风电发展的关键技术研究

风电行业的兴起是全球能源与资源紧张的必然趋势，同时也是全球对清洁能源的迫切需求，风电作为清洁能源之一受到了各国的重视和发展。文章从四个方面讲述了风电发展的关键和核心技术：叶片技术、齿轮技术、轴承技术与控制技术。

标签：风电；关键技术；机电；控制

我国的常规资源比较缺乏，而风能资源比较丰富，从对环境污染更小的角度来看，风电是无污染能源，清洁能源。到2020年国内用电需求将达到4亿千瓦的用电量，庞大的用电需求对于国内发展风电来说将是个巨大的契机。的规划到2020年风电将会超过水电，成为第二大电力资源。目前世界市场上风电机主要的调节技术有：定桨距调节风电机技术、变桨距调节风电机技术、主动定桨距调节技术、变速恒频四种。目前，我国仅掌握定桨距失速调节型风电机技术，这类风电机的容量可以扩大到750kW，另外三种技术均没有涉及。我国与西方发达国家的风能利用方面还有比较大的差距，尤其核心控制模块还需要从国外进口，从风能的利用率方面还比较低，并网技术方面还有不小的差距。我国风电机技术开发仍处于较低水平。

1 风力发电机叶片应该满足的基本要求

风力发电机的叶片是叶轮的核心部件。叶片的设计涉及到多学科的知识，机械学，空气动力学，材料学疲劳特性学等等。风力发电机组效率的高低取决于叶片的形状。叶片主要几何参数有：风轮的直径，风轮的扫掠面积，风轮的偏角以及叶尖速比等等。叶片形状合理的设计与叶片片数的合理选择将会对发电机组的效率和降低噪音起到关键的作用。

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能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的运转，致使对叶片的要求需要很严格：密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验；叶片的弹性、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载稳定性好，不得在失控的情况下离心力的作用下拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振；叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”；不得产生强烈的电磁波干扰和光反射；不允许产生过大噪声；耐腐蚀、耐紫外线照射和耐雷击性能好；成本较低，维护费用低。

2 风力发电机用轴承主要类型及工况条件

存在于风机轴承开发研制中的主要技术难点是实现轴承长寿命所需要的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架的设计和加工制造方法等。风力发电机所用的轴承由于其特殊的受力情况、恶劣的工作环境条件和特殊的维护要求，这些都构成了技术突破上的制约因素。目前国内的生产技术水平还远远落后于国外的先进水平，但最近几年来，我国的一些科研部门在这些方面已经取得了一些突破性的研究成果，这对加速风机轴承国产化的进程起到了一些推动作用。风机轴承国产化可提高国内轴承工业的设计应用水平，拉近与国外先进水平的差距，促进国内轴承工业的发展和技术进步，另一方面可以降低风电成本，加快我国新资源和可再生资源的发展。比如变桨距系统中用的轴承采用角接触球轴承，内圈与叶轮相连。偏航轴承的内外都与机体和机舱连接。内圈或外圈可以加工成外齿式的，结构紧凑传动效果好。

3 风力发电机的传动系统

风力发电机的传动系统的作用是将叶片的旋转动力传递给发电机，主要有如下几部分组成：主轴、变速箱、制动器、联轴器和保护装置。下面重点介绍一下传动系统中的变速箱部分，由于在风速比较低的情况下，叶轮本身的转速很难驱动发电机系统，此时需要考虑采用增速机，如果用生产系统中常用的直齿轮或斜齿轮，将会使得空间尺寸尤为宝贵的传动系统很难设计，如果以能实现大传动比的蜗杆传动的话，将会损失好多能量，由于蜗杆传动的效率太低，综合考虑了空间尺寸和高效率，绝大多数风电的传动系统采用的是两级到三级的行星齿轮增速器。

叶片的转动带动主轴的转动，输出轴与三个行星轮相连接通过平行轴齿轮传动传递给发电机的输入轴，从而驱动了发电机。由于自然界中的风的大小有不确定性，所以对风力发电机的传动系统不仅需要按静载荷进行设计，还需要按动载荷的方式进行设计，对传动系统的联轴器要采用柔性连接，同时在主轴与变速箱的连接中采用胀套式的联轴器，当风力过大的时候能够打滑从而保护风力发电机系统。同时对变速箱的润滑装置和密封装置也提出了较高的要求。齿轮箱的温度上升后会对润滑液造成一定的破坏，导致润滑失效，进而会使齿轮表面失效，所以齿轮箱还需设计个温控系统来保护好齿轮的传动。

4 风力发电的控制系统

风力发电控制系统是一个综合多功能的系统，对于并网的风力发电系统，它不仅要观察电网的运行状况，同时还需要观察风电自身的系统的运行状况，对系统的脱网和并网合理的控制。由于风电机组是一个非线性的控制系统，风机的控制系统是风机的重要组成部分，主要实现如下的控制目标：①风速过高或过低的时候，及时调整桨距角，充分利用风能和保护叶片不至于大风的时候受损；②风电的控制系统对于偏航系统，驱动系统和传动系统进行高效的协调，以使得风电系统各部分之间的协调工作；③风电控制系统对于整个系统各机械及电器部分通过传感器智能的故障检测功能必须灵敏和及时。现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置，我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的，我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要。

参考文献

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