風電發展的關鍵技術研究

摘 要：風電行業的興起是全球能源與資源緊張的必然趨勢，同時也是全球對清潔能源的迫切需求，風電作為清潔能源之一受到了各國政府的重視和發展。文章從四個方面講述了風電發展的關鍵和核心技術：葉片技術、齒輪技術、軸承技術與控制技術。

關鍵詞：風電；關鍵技術；機電；控制

我國的常規資源比較缺乏，而風能資源比較豐富，從對環境污染更小的角度來看，風電是無污染能源，清潔能源。到2020年國內用電需求將達到4億千瓦的用電量，龐大的用電需求對于國內發展風電來說將是個巨大的契機。政府的規劃到2020年風電將會超過水電，成為第二大電力資源。目前世界市場上風電機主要的調節技術有：定槳距調節風電機技術、變槳距調節風電機技術、主動定槳距調節技術、變速恒頻四種。目前，我國僅掌握定槳距失速調節型風電機技術，這類風電機的容量可以擴大到750kW，另外三種技術均沒有涉及。我國與西方發達國家的風能利用方面還有比較大的差距，尤其核心控制模塊還需要從國外進口，從風能的利用率方面還比較低，并網技術方面還有不小的差距。我國風電機技術開發仍處于較低水平。

1 風力發電機葉片應該滿足的基本要求

風力發電機的葉片是葉輪的核心部件。葉片的設計涉及到多學科的知識，機械學，空氣動力學，材料學疲勞特性學等等。風力發電機組效率的高低取決于葉片的形狀。葉片主要幾何參數有：風輪的直徑，風輪的掃掠面積，風輪的偏角以及葉尖速比等等。葉片形狀合理的設計與葉片片數的合理選擇將會對發電機組的效率和降低噪音起到關鍵的作用。

葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。惡劣的環境和長期不停的運轉，致使對葉片的要求需要很嚴格：密度輕且具有最佳的疲勞強度和力學性能，能經受暴風等極端惡劣條件和隨機負載的考驗；葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發電系統的負載穩定性好，不得在失控的情況下離心力的作用下拉斷并飛出，亦不得在風壓的作用下折斷，也不得在飛車轉速以下范圍內產生引起整個風力發電機組的強烈共振；葉片的材料必須保證表面光滑以減小風阻，粗糙的表面亦會被風“撕裂”；不得產生強烈的電磁波干擾和光反射；不允許產生過大噪聲；耐腐蝕、耐紫外線照射和耐雷擊性能好；成本較低，維護費用低。

2 風力發電機用軸承主要類型及工況條件

存在于風機軸承開發研制中的主要技術難點是實現軸承長壽命所需要的密封結構和潤滑脂、特殊的滾道加工方法和熱處理技術、特殊保持架的設計和加工制造方法等。風力發電機所用的軸承由于其特殊的受力情況、惡劣的工作環境條件和特殊的維護要求，這些都構成了技術突破上的制約因素。目前國內的生產技術水平還遠遠落后于國外的先進水平，但最近幾年來，我國的一些科研部門在這些方面已經取得了一些突破性的研究成果，這對加速風機軸承國產化的進程起到了一些推動作用。風機軸承國產化可提高國內軸承工業的設計應用水平，拉近與國外先進水平的差距，促進國內軸承工業的發展和技術進步，另一方面可以降低風電成本，加快我國新資源和可再生資源的發展。比如變槳距系統中用的軸承采用角接觸球軸承，內圈與葉輪相連。偏航軸承的內外都與機體和機艙連接。內圈或外圈可以加工成外齒式的，結構緊湊傳動效果好。

3 風力發電機的傳動系統

風力發電機的傳動系統的作用是將葉片的旋轉動力傳遞給發電機，主要有如下幾部分組成：主軸、變速箱、制動器、聯軸器和保護裝置。下面重點介紹一下傳動系統中的變速箱部分，由于在風速比較低的情況下，葉輪本身的轉速很難驅動發電機系統，此時需要考慮采用增速機，如果用生產系統中常用的直齒輪或斜齒輪，將會使得空間尺寸尤為寶貴的傳動系統很難設計，如果以能實現大傳動比的蝸桿傳動的話，將會損失好多能量，由于蝸桿傳動的效率太低，綜合考慮了空間尺寸和高效率，絕大多數風電的傳動系統采用的是兩級到三級的行星齒輪增速器。

葉片的轉動帶動主軸的轉動，輸出軸與三個行星輪相連接通過平行軸齒輪傳動傳遞給發電機的輸入軸，從而驅動了發電機。由于自然界中的風的大小有不確定性，所以對風力發電機的傳動系統不僅需要按靜載荷進行設計，還需要按動載荷的方式進行設計，對傳動系統的聯軸器要采用柔性連接，同時在主軸與變速箱的連接中采用脹套式的聯軸器，當風力過大的時候能夠打滑從而保護風力發電機系統。同時對變速箱的潤滑裝置和密封裝置也提出了較高的要求。齒輪箱的溫度上升后會對潤滑液造成一定的破壞，導致潤滑失效，進而會使齒輪表面失效，所以齒輪箱還需設計個溫控系統來保護好齒輪的傳動。

4 風力發電的控制系統

風力發電控制系統是一個綜合多功能的系統，對于并網的風力發電系統，它不僅要觀察電網的運行狀況，同時還需要觀察風電自身的系統的運行狀況，對系統的脫網和并網合理的控制。由于風電機組是一個非線性的控制系統，風機的控制系統是風機的重要組成部分，主要實現如下的控制目標：①風速過高或過低的時候，及時調整槳距角，充分利用風能和保護葉片不至于大風的時候受損；②風電的控制系統對于偏航系統，驅動系統和傳動系統進行高效的協調，以使得風電系統各部分之間的協調工作；③風電控制系統對于整個系統各機械及電器部分通過傳感器智能的故障檢測功能必須靈敏和及時。現有風電機的控制裝置主要有偏航裝置和變漿矩裝置，我們知道自然界的風向和風速都是隨時隨機變化的，我們的調節裝置雖然可以根據風向和風速調整，但在速度上始終是滯后的，并不能完全滿足風電機平穩發電的需要。

參考文獻

[1]李新梅.淺析風力發電機葉片關鍵技術[J].機械制造，2009（1）：45.

[2]張立勇.風力發電及風電齒輪箱概述[J].機械傳動，2008（6）：1.

[3]曾婧婧.風力發電控制系統研究[J].自動化儀表，2006（S1）：32.

[4]陳作越.風電齒輪箱結構設計及齒輪應力分析芻議[J].水電與新能源，2011（2）：72.