風力發(fā)電機可靠性的途徑

研究表明提高風力發(fā)電機可靠性的途徑主要包括以下內(nèi)容 。

風力發(fā)電機技術(shù)人員培訓(xùn)

首先要組建一個具有可靠性理論知識的工程師團隊，培養(yǎng)工程師在工作過 程中逐漸掌握可靠性理論 ,并讓他們理解可靠性對風力發(fā)電機組運行和發(fā)展的重要性和意義。

風力發(fā)電機可靠性設(shè)計

可靠性工程師需要在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段關(guān)注可靠性問題，并評估設(shè)計概念對可靠性產(chǎn)生的影響。同時利用計算機輔助工程分析軟件對產(chǎn)品進行反復(fù)設(shè)計和測試，以解決設(shè)計上的問題，從而設(shè)計出高可靠性風力發(fā)電機的模型。

風力發(fā)電機可靠性測試

風力發(fā)電機組的組件提供商必須使正規(guī)的測試成為常規(guī)，以確保配件的可靠性，同時，對于風力發(fā)電機組原型裝配測試也是絕對必要的?？煽啃栽囼灥哪康氖潜M早發(fā) 現(xiàn)潛在的問題，并最終使系統(tǒng)滿足其可靠性。可靠性測試應(yīng)在多個層次進行，尤其是復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)在組件、組裝過程、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的各個層面開展測試。如應(yīng)先測試各組件，測試通過后再進行整體測試，從而降低項目風險。系統(tǒng)可靠性測試中，在每個級別測試后都應(yīng)產(chǎn)生可靠性故障報告，再進行分析和糾正，這樣可提高可靠性試驗的水平。雖然這種測試要花費大量的時間和費用，但是這些比起在實際運行中因故障而長期停機和由于產(chǎn)品的 不穩(wěn)定所造成的損失，還是值得的。對于海上風力發(fā)電機,這種測試更需要嚴格執(zhí)行。

風力發(fā)電機安裝監(jiān)控系統(tǒng)

風力發(fā)電機組設(shè)備可使用如振動監(jiān)測分析設(shè)備或安裝能發(fā)現(xiàn)緊急故障早期征兆的精密儀器。這些狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(Condition M onitoring Sy stems, CMS)在發(fā)現(xiàn)問題超過預(yù)警時，可觸發(fā)維護過程。故預(yù)知維修與狀態(tài)檢修也是提高系統(tǒng)可靠性的重要方式 。

通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選購大一點的風力發(fā)電機，而這是不正確的。目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內(nèi)地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一臺200W風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率出。

使用風力發(fā)電機，就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電，其節(jié)約的程度是明顯的，一個家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價。而現(xiàn)在的風力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數(shù)邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機接一個15W的燈泡直接用電，一明一暗并會經(jīng)常損壞燈泡。而現(xiàn)在由于技術(shù)進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標燈；山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層樓頂也可用風力電機，這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。家庭用風力發(fā)電機，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學校、部隊乃至落后的山區(qū)，風力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術(shù)在風力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務(wù)，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動致富。

2009年5月，國家投資3萬億資金支持新能源，特別是風力發(fā)電行業(yè)。國家大力支持風電的發(fā)展！

根據(jù)定槳矩失速型風機和變速恒頻變槳矩風機的特點,國內(nèi)目前裝機的電機一般分為二類:

風力發(fā)電機1，異步型

（1）籠型異步發(fā)電機；功率為600/125kW 750kW 800kW 12500kW

定子向電網(wǎng)輸送不同功率的50Hz交流電;

（2）繞線式雙饋異步發(fā)電機；功率為1500kW

定子向電網(wǎng)輸送50Hz交流電，轉(zhuǎn)子由變頻器控制，向電網(wǎng)間接輸送 有功或無功功率。

風力發(fā)電機2，同步型

（1）永磁同步發(fā)電機；功率為750kW 1200kW 1500kW 由永磁體產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電

（2）電勵磁同步發(fā)電機;由外接到轉(zhuǎn)子上的直流電流產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電

根據(jù)葉片形式的不同，現(xiàn)有風力發(fā)電機分為以下兩類：

風力發(fā)電機3，水平軸

世界上目前利用最多的形式，功率最大5MW左右。

風力發(fā)電機4，垂直軸

21世紀初由中國、日本、歐洲幾乎同時發(fā)明的一種新型風力發(fā)電機，有別于最早的垂直軸風力發(fā)電機（達里厄型），效率高于水平軸風力發(fā)電機，無噪音和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，維護簡單。已成為歐美市場中小型風力發(fā)電機的首選。世界上目前最大功率是由上海模斯電子設(shè)備有限公司（MUCE）生產(chǎn)的50千瓦垂直軸風力發(fā)電機，日本最大功率30千瓦，英美國家生產(chǎn)的功率在1千瓦到10千瓦之間。

最近，國內(nèi)外多家公司提出了建造超大型垂直軸風力發(fā)電機的計劃（10MW），此項計劃得到落實后，由于成本遠低于目前的風力發(fā)電機，必將逐步取代水平軸風力發(fā)電機，成為世界新能源的主力軍！

機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。

轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。

低速軸：風力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風力發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時。

發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。

電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風力發(fā)電機操作員。

液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風力發(fā)電機具有水冷發(fā)電機。

塔：風力發(fā)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大?，F(xiàn)代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。

風速計及風向標：用于測量風速及風向

尾舵：常見于水平軸上風向的小型風力發(fā)電機（一般在10KW及以下）。位于回轉(zhuǎn)體后方，與回轉(zhuǎn)體相連。主要作用一為調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)向，使風機正對風向。作用二是在大風風況的情況下使風力機機頭偏離風向，以達到降低轉(zhuǎn)速，保護風機的作用。

是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設(shè)備。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機。風力發(fā)電利用的是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應(yīng)急來用的話，還是不如柴油發(fā)電機。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。

風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風力發(fā)電機技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。

風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。

風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機 充電器 數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。

機械連接與功率傳遞：水平軸風機槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連,將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機的傳動軸,此聯(lián)軸節(jié)應(yīng)按具有很好的吸收阻尼和震動的特性，表現(xiàn)為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機械裝置的過載。另一種為直驅(qū)型風機槳葉不通過齒輪箱直接與電機相連風機電機類型

許多世紀以來，風力機同水力機械一樣，作為動力源替代人力、畜力，對生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮過重要作用。近代機電動力的廣泛應(yīng)用以及二十世紀50年代中東油田的發(fā)現(xiàn)，使風力機的發(fā)展緩慢下來。

70年代初期，由于“石油危機”，出現(xiàn)了能源緊張的問題，人們認識到常規(guī)礦物能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性和有限性，于是尋求清潔的可再生能源遂成為現(xiàn)代世界的一個重要課題。風能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們重視。

2006年，中國共有風電機組6469臺，其中兆瓦級機組占21.2%，2007年，這個比例躍升為38.1%，提高了16.9個百分點。2007年，全球風力發(fā)電的累計裝機容量已達9.41萬兆瓦，比上一年的7.42萬兆瓦增加27%。2007年，中國風電裝機為605萬千瓦，提前3年實現(xiàn)2010年的規(guī)劃目標；2001年到2007年的6年間，中國風電裝機增長了14倍；僅2007年一年，中國風電裝機就增加344.9萬千瓦，比中國風電有史以來的累積總量還多。隨著風電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，風電設(shè)備供不應(yīng)求。

近年來，新興市場的風電發(fā)展迅速。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風電特別是風電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風電最為活躍的場所。2006年全球風電資金中9%投向了中國，總額達16.2億歐元（約162.7億元人民幣）。2007年，中國風電裝機容量已排名世界第五。

中國巨大的風電市場以及廉價的勞動力成本，吸引了大量國外風電巨頭紛紛在中國設(shè)廠，或采取與國內(nèi)企業(yè)合資的方式，生產(chǎn)的產(chǎn)品都被貼上了中國制造的標簽。中國制造的風電設(shè)備產(chǎn)品占據(jù)越來越大的市場份額，風機產(chǎn)品正在經(jīng)歷一個由全球制造向中國制造的轉(zhuǎn)變。

由于風電屬于新能源范疇，無論是成本還是技術(shù)同傳統(tǒng)的火電、水電相比還有較大的差距，因而風電的快速發(fā)展需要國家政策的大力扶持。縱觀風電發(fā)展迅速的國家如德國、西班牙、印度，無一例外地都給予風電產(chǎn)業(yè)巨大的政策優(yōu)惠。中國對風電的政策支持由來已久，力度也越來越大，政策支持的對象也由過去的注重發(fā)電轉(zhuǎn)向了注重扶持國內(nèi)風電設(shè)備制造。國家的政策支持將是風電設(shè)備制造業(yè)迅猛發(fā)展的根本保障，隨著中國國產(chǎn)風機設(shè)備的自主制造能力不斷加強，國家的政策支持力度也將越來越大，風電設(shè)備制造業(yè)面臨難得的歷史發(fā)展機遇。

中國正逢風電(正逢風電市場調(diào)研)發(fā)展的大好時機，風電設(shè)備市場需求增加。另外，除了風電設(shè)備整機需求不斷增加之外，葉片、齒輪箱、大型軸承、電控等風電設(shè)備零部件的供給能力仍不能完全滿足需求，市場增長潛力巨大。因此中國風電設(shè)備制造業(yè)景氣持續(xù)。

2015年11月，我國海上最大風力發(fā)電機在福建莆田平海灣上安裝成功。該風機采用湘電XE128-5000機型，單機容量5MW，轉(zhuǎn)輪直徑128米，輪轂中心高度達81米，屬于福建莆田平海灣50MW海上風電項目。

2020年10月27日，在距離長江口南支航道0.7海里的風機塔上，東海航海保障中心上海航標處27日順利完成臨港海上風電場AIS(船舶自動識別系統(tǒng))基站的新建工作，中國首個海上風機塔AIS基站宣告建成。

達里厄風力發(fā)電機,也就是升力型垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展充滿了曲折。在上世紀六十年代才開始進行系統(tǒng)的研發(fā)，并開發(fā)出φ形垂直軸風力發(fā)電機投入到實用中。但是由于該機型不能自啟動，隨著水平軸風力發(fā)電機的日臻完善，垂直軸風力發(fā)電機逐漸退出了市場。從本世紀初開始，水平軸風力發(fā)電機的缺點也逐漸被人詬病，比如說安全性差，噪音大，效率不高等等，這個時候垂直軸風力發(fā)電機在這方面的優(yōu)勢又重新得到了人們的重視，開始興起了一股研究垂直軸風力發(fā)電機的熱潮。垂直軸風力發(fā)電機的研究主要集中在H型垂直軸風力發(fā)電機，這主要是因為該布局的風力能有效的解決垂直軸風力發(fā)電機不能自啟動的缺點，同時也可以做到無噪音。

從空氣動力學，材料力學，電子，低速發(fā)電機等多方面對H型垂直軸風力發(fā)電機進行了系統(tǒng)研究，成功開發(fā)出了10w，300w，1kw，3kw，10kw等多種垂直軸風力發(fā)電機系列，同時利用獨有的氣動限速裝置使風力發(fā)電機在超風速的情況下保持額定輸出，使垂直軸風力發(fā)電機真正具有了實用價值，成為水平軸風力發(fā)電機有力的競爭者。

達里厄風力發(fā)電機又出現(xiàn)了一種新的布局方式，該布局可以看成是H型垂直軸風力發(fā)電機的變形，采用3葉片，將葉片在投影方向做成S形，這樣能改善一部分的起動性能，同時又能保證風輪的轉(zhuǎn)速不至于太低。相對于直葉片的H型垂直軸風力發(fā)電機來說，該彎葉片的制作難度大，并且會帶來安裝等方面的困難，其發(fā)展前景還有待進一步研究。

達里厄（Darrieus）風力發(fā)電機是最早的升力型垂直軸風力發(fā)電機，簡稱D葉輪 。它是由法國一位名叫G.J.M.Darrieus工程師發(fā)明的，在1931年獲得專利，但一直未得到重視，直到二十世紀六十年代末才開始引起注意。經(jīng)加拿大國家空氣動力實驗室和美國sandia實驗室進行大量研究，達里厄風力發(fā)電機才具有了實用價值。與所有垂直軸風力發(fā)電機相比，它的風能利用系數(shù)最高。所有的升力型垂直軸風力發(fā)電機都可以歸為達里厄型風力發(fā)電機中。

本書是《風力發(fā)電工程技術(shù)叢書》之一，比較系統(tǒng)地介紹了常用風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、原理、運行、控制及設(shè)計等方面的知識。

全書共分8章，主要內(nèi)容包括緒論，交流電機的基本理論，雙饋風力發(fā)電機，雙饋風力發(fā)電機的運行與控制，無刷雙饋異步風力發(fā)電機及其控制，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機的運行與控制以及風力發(fā)電系統(tǒng)中的其他常用發(fā)電機。