《風力發(fā)電技術》課件-第二章 風力機

第二章風力機1.風力機的基本理論與參數(shù)風的能量風能密度風輪直徑與風力機功率的關系貝茲理論風能就是空氣運動的動能，風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量，但經(jīng)過風力機風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小，故風只把一部分能量轉交給風輪。那么風能把多大的能量轉交給風輪呢？1927年德國人貝茨從理論上計算出了最大值——貝茨極限。貝茲理論貝茲理論應用沖量守恒原理：貝茲理論貝茲理論葉輪吸收的功率：包括風能利用系數(shù)、葉尖速比、升阻比、實度、設計風速（額定風速）、切入風速、切出風速、風力機功率和風力機發(fā)電功率等。（相關概念見P29）

性能參數(shù)風力機實際發(fā)電功率2.風力機組安裝

在風力發(fā)電場風電機組機位上組裝成完整的風電機組的過程。其作業(yè)在野外進行,作業(yè)點分散。大型起重設備移動頻繁,作業(yè)內容重復,確保安裝作業(yè)過程中人員、設備的安全是首要任務。知風力機組安裝安裝前準備工作塔架安裝機艙安裝風輪安裝安裝后續(xù)工作風電機組安裝作業(yè)包括：技術資料準備人員準備安裝設備工具準備風電機組部件檢查機組安裝條件準備高強度螺栓準備安裝前準備工作在安全風速下,才能進行吊裝作業(yè)。起重吊車桅頂風速超過8~10m/s時,不得進行葉片和葉輪吊裝作業(yè)。桅頂風速超過10~15m/s時，不得進行機艙和塔架吊裝作業(yè)。風速超過6級時,人員不得進行機艙外和輪轂中的作業(yè)。風速超過7級(18m/s)時,不得攀登風電機組。底座風電機組塔架塔內附件電纜梯安全裝置接地系統(tǒng)塔架安裝安裝作業(yè)：在塔筒底部法蘭的12點鐘位置，再安裝一個起重鉗。使用扳手，牢固地擰緊所有螺栓。1.

使用兩臺起重機，緩慢地吊裝塔筒。拆離并卸下連接到塔架和低載荷拖車上的任何支撐架。2.從低載荷拖動吊裝塔筒

解除塔架底部的升降起重聯(lián)動裝置并卸下將兩條導繩固定在底部法蘭。在它的幫助下，在后面的降低塔架操作期間可移動塔筒。3.使用主起重機，將塔架豎立在垂直位置在塔身內部，塔架由兩個站在控制平臺上的人指引移動方向。另外三或三個人在外部扶住塔身。塔筒的移動由導繩控制。4.在接觸底座之前，再次檢查通道與控制臺是否對齊。解除導繩。5.

選擇一個錨定螺栓作為固定點將塔筒底部法蘭的最近的孔指向此固定點。一旦所有錨定螺栓與孔對齊，則可以放下塔筒。6.降低塔筒的位置，直到兩個法蘭固定好為止，其中一個在另一個的上面。準確固定好兩部分的塔筒之間連接的扶梯。轉動塔筒，直到法蘭上的孔精確地對齊且兩個法蘭用四個螺栓固定好為止。7.對齊和固定塔筒

降低塔筒的位置，直到兩部分之間保留一間空隙為止。空隙的寬度允許可插入螺栓。從下面用螺栓穿過法蘭，從上面用一個螺母固定。8.用螺栓連接法蘭降低塔筒的位置，直到兩部分之間保留一間空隙為止?？障兜膶挾仍试S可插入螺栓。從下面用螺栓穿過法蘭，從上面用一個螺母固定。9.用螺栓連接法蘭包括機艙組裝和機艙吊裝兩項作業(yè)。機艙安裝

風電機組機艙各個零部件在出廠前經(jīng)過檢查、清理、檢測、試驗,已經(jīng)具備現(xiàn)場安裝、調試、并網(wǎng)發(fā)電的條件。降低機艙的位置，直到機艙與塔架之間保留一點間隙為止，用四個螺栓相對互相固定。

機艙法蘭帶有螺紋。

機艙就位后在吊裝期間任何人不得呆在機艙中。手動擰緊所有其它螺栓。完全放下機艙，使起重機吊鉤保留50%的載荷重量。用沖擊式起子擰緊所有螺栓，將余下重量將起重機吊鉤中解脫出來。使用電動扭矩起子或液壓板手，將所有螺栓擰到所需的扭矩，從機艙解脫升降起重聯(lián)動裝置。風輪組裝將葉片與輪轂進行組裝的過程。包括風輪組裝和風輪吊裝。風輪安裝

為避免對葉片造成損傷,葉片在吊裝或進行支撐時,靠葉尖側的吊具吊點或支撐點通常選在距葉尖1/3葉片長度附近。1.葉片裝車，準備組裝2.對齊轉子葉片軸承以進行安裝3.葉輪吊裝4.葉輪起吊中5.豎立轉子三角架6.將轉子三角架靠機艙固定各部傳感器安裝與調整偏航和變槳系統(tǒng)潤滑控制系統(tǒng)電氣接線防雷系統(tǒng)連接風電機組內部清潔安裝后續(xù)工作動力電纜或封閉母線安裝與絕緣試驗安全索安裝機艙起重設備安裝照明系統(tǒng)安裝使用液壓電纜機，在各個塔筒部分連接電源電纜1.通過夾緊套管來滑動可收縮的套管。使用燃燒器，套管會收縮。必須注意到套管只是從底部到頂部收縮，從一端到另一端收縮，以防形成氣泡和套管燃燒。2.為了增加安全性，使用扭矩起子對所有螺栓連接進行最后一次檢查。在此檢查中，可檢測到不正確的螺栓連接和有缺陷工具。

在初始安裝中，用扭矩起子對10%的螺栓連接作為抽樣進行檢查。3.檢查扭矩4.防腐蝕為了提供可行的防腐保護，在裝配好塔架后再次給法蘭上漆。

控制電纜和電源電纜上約1.5–2米就使用一個快動電纜夾進行固定。5.快動電纜夾3.風力發(fā)電制造業(yè)的發(fā)展2019年，我國風力發(fā)電總裝機容量超過221GW，位居世界第一。中國是世界風能領域的領導者，擁有世界三分之一以上的風電裝機容量。中國甘肅省擁有世界上最大的陸上風電場，裝機容量達到7965兆瓦，是世界第二大陸上風電場的5倍。該風電場目前僅占其產能的40％，另外還將安裝13,000MW，到2020年總產能將達到20,000MW（20GW）。風力發(fā)電裝機、生產制造均位居世界第一隨著風電市場規(guī)模的迅速擴大，我國風電設備制造技術進一步提高，一個具有競爭力的較為完整的產業(yè)鏈體系已初步形成，涵蓋原材料加工、零部件制造、整機制造、開發(fā)建設、技術研發(fā)、標準和檢測認證體系等各個環(huán)節(jié)。風電機組設備制造基本上實現(xiàn)了系列化、標準化和型譜化，機型涵蓋雙饋、直驅和混合式，單機容量從1.5MW迅速發(fā)展到目前最大的10MW級，并實現(xiàn)了從陸地風電到海上風電的跨域。風力發(fā)電制造業(yè)發(fā)展1.發(fā)展歷程2006年，我國政府實施了《可再生能源法》，風電正式進入大規(guī)模開發(fā)應用的階段。經(jīng)過10年來的快速發(fā)展，開發(fā)出若干具有自主知識產權的機型，并得到風場的大規(guī)模應用和長時間的驗證：3MW及以下兆瓦級機組總體設計及零部件制造技術已經(jīng)成熟，正在開發(fā)更大單機容量的系列化產品。1.5MW、2MW風電機組的供應能力充足，3MW風電機組已批量運行，5～6MW風電機組也已投入運行。上海電氣3.6MW、湘電風能5MW、東方電氣5.5MW、海裝風電5MW、太原重工5MW等海上風電機組陸續(xù)下線安裝。海上風電機組供應商達到10家，累計裝機容量達到100MW以上的機組制造商有上海電氣、華銳風電、遠景能源、金風科技等。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2005年以來，國家自然科學基金資助的風能相關項目為370項，研究內容涵蓋了風能利用的各個領域和方面。2010～2014年的資助項目占2005～2014年資助總項目數(shù)的81%，說明風能利用的科學和技術基礎研究近年來得到了極大的重視。2.技術研究2.企業(yè)研發(fā)1.金風科技2015年躋身世界第一大風電整機供應商，擁有北京、新疆和德國三地研發(fā)中心，具備較完備的自主研發(fā)能力。其最突出的技術特點是直驅永磁技術。2.國電聯(lián)合動力技術有限公司研發(fā)以產品平臺為主線，已完成或正在開展1.5MW、2MW、3MW、6MW、12MW產品平臺研究。3.遠景能源技術特色是著力打造“智能風電機組”概念，其陸上風電機組注重低風速機型的開發(fā)。“智能風電機組”概念融合智能控制技術、智能傳感、云計算、大數(shù)據(jù)和能源管理等技術，運用當代信息技術推動風電系統(tǒng)的技術革新。3.零部件制造隨著風電產業(yè)的快速發(fā)展，擴大完善了生產供應體系：國內葉片、齒輪箱、發(fā)電機等部件的制造能力已接近國際先進水平，能夠滿足主流機型的配套需求，并大量出口。軸承、變流器和控制系統(tǒng)的研發(fā)也取得了重大進步，并開始批量供應國內市場。塔筒、輪轂、機艙等部件的生產能力完全滿足國內市場需求，并向國際市場供貨。國內葉片制造商已能生產出72m、配套6MW機型的大尺寸葉片。配套5MW、6MW等大型風電機組的齒輪箱、發(fā)電機和軸承也投入使用。2024/9/1253兆瓦級風電機組零部件—齒輪箱南京高速齒輪制造有限公司重慶重齒風力發(fā)電齒輪箱有限責任公司2024/9/1254風輪葉片制造2024/9/1255北京科諾偉業(yè)公司

兆瓦級風電機組零部件—電控系統(tǒng)2024/9/1256風機塔架2024/9/1257

風機主軸2024/9/1258風機輪轂2024/9/1259國產風機輪轂2024/9/1260風機軸承2024/9/1261風機變距軸承2024/9/1262偏航電機和變槳電機2024/9/1263風機連軸器2024/9/1264風機剎車系統(tǒng)2024/9/1265風機基礎法蘭盤加工2024/9/1266整機裝配2024/9/1267整機裝配2024/9/1268風機基礎2024/9/1269海上風電葉片運輸2024/9/1270葉片吊裝2024/9/1271風機的吊裝2024/9/12721.5MW葉片海上風場運行2007年11月8日，由中海油投資的第一臺海上風力發(fā)電機組安裝運行，其中主機采用金風科技公司研發(fā)的1.5MW永磁直驅風力發(fā)電機組，葉片為HT34型葉片。2024/9/1273風機制造產業(yè)應該注意的問題注重產品研發(fā)，開發(fā)出具有自主知識產權的產品對引進的技術應加快消化吸收再創(chuàng)新的步伐注重產品質量，風機主要設備裝在60米高空，大部件出現(xiàn)故障維修成本非常高中國風電場在北方，最低溫度可到零下40度，極端溫度可到零下50度。而歐洲一般為零下20-30度，因此在金屬件選材、葉片低溫時的震動、低溫潤滑油、控制器電子元件低溫性能等都比歐洲運行有更苛刻要求。中國南方沿海地區(qū)受臺風影響嚴重，2003年10月受臺風影響，廣東惠來風場損壞了27片葉片；2006年8月，浙江蒼南風電場遭“桑美”臺風襲擊，風速超過每秒70米，風電場28臺風機中，20臺均受嚴重損害，部分徹底報廢。2024/9/1274風電機組抗低溫設計請點擊：2019、2020年全國風電行業(yè)分析報告2019、2020年全國風電行業(yè)分析報告1.2019全國風電項目及裝機匯總2.2019風電整機供應商項目及裝機量匯總3.風電整機訂單量分析4.前五大區(qū)域裝機情況：內蒙古、廣東、江蘇、河南、山東5.2019海上風電分析6.2020-2021風電發(fā)展預測4.風力機結構與類型

風力發(fā)電是將風所蘊含的動能轉換為電能的技術，簡稱風電。將風能轉換為電能的設備稱為風力發(fā)電機組，筒稱風電機組，由風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機艙、塔架和機組基礎等設備和系統(tǒng)構成。風力機結構和類型水平軸風力機組成圖

機艙主要設備示意圖微型：容量0.1—1kW小型：容量1—100kW中型：容量100—1000kW大型：1000kW——10MW按容量劃分風力機類型水平軸風力機：風輪旋轉平面與風向垂直，旋轉軸與地面平行。垂直軸風力機：轉動軸與地面垂直，可接受任意方向的風。風向變化是無需對風按風輪轉動軸與地面關系分風力機類型齒輪箱風力機：風輪通過齒輪箱、高速軸、聯(lián)軸器將動力傳遞給發(fā)電機。齒輪箱起增速作用。無齒輪箱直驅永磁式風力機：風輪直接與發(fā)電機連接，風輪轉矩直接傳遞給發(fā)電機。發(fā)電機體積大半直驅型風力機：上述兩種綜合，齒輪箱傳動比較小，同步發(fā)電機極數(shù)少，減小發(fā)電機體積。按機械傳動方式分：風力機類型恒速型風力機：轉速恒定不隨風速變化，恒速恒頻運行。變速型風力機：轉速隨風速變化，變速恒頻運行。大型風力機可連續(xù)變速恒頻運行，提升效率。按風輪轉速分風力機類型單葉片風力機雙葉片風力機三葉片風力機多葉片風力機：>3風輪葉片數(shù)分風力機類型升力型風力機：利用葉片所受升力轉換機械能。普遍阻力型風力機：利用葉片所受阻力轉換機械能。按風輪槳葉受力分風力機類型上風向風力機（迎風式）

下風風力機（順風式）按照功率調節(jié)方式分風力機類型定槳距風力機：葉片與輪轂的連接是固定的。風速變化是葉片的迎風角不能改變，功率調節(jié)依靠失速。變槳距風力機：葉片與輪轂的連接是非固定的，葉片可以繞葉片中心軸旋轉。功率調節(jié)依靠改變攻角。主動失速調節(jié)：控制精度低于變槳距控制；當風速超過額定風速后，變槳系統(tǒng)通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風輪吸收功率增加。按照風輪位置分風力機類型單機容量越大，槳葉越長。2MW風力機葉片的直徑已經(jīng)達到72m，最長的葉片已經(jīng)做到50m，且隨著機組容量的增加會更長。按結構劃分風力機類型水平軸向風力機垂直軸向風力機水平軸風力機的風輪轉軸與風向平行，其風能利用系數(shù)高，技術非常成熟，水平軸風力發(fā)電機是目前應用最廣泛的風力發(fā)電機。定槳距風力機變槳距風力機主動失速型風力機按功率調節(jié)方式劃分風力機類型按傳動形式劃分風力機類型高傳動比齒輪箱型直接驅動型5.垂直軸風力機

垂直軸風力機的風輪圍繞一個垂直軸進行運轉，其旋轉軸與風向垂直。垂直軸風力機相對于水平軸風力機，結構簡單，齒輪箱和發(fā)電機可以直接安裝在地面上，調試、運行方便。垂直軸風力機分為兩種類型：阻力型風力機、升力型風力機垂直軸風力機

垂直式風力機垂直軸風力發(fā)電機在風向改變的時候無需對風，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流的方向。垂直軸風力機結構簡單，減少了風輪對風時的陀螺力。基本概念

阻力型風力機升力型風力機按空氣動力學工作原理分為：

升力型（翼型葉片）阻力型（平板葉片）垂直軸風力機分類阻力型垂直軸風力發(fā)電機阻力型風力機是由于風力機的葉片在迎風方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而產生一個繞中心軸的力矩，使風輪轉動。杯式風速計是最簡單的阻力型垂直軸風力機。阻力型風力機分為阻力差型風力機和S型風力機。1.阻力差型風力機阻力差型風力機其葉片在空氣阻力的推動下旋轉，最佳葉尖速比位于0—1范圍內。利用葉片在順風和逆風時受風面形狀不同而產生不同的阻力系數(shù)，來驅使風輪旋轉的風力機。通過增大葉片的順風阻力系數(shù)或則減少逆風阻力系數(shù)使阻力差型風力機獲得最大功率。2.S型風力機S型風力機轉子的軸垂直于地面安裝，由于結構在水平方向對稱，任何方向的水平風力均可推動它旋轉。當垂直方向有風時，凹面向風的半圓柱面受到的風阻力要比凸面向風的半圓柱面大，兩側的阻力差將使風力機轉子轉動。當風向與兩半圓柱面直徑夾角很小時，靜止的葉輪不能起動，為防止這個死角，也為轉動平穩(wěn)，Ｓ式風力機轉子一般由上下兩組葉片阻成，在水平方向相互垂直安裝，組成雙S風輪。2.S型風力機S型風力機風輪啟動轉矩大，可在較低風速下運行，但風軸周圍氣流不對稱，會產生側向推力，使其大型化困難。2.S型風力機Ｓ式風力機對風的利用效率在阻力型風力機中算高的，且轉矩較大，結構簡單，無對風裝置，性價比高，適合在小型風電應用，增速箱與發(fā)電機可安裝在地面，安裝維護方便。

2.S型風力機阻力型風力機的風能利用系數(shù)較低，故很少用于發(fā)電。轉速決定了輸出功率的大小，風輪只有在最佳轉速下才能獲得最佳風力機輸出功率。2.S型風力機升力型垂直軸風力機來流風速v是恒定的，風輪運轉中該橫截面各翼型的切向速度u的大小相等,而方向不同，它們與相對速度w一起構成了各翼型的速度三角形。與葉片弦線的夾角是有效攻角。除了當葉片處于與風平行或近似平行的位置外，在其它方位的氣動力產生一個驅動風輪旋轉的力矩。

升力式垂直軸風力發(fā)電機組與水平軸風力機組的組成一樣，主要有葉片，風力機，齒輪箱，發(fā)電機等組成。結構簡圖實際機組升力式風力機主要利用空氣對葉片的升力來驅使風輪旋轉。升力型垂直軸風力機達里厄風力機風輪形式多種多樣，其中φ形和H形風輪應用最廣泛。1.達里厄風力機H形風輪φ形風輪達里厄風力機裝置簡單，成本便宜，但啟動性能差，常與S風輪一起使用。葉片都具有翼型剖面（多為對稱翼型），有直葉片和彎葉片兩種，彎葉片（φ形）主要是使葉片只承受純張力，不受離心力載荷，使彎曲應力減至最小。

1.達里厄風力機H型風輪風輪結構簡單，但離心力使葉片在其連接點出產生嚴重的彎曲應力,直葉片一般都采用橫擔式拉索支撐，以防止離心力引起大的彎曲應力,但是這些支撐將產生氣動阻力，降低效率。1.達里厄風力機垂直軸風力機優(yōu)點1)壽