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1、风电设备技术背景解析(zt)1、整机随着装备制造技术的不断提升，风电机组的性能不断提高，技术上体现如下一些特点：Xu9S,| y（1）单机容量继续稳步上升。t8U Lfvu$u$f20 世纪 80 年代生产的旧式机组单机容量仅为 20kW60kW，而今天在风电市场上销售的商业化机组容量一般为 600kW2,500kW。目前单机容量最大的风电机组是由德国 Repowera-Xx%|;F9c_公司生产的，容量为 5MW，叶轮直径达 130m，安装在 120m 高的塔架上。预计 2010 年将开发出 10MW 的风电机组。（2）机组结构日趋多样化&J-LM!YqC V目前大型水平轴风力机主要有定桨距
2、失速型和变速变桨距型。对变速变桨距型风电机F2CljA3V5?组，从风轮到发电机的驱动方式又可分为 3 种：一种是通过多级增速箱驱动双馈异步发电机，*Px9HT mG H6K简称为双馈式。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式（或无齿轮箱式）。直驱式风力机具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越来越大的份额。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术，简称为混合式。混合式设计旨在融合双馈式和直驱式机组的优点而避免其缺点。芬兰 WinWind 公司已开发出容量 1.1MW， ym1n u 3F叶轮直径 56 米的混合式风电机组。xmOoi qu0（3）功率调节
3、方式多变b1s-IWo$u大型风电机组的功率调节方式主要有失速调节和变桨距调节两种。失速调节是在转速基 D8k(f.g7U9f本不变的条件下，风速超过额定值后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围。失速调 TR!V Uvl+6C U节的优点是叶片与轮毂之间没有运动部件，不需要复杂的控制程序；其缺点是风电机组的性能受叶片失速性能的限制，起动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需:w%|B|8r#t(e要叶尖刹车装置。*N bgW%x?变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮能量吸收，以保持一定的输出功率。变i.VV g/mI o桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组
4、结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，变NSD&M 桨距调节方式将逐渐取代失速调节方式。（4）运行控制方式灵活目前市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构（4 极/6 极）的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上，4 极电机工作；在低风速段，发电机运行较低 N j:P-oe M?8|转速上，6 极电机工作。双速运行的好处是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，轩辕无极 2007-2-2 12:56而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数（Cp）
5、较低的点上，风能得不到充分利用。;LL iJ MWD6rS6V变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通 过功率变换器（一般为双 PWM 交直交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的 1/3，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机的定子侧通过功率变换器连接到电网。该功率变换器的容量要大于等于电机的容量。 _6T9$d7?Tv(?f变速运行风电机组通过调节发电机转速跟随风速变化，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率。2、叶片 z G;z;F叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设
6、计、可靠的质量和优越的性能 8H;tKmU是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：比 F)V#jKl;K重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶)ys r5t2| A&mOw片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性 S Qj4J)oau:z9d好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。C,Ud H q风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，其重量的 90%以上由复合材料组成，Rr0+n t每台发电机一般有三支叶片，每台发电机需要用复合材料达四吨之多。
7、叶片在结构上分三个部分。（1）根部：材料一般为金属结构；（2）外壳：一般为玻璃钢；（3）龙骨(加强筋或加强框)：一般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。叶尖类型多种多样，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。叶片主要制造工艺主要包括：阳模翻阴模铺层加热固化脱模打磨表面喷漆等。叶片设计难点包括：（1）叶型的空气动力学设计；（2）强度、疲劳、噪声设计；（3）复合材料铺层设计。在制造叶片的过程中主要工艺难点主要包括：（1）阳模加工；（2）阴模翻制；（3）树脂系统选用。Z;qJg0f5q&f对于风力发电机而言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如 22m 长)选用量-P2o0GN+?I
8、K大价廉的 E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而U4M4t8d%Mn-Z较大型的叶片(如 42m 以上)一般采用 CFRP 或 CF 与 GF 的混杂复合材料，树脂基体以环氧为-G s b D.NLs r主。为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性，降 26V,UdJ #cr低成本。叶片长度从 1980 年的 4.5m 发展到今天的 61.5m，容量从当初的 55kW 发展到今天的 5MW。1970 年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以 E-玻纤增 ccYM d b v1qE强塑料(GFRP)居多，目前已
9、开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展。目前使用较多的叶片材料有：; e$Y HN b _1Uc（1）木制叶片及布蒙皮叶片轩辕无极 2007-2-2 12:56近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承v!Ml U1/Bf7q5P担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。（2）钢梁玻璃纤维蒙皮叶片叶片在近代采用钢管或 D 型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的 &X4*xK*T结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢
10、管及 D 型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。（3）铝合金等弦长挤压成型叶片用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭 B8s(eGo6z f 4?4_Bn曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。（4）玻璃钢叶片所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称 GFRP)就是环氧树脂、不饱和树(o-x3N#po-r脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增
11、强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可 以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM 玻璃纤维公司现致力于开发长达 54m 的全玻纤 yUwc/O-J叶片，其单位 kWh 成本较低。w.QY)Pmc（5）玻璃钢复合叶片?Cm-ShF-上世纪末，世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片，基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。风力发电转子叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。美国的研究表明，
12、采用射电频率等离子体沉 2,HSyY!w-gh积去涂覆 E-玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低能 Qp mY M实际上导致损害的纤维间微振磨损。LM 玻璃纤维公司进一步开发以玻璃钢为主，在横梁和 6kq5i U+EqO叶片端部只少量选用碳纤维的 61m 大型叶片，以发展 5MW 的风力机。（6）碳纤维复合叶片随着发电单机功率的增大，要求叶片长度不断增加，其在风力发电上的应用也将会不断 扩大。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维(carbon fiber，简 zj )Be&|4w称 CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复
13、合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。因此，全球各大 I)7?)I E复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。8E1d0e Wg,?o lR此外，国内有企业计划使用国内资源丰富的毛竹材料来制作风机叶片。天奇股份与英国 s mVM)m瑞尔科技有限公司合资共同设立无锡竹风科技有限公司，共同研制开发竹质复合材料风力发电机叶片制造技术。轩辕无极 2007-2-2 12:57丹麦的 LM Clasfiber 公司是全球领先的变浆距风机叶片的生产商。它生产的风机叶片大约占全球市场的 45%。它的 11 家制造厂分布在丹麦、西
14、班牙、印度、中国以及美国。丹,XAnbK3pS x_Q麦的 LM 公司 2001 年在天津投资成立了专门生产风力发电机叶片的独资企业艾尔姆玻璃 Kbe!Gz纤维制品（天津）有限公司，作为中国第一家跨国叶片制造工厂。伴随近两年来中国风能市场的急剧发展和实际需求，LM 公司对天津工厂追加了投资，其叶片规格由原来的最长 34 米 4SI*Db-M9I p _ y调整到 37 米，主要用于中国未来主流机型 1.5 兆瓦风力发电机的装配。风力发电设备领域世界第一的丹麦 Vestas 集团在天津泰达开发区设立风机叶片生产厂。该工厂投资额约 3000 万美元，生产长度为 39 米的 V80 型 2 兆瓦风机
15、叶片。p ec7X?)FX!tEnercon 是德国的风力机组整机制造商，其制造的大型风力机 E-112，容量 4.5 兆瓦，$y4F iV9O叶片长 54 米，重 20 吨。目前，该公司也有意进入中国风力机组及叶片市场。此外，西班牙的 GAMESA 公司也是国际著名的风力设备和叶片生产商，目前也已决定在/U3e/z8oGPp;uR中国设厂，包括叶片制造。;f4Q td:M*Z T A位于河北保定市的中航（保定）惠腾风电设备有限公司是一家中美合资经营的企业，由-e R#j2f;w保定惠阳航空螺旋桨制造厂、中国航空工业燃机动力（集团）公司和美国美腾能源集团三方)xo_3K1D4z投资兴建。该公司
16、主要开发、制造风机叶片以及风机相关的玻璃纤维增强复合材料（GRP）。惠腾成立于 2001 年，年生产规模可达 300 套 600KW 风机叶片和200 套 750KW 风机叶片。目前，公司开发的 1.2MW 风机叶片模型已经下线，不久将运往风电场投入试用。1.3MW 的风机叶片的开发已完成，并且首批叶片模型已经下线。K:A Y8T 2bv7U此外，上海玻璃钢研究所也与国外先进设计技术结合，准备进入风能工业。从国际市场来看，叶片仍存在较大的市场需求。例如美国计划未来两年内装机 500 万千瓦，日本和澳大利亚也有与中国规模相当的市场规划。由于在中国生产的叶片运到美国西海岸以后，仍比在美国生产的叶片便宜。故以中国市场为基础，公司产品亦可扩展到海外市场。3、发电机 wg kG/g新一代的直驱
