《风力发电技术》课件-第二章 风力机

第二章风力机1.风力机的基本理论与参数风的能量风能密度风轮直径与风力机功率的关系贝兹理论风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风力机风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只把一部分能量转交给风轮。那么风能把多大的能量转交给风轮呢？1927年德国人贝茨从理论上计算出了最大值——贝茨极限。贝兹理论贝兹理论应用冲量守恒原理：贝兹理论贝兹理论叶轮吸收的功率：包括风能利用系数、叶尖速比、升阻比、实度、设计风速（额定风速）、切入风速、切出风速、风力机功率和风力机发电功率等。（相关概念见P29）

性能参数风力机实际发电功率2.风力机组安装

在风力发电场风电机组机位上组装成完整的风电机组的过程。其作业在野外进行,作业点分散。大型起重设备移动频繁,作业内容重复,确保安装作业过程中人员、设备的安全是首要任务。知风力机组安装安装前准备工作塔架安装机舱安装风轮安装安装后续工作风电机组安装作业包括：技术资料准备人员准备安装设备工具准备风电机组部件检查机组安装条件准备高强度螺栓准备安装前准备工作在安全风速下,才能进行吊装作业。起重吊车桅顶风速超过8~10m/s时,不得进行叶片和叶轮吊装作业。桅顶风速超过10~15m/s时，不得进行机舱和塔架吊装作业。风速超过6级时,人员不得进行机舱外和轮毂中的作业。风速超过7级(18m/s)时,不得攀登风电机组。底座风电机组塔架塔内附件电缆梯安全装置接地系统塔架安装安装作业：在塔筒底部法兰的12点钟位置，再安装一个起重钳。使用扳手，牢固地拧紧所有螺栓。1.

使用两台起重机，缓慢地吊装塔筒。拆离并卸下连接到塔架和低载荷拖车上的任何支撑架。2.从低载荷拖动吊装塔筒

解除塔架底部的升降起重联动装置并卸下将两条导绳固定在底部法兰。在它的帮助下，在后面的降低塔架操作期间可移动塔筒。3.使用主起重机，将塔架竖立在垂直位置在塔身内部，塔架由两个站在控制平台上的人指引移动方向。另外三或三个人在外部扶住塔身。塔筒的移动由导绳控制。4.在接触底座之前，再次检查通道与控制台是否对齐。解除导绳。5.

选择一个锚定螺栓作为固定点将塔筒底部法兰的最近的孔指向此固定点。一旦所有锚定螺栓与孔对齐，则可以放下塔筒。6.降低塔筒的位置，直到两个法兰固定好为止，其中一个在另一个的上面。准确固定好两部分的塔筒之间连接的扶梯。转动塔筒，直到法兰上的孔精确地对齐且两个法兰用四个螺栓固定好为止。7.对齐和固定塔筒

降低塔筒的位置，直到两部分之间保留一间空隙为止。空隙的宽度允许可插入螺栓。从下面用螺栓穿过法兰，从上面用一个螺母固定。8.用螺栓连接法兰降低塔筒的位置，直到两部分之间保留一间空隙为止。空隙的宽度允许可插入螺栓。从下面用螺栓穿过法兰，从上面用一个螺母固定。9.用螺栓连接法兰包括机舱组装和机舱吊装两项作业。机舱安装

风电机组机舱各个零部件在出厂前经过检查、清理、检测、试验,已经具备现场安装、调试、并网发电的条件。降低机舱的位置，直到机舱与塔架之间保留一点间隙为止，用四个螺栓相对互相固定。

机舱法兰带有螺纹。

机舱就位后在吊装期间任何人不得呆在机舱中。手动拧紧所有其它螺栓。完全放下机舱，使起重机吊钩保留50%的载荷重量。用冲击式起子拧紧所有螺栓，将余下重量将起重机吊钩中解脱出来。使用电动扭矩起子或液压板手，将所有螺栓拧到所需的扭矩，从机舱解脱升降起重联动装置。风轮组装将叶片与轮毂进行组装的过程。包括风轮组装和风轮吊装。风轮安装

为避免对叶片造成损伤,叶片在吊装或进行支撑时,靠叶尖侧的吊具吊点或支撑点通常选在距叶尖1/3叶片长度附近。1.叶片装车，准备组装2.对齐转子叶片轴承以进行安装3.叶轮吊装4.叶轮起吊中5.竖立转子三角架6.将转子三角架靠机舱固定各部传感器安装与调整偏航和变桨系统润滑控制系统电气接线防雷系统连接风电机组内部清洁安装后续工作动力电缆或封闭母线安装与绝缘试验安全索安装机舱起重设备安装照明系统安装使用液压电缆机，在各个塔筒部分连接电源电缆1.通过夹紧套管来滑动可收缩的套管。使用燃烧器，套管会收缩。必须注意到套管只是从底部到顶部收缩，从一端到另一端收缩，以防形成气泡和套管燃烧。2.为了增加安全性，使用扭矩起子对所有螺栓连接进行最后一次检查。在此检查中，可检测到不正确的螺栓连接和有缺陷工具。

在初始安装中，用扭矩起子对10%的螺栓连接作为抽样进行检查。3.检查扭矩4.防腐蚀为了提供可行的防腐保护，在装配好塔架后再次给法兰上漆。

控制电缆和电源电缆上约1.5–2米就使用一个快动电缆夹进行固定。5.快动电缆夹3.风力发电制造业的发展2019年，我国风力发电总装机容量超过221GW，位居世界第一。中国是世界风能领域的领导者，拥有世界三分之一以上的风电装机容量。中国甘肃省拥有世界上最大的陆上风电场，装机容量达到7965兆瓦，是世界第二大陆上风电场的5倍。该风电场目前仅占其产能的40％，另外还将安装13,000MW，到2020年总产能将达到20,000MW（20GW）。风力发电装机、生产制造均位居世界第一随着风电市场规模的迅速扩大，我国风电设备制造技术进一步提高，一个具有竞争力的较为完整的产业链体系已初步形成，涵盖原材料加工、零部件制造、整机制造、开发建设、技术研发、标准和检测认证体系等各个环节。风电机组设备制造基本上实现了系列化、标准化和型谱化，机型涵盖双馈、直驱和混合式，单机容量从1.5MW迅速发展到目前最大的10MW级，并实现了从陆地风电到海上风电的跨域。风力发电制造业发展1.发展历程2006年，我国政府实施了《可再生能源法》，风电正式进入大规模开发应用的阶段。经过10年来的快速发展，开发出若干具有自主知识产权的机型，并得到风场的大规模应用和长时间的验证：3MW及以下兆瓦级机组总体设计及零部件制造技术已经成熟，正在开发更大单机容量的系列化产品。1.5MW、2MW风电机组的供应能力充足，3MW风电机组已批量运行，5～6MW风电机组也已投入运行。上海电气3.6MW、湘电风能5MW、东方电气5.5MW、海装风电5MW、太原重工5MW等海上风电机组陆续下线安装。海上风电机组供应商达到10家，累计装机容量达到100MW以上的机组制造商有上海电气、华锐风电、远景能源、金风科技等。据不完全统计，自2005年以来，国家自然科学基金资助的风能相关项目为370项，研究内容涵盖了风能利用的各个领域和方面。2010～2014年的资助项目占2005～2014年资助总项目数的81%，说明风能利用的科学和技术基础研究近年来得到了极大的重视。2.技术研究2.企业研发1.金风科技2015年跻身世界第一大风电整机供应商，拥有北京、新疆和德国三地研发中心，具备较完备的自主研发能力。其最突出的技术特点是直驱永磁技术。2.国电联合动力技术有限公司研发以产品平台为主线，已完成或正在开展1.5MW、2MW、3MW、6MW、12MW产品平台研究。3.远景能源技术特色是着力打造“智能风电机组”概念，其陆上风电机组注重低风速机型的开发。“智能风电机组”概念融合智能控制技术、智能传感、云计算、大数据和能源管理等技术，运用当代信息技术推动风电系统的技术革新。3.零部件制造随着风电产业的快速发展，扩大完善了生产供应体系：国内叶片、齿轮箱、发电机等部件的制造能力已接近国际先进水平，能够满足主流机型的配套需求，并大量出口。轴承、变流器和控制系统的研发也取得了重大进步，并开始批量供应国内市场。塔筒、轮毂、机舱等部件的生产能力完全满足国内市场需求，并向国际市场供货。国内叶片制造商已能生产出72m、配套6MW机型的大尺寸叶片。配套5MW、6MW等大型风电机组的齿轮箱、发电机和轴承也投入使用。2024/9/1253兆瓦级风电机组零部件—齿轮箱南京高速齿轮制造有限公司重庆重齿风力发电齿轮箱有限责任公司2024/9/1254风轮叶片制造2024/9/1255北京科诺伟业公司

兆瓦级风电机组零部件—电控系统2024/9/1256风机塔架2024/9/1257

风机主轴2024/9/1258风机轮毂2024/9/1259国产风机轮毂2024/9/1260风机轴承2024/9/1261风机变距轴承2024/9/1262偏航电机和变桨电机2024/9/1263风机连轴器2024/9/1264风机刹车系统2024/9/1265风机基础法兰盘加工2024/9/1266整机装配2024/9/1267整机装配2024/9/1268风机基础2024/9/1269海上风电叶片运输2024/9/1270叶片吊装2024/9/1271风机的吊装2024/9/12721.5MW叶片海上风场运行2007年11月8日，由中海油投资的第一台海上风力发电机组安装运行，其中主机采用金风科技公司研发的1.5MW永磁直驱风力发电机组，叶片为HT34型叶片。2024/9/1273风机制造产业应该注意的问题注重产品研发，开发出具有自主知识产权的产品对引进的技术应加快消化吸收再创新的步伐注重产品质量，风机主要设备装在60米高空，大部件出现故障维修成本非常高中国风电场在北方，最低温度可到零下40度，极端温度可到零下50度。而欧洲一般为零下20-30度，因此在金属件选材、叶片低温时的震动、低温润滑油、控制器电子元件低温性能等都比欧洲运行有更苛刻要求。中国南方沿海地区受台风影响严重，2003年10月受台风影响，广东惠来风场损坏了27片叶片；2006年8月，浙江苍南风电场遭“桑美”台风袭击，风速超过每秒70米，风电场28台风机中，20台均受严重损害，部分彻底报废。2024/9/1274风电机组抗低温设计请点击：2019、2020年全国风电行业分析报告2019、2020年全国风电行业分析报告1.2019全国风电项目及装机汇总2.2019风电整机供应商项目及装机量汇总3.风电整机订单量分析4.前五大区域装机情况：内蒙古、广东、江苏、河南、山东5.2019海上风电分析6.2020-2021风电发展预测4.风力机结构与类型

风力发电是将风所蕴含的动能转换为电能的技术，简称风电。将风能转换为电能的设备称为风力发电机组，筒称风电机组，由风轮、传动系统、发电机、控制系统、偏航系统、机舱、塔架和机组基础等设备和系统构成。风力机结构和类型水平轴风力机组成图

机舱主要设备示意图微型：容量0.1—1kW小型：容量1—100kW中型：容量100—1000kW大型：1000kW——10MW按容量划分风力机类型水平轴风力机：风轮旋转平面与风向垂直，旋转轴与地面平行。垂直轴风力机：转动轴与地面垂直，可接受任意方向的风。风向变化是无需对风按风轮转动轴与地面关系分风力机类型齿轮箱风力机：风轮通过齿轮箱、高速轴、联轴器将动力传递给发电机。齿轮箱起增速作用。无齿轮箱直驱永磁式风力机：风轮直接与发电机连接，风轮转矩直接传递给发电机。发电机体积大半直驱型风力机：上述两种综合，齿轮箱传动比较小，同步发电机极数少，减小发电机体积。按机械传动方式分：风力机类型恒速型风力机：转速恒定不随风速变化，恒速恒频运行。变速型风力机：转速随风速变化，变速恒频运行。大型风力机可连续变速恒频运行，提升效率。按风轮转速分风力机类型单叶片风力机双叶片风力机三叶片风力机多叶片风力机：>3风轮叶片数分风力机类型升力型风力机：利用叶片所受升力转换机械能。普遍阻力型风力机：利用叶片所受阻力转换机械能。按风轮桨叶受力分风力机类型上风向风力机（迎风式）

下风风力机（顺风式）按照功率调节方式分风力机类型定桨距风力机：叶片与轮毂的连接是固定的。风速变化是叶片的迎风角不能改变，功率调节依靠失速。变桨距风力机：叶片与轮毂的连接是非固定的，叶片可以绕叶片中心轴旋转。功率调节依靠改变攻角。主动失速调节：控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。按照风轮位置分风力机类型单机容量越大，桨叶越长。2MW风力机叶片的直径已经达到72m，最长的叶片已经做到50m，且随着机组容量的增加会更长。按结构划分风力机类型水平轴向风力机垂直轴向风力机水平轴风力机的风轮转轴与风向平行，其风能利用系数高，技术非常成熟，水平轴风力发电机是目前应用最广泛的风力发电机。定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机按功率调节方式划分风力机类型按传动形式划分风力机类型高传动比齿轮箱型直接驱动型5.垂直轴风力机

垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行运转，其旋转轴与风向垂直。垂直轴风力机相对于水平轴风力机，结构简单，齿轮箱和发电机可以直接安装在地面上，调试、运行方便。垂直轴风力机分为两种类型：阻力型风力机、升力型风力机垂直轴风力机

垂直式风力机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。垂直轴风力机结构简单，减少了风轮对风时的陀螺力。基本概念

阻力型风力机升力型风力机按空气动力学工作原理分为：

升力型（翼型叶片）阻力型（平板叶片）垂直轴风力机分类阻力型垂直轴风力发电机阻力型风力机是由于风力机的叶片在迎风方向形状不对称，引起空气阻力不同，从而产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动。杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风力机。阻力型风力机分为阻力差型风力机和S型风力机。1.阻力差型风力机阻力差型风力机其叶片在空气阻力的推动下旋转，最佳叶尖速比位于0—1范围内。利用叶片在顺风和逆风时受风面形状不同而产生不同的阻力系数，来驱使风轮旋转的风力机。通过增大叶片的顺风阻力系数或则减少逆风阻力系数使阻力差型风力机获得最大功率。2.S型风力机S型风力机转子的轴垂直于地面安装，由于结构在水平方向对称，任何方向的水平风力均可推动它旋转。当垂直方向有风时，凹面向风的半圆柱面受到的风阻力要比凸面向风的半圆柱面大，两侧的阻力差将使风力机转子转动。当风向与两半圆柱面直径夹角很小时，静止的叶轮不能起动，为防止这个死角，也为转动平稳，Ｓ式风力机转子一般由上下两组叶片阻成，在水平方向相互垂直安装，组成双S风轮。2.S型风力机S型风力机风轮启动转矩大，可在较低风速下运行，但风轴周围气流不对称，会产生侧向推力，使其大型化困难。2.S型风力机Ｓ式风力机对风的利用效率在阻力型风力机中算高的，且转矩较大，结构简单，无对风装置，性价比高，适合在小型风电应用，增速箱与发电机可安装在地面，安装维护方便。

2.S型风力机阻力型风力机的风能利用系数较低，故很少用于发电。转速决定了输出功率的大小，风轮只有在最佳转速下才能获得最佳风力机输出功率。2.S型风力机升力型垂直轴风力机来流风速v是恒定的，风轮运转中该横截面各翼型的切向速度u的大小相等,而方向不同，它们与相对速度w一起构成了各翼型的速度三角形。与叶片弦线的夹角是有效攻角。除了当叶片处于与风平行或近似平行的位置外，在其它方位的气动力产生一个驱动风轮旋转的力矩。

升力式垂直轴风力发电机组与水平轴风力机组的组成一样，主要有叶片，风力机，齿轮箱，发电机等组成。结构简图实际机组升力式风力机主要利用空气对叶片的升力来驱使风轮旋转。升力型垂直轴风力机达里厄风力机风轮形式多种多样，其中φ形和H形风轮应用最广泛。1.达里厄风力机H形风轮φ形风轮达里厄风力机装置简单，成本便宜，但启动性能差，常与S风轮一起使用。叶片都具有翼型剖面（多为对称翼型），有直叶片和弯叶片两种，弯叶片（φ形）主要是使叶片只承受纯张力，不受离心力载荷，使弯曲应力减至最小。

1.达里厄风力机H型风轮风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点出产生严重的弯曲应力,直叶片一般都采用横担式拉索支撑，以防止离心力引起大的弯曲应力,但是这些支撑将产生气动阻力，降低效率。1.达里厄风力机垂直轴风力机优点1)寿