電機在停止運行時的緊急情況下復位的剎車系統。

齒輪箱用于增加葉輪轉速，從20～50r/min到1000～1500r/min，后者是驅動大多數發電機所需的轉速。

齒輪箱可以是一個簡單的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、輸出軸共線，使結構更緊湊。

傳動系統要按輸出功率和最大動態扭矩載荷來設計。

由于葉輪功率輸出有波動，一些設計者試圖通過增加機械適應性和緩沖驅動來控制動態載荷，這對大型的風力發電機來說是非常重要的，因其動態載荷很大，而且感應發電機的緩沖余地比小型風力機的小。

5.發電機系統

發電機及其控制系統承擔由機械能到電能的轉換任務。

恒速恒頻發電機系統一般來說比較簡單，所采用的發電機主要有兩種，即同步發電機和籠型感應發電機。

變速恒頻發電機系統是20世紀70年代中期以后逐漸發展起來的一種新型風力發電系統，其主要優點在于葉輪以變速運行，可以在很寬的風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力發電機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外，這種風力發電機在結構上和實用中還有很多的優越性。

常見的幾種風力發電機類型如圖1-3-9～圖1-3-11所示。

6.塔架

塔筒除支撐風力機的重量，還要承受吹向風力發電機和塔架的風壓，以及風力發電機運行中的動載荷。其剛度和風力發電機的振動有密切關系。

水平軸風力發電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。管柱型塔架較為常見，一般為大型鋼管和混凝土塔筒，如圖1-3-12所示。

中、大型塔架為了運輸方便，可以將塔筒分成幾段。

一般圓柱形塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力發電機，產生紊流的影響要比桁架式塔架小。

桁架式塔架常用于中小型風力機上，其優點是造價不高，運輸也方便。但這種塔架會使下風向風力機的葉片產生很大的紊流。

并網型風力發電機組屬于重型發電設備，整個設備高達百米以上，重量在數百噸，因此風力發電機組的裝配不可能在生產廠全部完成。因為若在生產廠完全裝配好，到風力發電場的運輸問題目前根本無法解決。所以風力發電機組的裝配是在生產廠進行部分裝配，而未裝配的部分必須在風力發電場安裝時再進行現場裝配。

四、風力發電系統實訓步驟

根據課程的需要，到風力發電場現場了解、學習風電場的基本知識，了解從安全進入工作場地到完整參觀風力發電場的全過程。

1.安全準備工作

執行風電場安全防護管理規范要求，穿工作服裝，戴工作帽，檢查安全繩、扣是否可靠，對需要工作使用的工具辦理申報領用手續。

2.地面參觀學習

學習地面設備變電系統、控制系統、塔筒結構、地基結構、基礎連接結構、二層平臺結構和安全助理系統結構。

3.爬塔筒到機艙學習

加裝安全裝置，爬升到機艙，參觀學習從輪轂結構、變槳機構、低速傳動軸、升速變速箱、高速傳動軸、發電機組、信號和控制系統和液壓系統等。

【練習題】

（1）大型水平軸風力發電機組由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？

（2）中、大型風力發電機組塔筒的形狀是什么樣的？是否是整體的結構？

（3）試畫出大型水平軸風電機組系統拓撲圖。