风电场运维与风力发电机维护及保养.pdf

1、国际电气工程先进技术译丛风电场运维与风力发电机维护及保养Maintenance Fundamentals for Wind Technicians美 韦恩 基尔柯林斯（Wayne Kilcollins）著纪志帅 劳德洪 译机 械 工 业 出 版 社 本书是一本介绍风力发电机组维护要求的专业教材，书中介绍了风电行业的发展背景，以及技术人员就业所需的培训和发展方向。第 1 3 章介绍了风机维护作业需要注意的安全事项，第 4 8 章介绍了风机维护作业所需掌握的基础知识，第 9 15 章则主要讲述了风机各部位的维护保养要求，第 16 章和第 17 章讨论了如何利用系统采集的数据和信息来开发出更高效的维

2、护方案和服务策略。本书内容翔实、通俗易懂，适合各大院校相关专业的师生和风电从业人员阅读。风力发电机组是将风能转换为机械能，机械能带动发电机转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电利用的是自然界的风，不依赖常规能源，也就不会产生辐射或空气污染等问题。由于我国近年来经济保持高速发展，而工业制造业的大规模扩张需要消耗大量的常规矿物能源，从而不得不面对随之产生的能源紧缺和环境污染等一系列问题。为缓解常规能源紧缺和环境污染，并创造更多的就业岗位，我国在国家政策上不断加大对清洁能源的支持力度，而风能作为可再生无污染的新能源的重要代表也因此得以实现井喷式的发展。我国的风电设备制造业也随之迅速崛起，目前已

3、经成为全球风电最为活跃的场所。2001 年 2007 年的 6 年间，我国风电装机容量增长了 14 倍，截至 2014 年，我国的累计装机容量已经达到了 114.6GW，位居世界第一位。而且照目前的发展趋势和国家规划，我国风电行业将继续保持平稳增长的势头。短短的十几年间，我国的风电行业实现了如此迅猛的发展，市场上有如此多的风力发电机组不断地投入运行，为了保证这些风机能够实现稳定的运行，就需要大量的技术人员定期去为机组做维护和保养。短时间内培养出如此多的技术人才是极具挑战性的，因为我国风电行业本身起步较晚，发展经验落后于欧洲和美国，而发展速度却超过了西方发达国家，目前国内学校机构的师资力量无法培

4、养出足够的一线作业人员来满足市场发展的需要。所以国内风电机组制造商和运营商大多是自行开发教材来培训公司内部的员工。由于我国风电设备生产厂商非常多，巅峰时期达到了 70 多家，每个厂家又生产出了多种型号的机组，任何一本教材都无法覆盖到所有的风机。所以我国目前市场上的大多数教材适用范围都比较窄，不利于一线从业人员全面掌握多种风机的维护要领。所以我们需要从国外引入成熟而全面的基础培训教材，而本书则是我们从众多国外相关图书中选出的比较适合国内一线从业人员阅读的教程。本书内容简单易懂而实用，全面而且专门地介绍了维护保养风机所需掌握的基本安全知识、理论知识、实践知识和管理知识。本书尝试总结出风机维护保养所

5、需的基本要求，对那些有志于从事风电行业的读者来说，无需等到就业之后，就可以提前了解风机维护保养领域的基本要求。另外对于一些已经有相关经验的从业者来说，本书是一本重要的理论参考书，能够帮助读者为自己的每一个作业行为找到理论支撑，弥补了学校就读期间可能忽视的知识空白。本书的最大特色是有关安全操作警告的内容贯穿全书始终，而实际作业中的安全操作讲述更是国内编制图书中比较稀缺的内容。所以重视本书的安全警告内容，能够帮助读者规避许多潜在风险，更好地完成自己的专业职责。本书由纪志帅和劳德洪共同翻译完成，其中的第1 8 章、第15 17 章以及书后的术语部分由纪志帅翻译完成，其他剩余章节由劳德洪完成翻译。为便

6、于广大教师类读者选用本书，我们随书附赠电子课件和习题及解答。凡一次性选用本书30 册（含）以上当教材使用的各位老师，均可与我们联系索取电子课件，联系的电子信箱为 。我们核实无误后，会尽快将文件发出。本书译者都具有超过十年的风电从业经验，且一直就职于国外的风力发电机组制造公司，阅读过大量的英文资料。尽管如此，由于译者水平有限，翻译时间仓促，如读者发现有不当之处，请大家批评指正。译 者本书将阐述风力发电机组的维护与日常运营相关知识。风力发电机组由项目开发商或者社会团体投资，用于生产电力以满足市政与其他用户的需求。现代的风力发电机组将电子、电气、机械与液压系统有机结合起来，从而组建成了一个独立的发电

7、厂。与传统的大型电厂不同，风力发电机组是相对较小的电厂，而且往往地处于风资源比较丰富的偏远地区。这就要求服务技术人员掌握广泛的知识技能。他们需要对电气知识熟练掌握，同时又必须熟练掌握机械和液压动力系统的知识。因为对一个维护团队来说，发展专门的电气维护队伍和专门的机械专业队伍将会大大地提高运营成本。而发展出一个能够胜任各领域工作的维护团队是近几十年来风电场业主和风电设备制造商的主要目标。为了这个目标，各院校和职业培训机构开发出了一些项目，以便于帮助学员们理解这些领域的专业知识，也帮助现有的风机服务技术人员熟悉这些领域的专业知识。本书也为那些大学与培训机构提供有价值的参考，能够帮助他们培养出风能行

8、业的优秀技术人员。这本书将阐述技术概念和必要的安全知识，便于风能行业的技术人员能够理解相关专业知识，并高效地工作。内 容 简 介为了让读者能够了解风力发电机组的维护保养要求，本书编制了一系列的章节。开始的简介部分让读者熟悉目前风电行业的背景，以及从业人员所需的培训和发展方向。第 1 3 章让读者了解有关于高空作业、偏远地区作业、海上作业以及机械电气设备操作的安全注意事项。第 4 8 章为读者介绍了风力发电机组的辅助系统、测试仪器和测试技术，同时也讨论了保证整个风电场维持最佳运行状态所需的基本保养措施。这个部分还包括了一些技术讨论和计算，以帮助读者进一步了解风力发电机组的分支系统。第 9 15

9、章讲述了服务技术人员在维护保养工作中将会接触到的风力发电机组的各个部位。这些章节能够帮助读者了解维护过程中所需要采取的工作措施以及相关的安全注意事项。这些章节还讨论了技术规范及相关的计算方法，便于读者进一步了解风机的子系统。第 16、17 章讨论了服务技术人员和服务经理如何利用风电场管理系统采集到的数据和信息，跟踪和分析这些信息有助于制定出有效的维护保养策略，并可以进一步开发出更高效的服务策略。写 作 目 的本书的目标是为风能行业的学员和技术人员提供有价值的参考资料和技术信息，帮助他们理解所属工作领域的作业内容。风电技术人员既需要灵活运用各种电气测试仪表，又需要熟练操作注油枪；既能够在地面上作

10、业，又能够爬到距地面 80m 高的风轮里工作。每项作业本身都存在着挑战并能够带来与之对应的回报。而作业开始之前的准备工作则是成功的关键。课 后 习 题本书每章都包括一组课后习题，能够帮助读者判断自己对本书的理解程度，并找到所讨论主题需要重点学习的概念。对于教师来说，这也是一个有价值的工具，能够衡量学员对知识的掌握程度。编写这样一本图书需要去调查研究尽可能多的风力发电机组，让读者能够一窥各个机组的维护保养内容。为这个项目收集信息，对于参与本书编纂的风电场运营人员和设备制造商代表来说，是一个有趣的挑战。在这里，本人向那些乐于提供照片和技术指导的人们致以最诚挚的谢意。尤其要感谢的是：查德艾伦（Cha

11、d Allen），Cianbro 风能服务公司（Cianbro Corporation，Wind Energy Services）尼尔布朗（Neil Browne），科罗拉多斯特灵东北初级学院（Northeastern Junior College，Ster-ling，Colorado）布鲁斯查普曼（Bruce Chapman），第一风能有限公司（First Wind LLC）多尼卡斯特（Donnin Custer），西爱荷华技术社区学校（Western Iowa Tech Community Col-lege），苏市（Sioux City），爱荷华州（Iowa）特伦斯（迈克）戴格尔 Terr

12、ence（Mike）Daigle Jr，维斯塔斯美国风力技术公司（Vestas-American Wind Technology，Incorporated）克雷格埃弗特（Craig Evert），爱荷华湖社区学校（Iowa Lakes Community College），埃斯特维尔（Estherville），爱荷华州（Iowa）布鲁斯格雷厄姆（Bruce Graham），云县社区学院（Cloud county Community College），强克逊城（Junction City），堪萨斯州（Kansas）佩特拉赫明（Petra Hemming），瓦格纳机械制造公司（PLARAD）Mas

13、chinenfabrik WagnerGmbH&Co.KG（PLARAD）乔治李斯特（George Lister），德克萨斯州立技术大学-西德克萨斯（Texas State TehnicalCollege-West Texas），阿比林（Abilene），德克萨斯州（Texas）菲尔帕克斯（Phil Parks），缅因州立大学，普雷斯克岛（University of Maine at Presque Isle）戴夫 St.皮特（Dave St Peter），缅因州立大学，普雷斯克岛（University of Maine at PresqueIsle）卡罗琳齐默尔曼（Caroline Zimm

14、ermann），德国瑞能公司（REpower Systems SE）玛丽巴顿和埃克利史密斯（Mary Barton，Akeley Smith）维多利亚布莱克伍德（Victoria Blackwood），缅因海事学院（Maine Maritime Academy），卡斯汀（Castine），缅因州（Maine）最后，本人还要感谢北缅因社区学院（Northern Maine Community College）在2011 年举办的风电技术课程。韦恩基尔柯林斯（Wayne Kilcollins）译者序原书前言原书致射第 1 章 简介1 学习目标1 关键术语表1 1.1 本章简介2 1.2 过去 10

15、 年来的风能发展4 1.3 风机技术人员的技能要求14 1.4 风机技术人员的职业发展路线16 1.5 并网型风力发电机组17 1.6 定期检修的重要性22 1.7 本书架构22 本章小结22 课后习题22 参考文献23第 2 章 塔筒内的安全事项24 学习目标24 关键术语表24 2.1 本章简介25 2.2 风能行业的安全隐患26 2.3 塔筒救援46 本章小结48 课后习题48第 3 章 工作场所的安全50 学习目标50 关键术语表50 3.1 本章简介51 3.2 电气系统52 3.3 机械系统60 3.4 工具安全61 3.5 吊具64 3.6 明火作业66 3.7 受限空间69 3

16、.8 化学品安全72 3.9 环境危险74 本章小结82 课后习题82第 4 章 润滑84 学习目标84 关键术语表84 4.1 本章简介85 4.2 润滑油的几种类型87 4.3 预防性维护和润滑期限94 4.4 液体过滤系统96 4.5 通常需要润滑的部件97 4.6 常见的润滑系统101 本章小结103 课后习题104 参考文献104第 5 章 流体动力105 学习目标105 关键术语表105 5.1 本章简介106 5.2 流体动力部件112 5.3 液压设备的应用125 5.4 流体动力系统的检查129 本章小结130 课后习题130第 6 章 螺栓应用实践131 学习目标131 关

17、键术语表131 6.1 本章简介132 6.2 紧固件的设计132 6.3 其他紧固件135 6.4 紧固件的材质136 6.5 力矩工具142 6.6 拉伸工具的应用149 6.7 维护保养实践152 本章小结153 课后习题153 参考文献154第 7 章 检测设备155 学习目标155 关键术语表155 7.1 本章简介156 7.2 目视检查工具157 7.3 红外热成像163 7.4 导线绝缘电阻167 7.5 电气测量169 7.6 备用电池系统172 7.7 振动分析173 本章小结176 课后习题176第 8 章 部件的对中177 学习目标177 关键术语表177 8.1 本章

18、简介177 8.2 传动系统部件简介179 8.3 对中偏差问题的识别183 8.4 对中作业184 8.5 对中工具185 8.6 对中流程186 本章小结191 课后习题191第 9 章 塔筒底部总成192 学习目标192 关键术语表192 9.1 本章简介193 9.2 塔筒基础和底塔筒总成概览193 9.3 计算机和 PLC 元件的检查195 9.4 功率转换系统维护198 9.5 动力电缆、接地线和屏蔽线的连接检查200 9.6 爬梯、盖板和机柜的检查202 9.7 塔筒基座紧固件拉伸203 9.8 岩锚基础紧固件拉伸203 本章小结204 课后习题205第 10 章 塔筒206 学

19、习目标206 关键术语表206 10.1 本章简介206 10.2 检查电缆和连接209 10.3 检查爬梯、平台和平台盖板212 10.4 塔筒连接螺栓的检查214 10.5 塔筒照明以及电气插座的检查217 10.6 电动提升机的检查217 10.7 偏航轴承总成218 10.8 其他维护工作220 本章小结220 课后习题220第 11 章 机舱总成221 学习目标221 关键术语表221 11.1 本章简介222 11.2 偏航系统的检查与维护222 11.3 结构部件的检查227 11.4 检查电缆、接地线以及屏蔽线接地230 11.5 电缆桥架、盖板以及机柜的检查231 11.6

20、PLC、控制元件以及传感器元件的检查232 11.7 功率转换系统233 11.8 变压器连接与硬件的检查234 11.9 机舱加热和冷却系统的检查234 11.10 机舱内部以及结构硬件的检查235 11.11 推荐的清洁作业235 本章小结236 课后习题236第 12 章 传动链系统237 学习目标237 关键术语表237 12.1 本章简介237 12.2 轮毂适配器-螺栓力矩检查240 12.3 主轴承的检查与维护241 12.4 胀紧套的检查243 12.5 齿轮箱的检查和维护243 12.6 停车制动系统的检查与维护248 12.7 变桨集电环机构的检查251 12.8 传动链系

21、统的清理清洁252 本章小结252 课后习题252第 13 章 发电机253 学习目标253 关键术语表253 13.1 本章简介253 13.2 发电机的目视检查和机械维护255 13.3 发电机对中256 13.4 发电机冷却系统总成259 13.5 发电机电气检查和维护262 13.6 发电机接地连接的检查264 13.7 发电机集电环机构的检查264 13.8 永磁转子机构266 13.9 发电机的清理清洁活动266 本章小结266 课后习题266第 14 章 风轮总成267 学习目标267 关键术语表267 14.1 本章简介268 14.2 安全规范268 14.3 轮毂准备273

22、 14.4 进入轮毂273 14.5 叶片变桨驱动系统的检查和维护274 14.6 轮毂 PLC、通信以及控制模块的检查279 14.7 电力电缆、接地和屏蔽连接的检查280 14.8 整流罩、踏板以及控制柜安装硬件的检查280 14.9 叶片变桨轴承的检查和维护280 14.10 风轮总成的清理清洁作业283 本章小结283 课后习题283第 15 章 外部表面284 学习目标284 关键术语表284 15.1 本章简介284 15.2 叶片表面的检查290 15.3 机舱硬件和表面的检查293 15.4 塔筒外表面的检查294 15.5 清洁行动建议294 本章小结295 课后习题295第

23、 16 章 预防性维护方案的制定296 学习目标296 关键术语表296 16.1 本章简介296 16.2 开始任务297 16.3 信息来源299 16.4 利用这些信息300 16.5 执行维护方案303 本章小结304 课后习题305第 17 章 风电场管理工具306 学习目标306 关键术语表306 17.1 本章简介306 17.2 哪些信息很重要？307 17.3 对现有信息的分析308 17.4 过程改善312 17.5 制定一个行动计划（PDCA 循环）317 17.6 持续改进319 本章小结319 课后习题319附录 A 月度检查表321附录 B 安全设备检查表322附录

24、 C 带电作业许可证模版325附录 D SKF LGWM2 油脂材料安全数据表326附录 E 油样分析报告模板330附录 F 美国材料与试验协会&美国汽车工程师学会紧固件参考力矩数值331附录 G 动力工具压力 VS 力矩换算表336附录 H SKF 激光对中报告340附录 I SKF LGWM1 油脂材料安全数据表341附录 J 工作安全分析参考345附录 K 不同温度和海拔高度条件下的空气密度（kg/m3）349专业术语表350学习目标通过阅读本章，并完成复习题后，您应该能够：说出风能行业的发展趋势。列出一些风力发电机组制造商。举出各种并网型风力发电机组之间的不同之处。认识风力发电机组的主

25、要部件。了解开发一个风电场所需的基本步骤。说出风力发电机组制造商所采用的监控中心的作用。了解一个风机技术人员必备的技能。描述风电技术人员的专业发展方向。了解风电技术人员的职业发展路线。说出定期维护风力发电机组的作用。关键术语表英文缩写英文全拼中文释义AWEA American Wind Energy Association 美国风能协会 Availability 可利用率 Blade 叶片CanWEA Canadian Wind Energy Association 加拿大风能协会 Control system 控制系统DEP Department of Environmental Prote

26、ction 环境保护部 Direct drive 直接驱动 Doubly fed asynchronous induction generator 双馈异步发电机DTA Down Tower Assembly 底段塔筒总成 Drive system 传动系统 Drive train 传动链EPA Environmental Protection Agency 美国环境保护局FAA Federal Aviation Administration 美国联邦航空管理局 Foundation 塔架基座 Gearbox 齿轮箱 Generator 发电机HAWT Horizontal Axis Wind

27、 Turbine 水平轴风力发电机组 Hub 轮毂 Inverter 逆变器LURC Land Use and Regulation Commission 美国土地使用与管理委员会 Lattice towers 桁架式塔架 Main shaft 主轴 Nacelle 机舱1（续）英文缩写英文全拼中文释义NOCTI National Occupational Competency Testing Institute 美国国家职业能力测试研究所OPEC Organization of the Petroleum Exporting Countries 石油输出国组织 Pad-mount trans

28、former 落地式变压器 Permanent magnet generator 永磁发电机 Pitch system 变桨系统PTC Production Tax Credit 生产税减免 Rectifier 整流器ROI Return On Investment 投资收益率 Rotor assembly 风轮总成 Synchronous induction generator 同步感应发电机 Transformer 变压器 Tube towers 锥筒形塔架 Utility grid 公用电网VAWT Vertical Axis Wind Turbines 垂直轴风力发电机组Wild AC

29、 Wild Alternating Current 不稳定频率交流电 Wind-resource studies 风力资源研究1.1 本 章 简 介在过去的 20 年里，风能和其他替代能源的开发在美国以及许多国家逐渐兴起。风力发电最早可以追溯到 19 世纪 60 年代，当时查尔斯布拉什（Charles Brush）研发了一个 12kW 的直流发电机以供应自家的照明用电。到了 20 世纪30、40 年代，风力发电在乡村地区得到了广泛的应用。风力发电机组的输出电压从 6 110V 不等，可用于照明供电以及冰箱等家用电器的电源供电。一些收音机制造商，例如 Zenith 公司在促销产品时甚至会赠送风力

30、发电机组。风电并不是一个新的概念，而且很多技术已经普及多年，但是近些年来随着规模经济概念的发展，一些新技术让风力发电的成本变得越来越低。单台风机的生产成本也随着制造商的大规模生产得以逐步降低。亨利福特（Henry Ford）在 20 世纪早期，于汽车生产线上发明并实践了规模经济这个概念。人们就此见证了这个理念在汽车工业的发展中起到的作用。制造业的进步同时也促成了更高效的风机制造技术。政府补贴是另外一个促进风能行业发展的动力。过去十年，替代能源项目的补贴，使风能开发商能够加大投资规模并确保良好的收益。图 1-1 表明了政府刺激与风能发展稳定性之间的关系。如果一项业务没有利润，公司就不能进行更大规

31、模的投资。为促进风电发展，美国出台的一项激励政策是生产税减免（PTC），即风机的第一个十年服务期内，对每千瓦时发电量给予一定的补贴。目前的 PTC 减免额从每度电 1.9 美分增加到 2.1 美分。而且在美国经济复苏与再投资法案中，针对该政策的有效期从2009 年延长到2012 年。对于家庭住宅安装替代能源，例如风能、太阳热能及光伏发电等机组，一些联邦及州也给予了这些项目一定的财税刺激政策。以天然气、煤炭、石油及核能为燃料的并网发电项目都曾经享受过多年的政府补贴。国外的石油供应一度非常不稳定，这恰恰促成了许多刺激政策的出台以及技术的革命。一次最有影响的石油断供是由 1973 年石油危机造成的。

32、1.1.1 20 世纪 70 年代的石油危机1973 年，石油输出国组织（OPEC）的阿拉伯成员国宣布石油禁运，以制裁美国在 1973 年阿以战争期间对以色列的军事支持。这次石油禁运造成了发达国家多年的大规模燃料短缺及能源成本上升。这2图 1-1 政府刺激政策和风能发展稳定性之间的关系期间，OPEC 成员国意识到他们可以联合起来，控制成员国的石油总产量，以增加自己的利润。这次石油危机让石油进口国意识到他们必须找到更好的解决方案，以确保本国的能源安全。欧洲国家，例如丹麦，德国及西班牙大规模推进公共及商业领域的风能项目，加快本土资源的利用并减少对国外石油的依赖。美国也在 20 世纪 70 年代推进

33、了替代能源项目和能源储备计划。但是随着国外原油供应在 80年代趋于稳定，美国政府又搁置了这些项目。然而，进入 21 世纪后，原油市场的油价再次走高，供应也变得更加不稳定。1.1.2 风能的新时代能源供应的不稳定及可能的气候变化问题让美国重新燃起在本土寻找替代能源的渴望。风能技术的成熟使它在大规模装机时拥有了与其他能源相当的竞争力。风电成本在20 世纪80 90 年代初有了显著的下降。据估计，1993 年风电成本大约为每度电 7.5 美分。而现在的风电成本则为每度电 3.5 美分。成本的大幅下降使得大规模利用风能具备了可行性。自 20 世纪 80 年代至今，美国的装机容量飞速增加。加利福尼亚州第

34、一个开发了大型风电场。到90 年代中期，这些风电场生产了占全球总发电量三分之一的电能。从 20 世纪 90 年代开始，美国以及世界各地的风电场得到了广泛开发。一些欧洲国家早在七八十年代就开始了大规模的公用发电项目。2008 年之前，德国的风机总装机容量一直领先于世界上的其他国家，直到 2008 年，美国才以 25369 兆瓦（MW）总装机量超越德国的 23902MW。中国的总装机量在 2009 年开始接近美国，并在年底实现超越。图 1-2 是截至 2010 年 1 月部分国家的风机总装机量。图 1-2 截至 2010 年 1 月风电装机容量排名前 10 的国家3截至 2009 年年底，总装机量

35、最多的国家依次是：中国、美国、德国、西班牙和印度。到 2009 年年底，全球总装机量为 188.2 吉瓦（GW），而 2008 年这个数字是 122.2GW。风能在过去的一些年里实现了大跨步的发展，而这也使得一些风机制造商对美国市场产生了极大的热情。这些厂家包括通用电气（GE）、维斯塔斯（Vestas）、Clipper 风能、西门子（Siemens）和歌美飒（Gamesa）等。这些制造商利用现有的材料、技术和人力资源逐渐扎根于美国。美国的进口市场，例如汽车市场，也曾经有过类似的发展轨迹。运输成本的降低，以及进口关税的减免使得国外厂商在与本土厂商的竞标过程中更有竞争力。这些风机制造商的加入令美国

36、的风电场开发实现井喷式的发展。许多项目规模太大，以至于单独一个风电制造商都无法在指定期限内完成交货。德克萨斯州的 HorseHollow 风能中心项目就是一个典型的例子，这个项目由 291 台 GE 1.5MW 和 130 台西门子 2.3MW 的风机共同组成了一个满负荷发电量为 735.5MW 的风电场。而这个项目只是当前美国的众多风电场项目之一。1.1.3 风电场项目并网型风力发电项目在20 世纪70 年代末期在欧洲国家兴起，例如德国、丹麦和西班牙。加利福尼亚州则在 80 年代中期成为美国第一个开发并网级风电项目的州。加利福尼亚州的夏季风况很好，季风掠过山脉后，形成了风电技术所需的理想区域

37、。这些区域，例如 Tehachapi、Altamont Pass 和 San Gorgo-nio Pass 都是美国第一批风电项目的故乡。到 80 年代末期，德克萨斯州成为了美国拥有最多装机量的地区，例如 Big Spring、Roscoe、Delaware Mountain、Sweetwater 和 Horse Hollow 等项目都在德克萨斯州。据美国风能协会（AWEA）估计，截至 2011 年 8 月，德克萨斯州的额定总装机量将超过 10135MW。加利福尼亚州和德克萨斯州的风能一直保持快速发展，且没有停止的迹象。进入 21 世纪后，爱荷华州、明尼苏达州和华盛顿也加入了并网级风电项目的开

38、发行列。随着越来越多的风电项目得以开发，马萨诸塞州、缅因州和新泽西州开始推进海上风电项目的开发。从加利福尼亚州开发的第一个并网级风电项目开始到现在，风机的尺寸和效率都已经提高了很多。风机变得越来越大，这归功于材料技术的进步和叶片的发展。1.2 过去 10 年来的风能发展近 10 年来，为了满足持续增长的可再生能源或者说绿色能源的需求，风力发电机组在尺寸和复杂程度上都在变化。20 世纪末期到 21 世纪早期，主流风机的额定输出功率在 250kW 左右。当然这些风机相比于 20 世纪 80 年代在加利福尼亚州和欧洲部分地区所盛行的 25kW 风机要大一些。如果需要增加风电场的电量输出，就只能在有限

39、的区域内尽可能多地安装风机。从图1-3 上我们可以看到，加州 Tehachapi 的一个山脊，密密麻麻地布满了成百台的风机，这些风机都安装在桁架式的塔架上。这么拥挤的风场布局，让人失去了观赏的心情。为了能够更有效地利用有限的土地资源，减少风机的数量是必然的选择。为了增加风电场图 1-3 成百台塔架式风机布满在加州 Tehachapi 的山脊上的功率输出并减少风机的安装数量，风机的物理尺寸和额定输出功率都需要增加。从 2000 年开始，许多风机的发电容量增加到 3MW（3000kW）。图 1-4 展示了从 70 年代开始风机尺寸的演变历程。不断增加的输出功率减少了风电场风机的密度，却给风电场运营

40、公司和风机厂家带来了一些挑战。这些挑战包括：叶片的变化、塔筒设计的改善、电能质量及项目附近居民能否接受。1.2.1 叶片的变化风机的发电量与风轮的扫掠面积直接相关。这个原理对垂直轴和水平轴风机都有效。两者之间的4关系表达式为PI=12Av3Cp式中，是流动空气的密度；A 是整个风轮的扫掠面积；v 是气流的速度；Cp是风轮的性能系数。图 1-4 从 20 世纪 70 年代起风机尺寸的演进历程对于水平轴风机来说，叶片的长度与风轮的扫掠面积之间的关系表达式为：A=r2，在这里的 r 指的是叶片的长度。为了增加风机的功率输出，必须要增加叶片的长度。Cp是风轮从气流中吸收能量的效率。这个数值从 15%到

41、理论上的最大值 59.3%（贝兹系数）不等，它取决于风轮的设计与气流的速度。气流速度增加会减少风轮的 Cp值，这是因为风轮迎风侧气流的堆积。这种堆积或者说是枕垫效应是由于塔筒和风轮对空气的阻力造成的。为了便于理解这种效应，可以想象一下溪水流过石头时的那种情形。水流过石头时，在石头表面隆起，产生了一种扰动或者说是湍流。你看不到空气的湍流，但它确实存在着。你也可以这样理解为什么 Cp到不了 100%。如果风轮能够完全吸收空气的流动能量，那么它就会相当于一个蓄气的大坝。如果空气不能够穿越风轮，风轮就不能够带动发电机旋转，也就无法将旋转动能转化为电能了。大部分风机的 Cp值为 30%左右。并网型风机的

42、制造商通常会列出其机组在特定风速下的效率和功率输出值。例题算出一个 3MW 风机的风轮扫掠面积和叶片长度。解：瞬间功率输出的等式为PI（W）=12Av3Cp假设条件如下：机组的额定运行风速 A=15m/s，标准大气条件下（海平面高度，15）的空气密度为：=1.225kg/m3，且 Cp=30%重新排列等式以便于求出这个扫掠面积的值，我们可以得到A（m2）=3000000W121.225kg/m315ms 30.30=4837.5m2A=r2重新整理这个等式我们可以求出 r（叶片的长度）：r（m）=4837.5m2=39.2m5为了实现 3MW 的瞬间功率输出，叶片长度需要达到将近 40m。可以

43、在网上查到一些风机制造商的3MW 风机产品手册，这些风机的叶片长度一般为 40 50m。例如制造商维斯塔斯有一款 3MW 的风机型号是 V80，80 表示的是该风机的风轮直径为 80m。叶片的设计长度取决于制造商估算的 Cp值。Cp的降低将需要更长的叶片以达到同样的瞬间功率输出。这个例题说明了风机叶片长度与功率输出之间的关系。风机的输出功率在过去的十年里从 125kW增加到 3MW，叶片长度相应的也从 10m 增加到了 50m。长度的 5 倍增长为叶片制造、运输和装配带来了许多问题。这些问题还包括材料强度、重量、弹性和叶尖速度的增加。这些问题将在随后的文章里予以讨论。1.制造问题为了制造这些大

44、型叶片，需要采购并加工更多的合成树脂、玻璃纤维和碳纤维，还有生产装配叶片所需的其他结构件。加工这些叶片同样需要更大的生产设备、加工设备和更大的生产车间。图 1-5 是一个风机叶片的模具所在的生产车间。2.运输问题运输 50m 的叶片并不是一项无法完成的任务，但是运送它们穿越大洋、铁路、公路、乡村小路及城市的街道，的确存在了很多挑战。图1-6 展示了成组的叶片在运往风电场的途中，正在从船上转移到拖车上。风电场开发商经常需要花钱将沿途的交通灯和空中的电线拆除，将一些弯道重新修整，从而使叶片拖车能够穿过沿途的社区。虽然图 1-5 风机叶片的生产车间采用了开模组装这会干扰社区的日常生活，但是通过适当的

45、计划及争取社区的支持，这些困难都可以得到有效克服。在叶片运输过程中，需要清理这些道路，以便于长长的叶片、塔筒和吊车部件都可以在路上畅通无阻。3.组装问题在风机吊装过程中，需要在现场把叶片装配到轮毂上。有时候需要把 3 只叶片组装到轮毂上之后，再整体起吊安装到主轴上。这需要两个吊车协同工作。作者本人曾经亲自见证过这个组装过程。看到有经验的吊车司机和安装人员共同进行这项安装工作，令人感觉非常神奇。图 1-7 就是一个组装好的风轮被整体吊装起来的照片。图 1-6 成组的叶片从船上转运到拖车上图 1-7 整个风轮被组装到机舱上6另外一个方法是将单只叶片逐个装到空中的轮毂上。这项技术需要更多的安装时间，

46、同样也需要经验丰富并且有资质的吊车司机和安装人员。如果不能安全精确地执行这项流程，人员和设备很可能遭受伤害和破坏。图 1-8 展示了单只叶片被组装到轮毂上的场景，而在此之前，轮毂早就已经安装到了机舱上。未来的叶片将被设计成两节，在现场安装塔筒期间，才把这两节叶片用螺钉连接组装到一起。这些叶片制造技术将会为叶片运输带来很大的便利。风机吊装的另一个复杂之处发生在海上风机的组装过程中。这项工程需要一个自升式打桩驳船或者是稳定漂浮的平台，只有这些设备才能够为风机的部件组装和吊车的运行提供可靠的支持。图 1-9 是风轮在海上的组装过程。随着风机尺寸的持续增加，海上项目变得越来越有吸引力。我们将会在接下来

47、的章节讨论海上风机。图 1-8 轮毂装配完毕后，再将叶片逐个组装到轮毂上图 1-9 在海上组装风轮 1.2.2 塔架总成风机的塔筒在 20 世纪 80 年代通常为桁架式塔架，跟常见的信号塔结构类似。图 1-10 就是一个桁架式塔架。一些风机厂家现在仍然在住宅自用或者小型商用风机中采用这种设计。桁架式塔架由许多小零件组装到一起，非常便于运输和现场组装。这种塔架也可以在车间就完成部分装配，并将这些装配好的部分一起运输到现场。虽然预组装的部件数量不尽相同，但是相比于锥筒型塔架的安装来说，现场组装这种塔架需要耗费大量的时间。锥筒型塔架是由钢板卷制焊接而成，形状类似锥形的圆筒。图 1-11 是一组等待吊

48、装的锥筒型塔架。这项钢板焊接制造工艺与锅炉、大型轮船和浮游平台的生产非常相似。这种塔架组装起来非常方便，一组熟练的工人加上一台吊车一天就能完成 3 4 节的吊装。虽然这种塔架的生产车间距离现场很远，需要用特制的车辆将塔架运到现场，但是这会为现场节省很多吊装时间，而且这些车间生产的塔架部件是在严格控制质量和环境条件之下完成的。这种塔架在过去的 10 年里已经成为并网型风机的标准配置。1.2.3 功率控制系统风机从流体（空气）中吸收能量，并将其转化为电能，这与核电、天然气发电、煤电、生物质发电7图 1-10 桁架式塔架图 1-11 等待吊装的锥筒型塔架及水电项目有着基本相同的程序。核能、天然气、煤

49、和生物质发电机组是通过加热水产生高压的水蒸气，这些水蒸气推动涡轮机旋转，从而带动发电机发电。水力发电机是通过控制水流，推动涡轮机旋转，然后带动发电机旋转，输出电能。风力发电机组则是利用太阳对地表的不均匀加热产生的气流发电。这个自然过程的缺点是风速和风向每天都不稳定，而且随着季节的变化而变化。而这种波动会导致功率输出和交流电频率输出忽高忽低。发电机的输出功率和频率是输入的机械能（力矩）及风轮的旋转速度 RPM/（r/min）共同作用的结果。风轮是风机发电的原动力，它吸收的动能则来自于吹过叶片的气流。发电机输出功率可以通过下面的公式计算：PI（W）=力矩（Nm）RPM9.549而输出频率的计算公式

50、则为f（Hz）=RPM 磁极数120这两个关系式都需要一个持续的转速以便于向电网输入电能。如果一个涡轮机组吸收的是高压水蒸气或者水流的能量，那么就可以通过控制这些流体的流动来实现发电机的功率输出。但是风的流动却无法用同样的方式控制，所以风机的运行只能任由大自然摆布了。虽然这种能量来源很不稳定，但是风机制造商会采取一些措施去控制功率输出的质量。一种办法是让风机只在特定的风速范围内运行。这种办法是采用一个同步发电机，只有在风速合适的条件下才能并网发电。另一种办法是先发出频率不稳定的交流电，然后经变频系统控制后，产生频率稳定的交流电。这个变频系统用整流器电子电路将频率不稳定的交流电转化为直流电，然后