風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研究開發(fā)技術(shù)(序)

1、風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃書目錄 序 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電的問題 開發(fā)項(xiàng)目 研發(fā)現(xiàn)狀 研發(fā)內(nèi)容 成果 研發(fā)體系 研發(fā)工程10. 研發(fā)預(yù)算11. 未來構(gòu)想12. 事業(yè)規(guī)劃 序全球的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，為此新能源的利用日漸增長。其中，風(fēng)電是利用風(fēng)力能源轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式，目前為止主要在歐洲得到了一定的應(yīng)用。隨著全球能源結(jié)構(gòu)的不斷向新能源領(lǐng)域傾斜，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。據(jù)最新的調(diào)查結(jié)果全世界風(fēng)里發(fā)電市場到2015年將會(huì)達(dá)到14兆日元、到2020年將會(huì)達(dá)到24兆日元。風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量雖然還以歐洲為主，但是亞太地區(qū)也會(huì)有飛速的增長。特別是像一些風(fēng)力資源豐富，國土面積比較大的

2、國家，還有很大的開發(fā)余地。雖然在CO2 排放和環(huán)境污染方面風(fēng)力發(fā)電有著巨大的優(yōu)勢，但是由于風(fēng)力狀況，落雷，暴風(fēng)雨等自然條件的影響，風(fēng)力發(fā)電一般都設(shè)置與較為偏僻和第西鞥較為復(fù)雜的地區(qū)。由于日常的檢修維護(hù)十分復(fù)雜，故障頻發(fā)，造成了運(yùn)營率不高的現(xiàn)狀。在風(fēng)機(jī)設(shè)備中大量的使用了軸承和齒輪等零部件設(shè)備，如果能及時(shí)監(jiān)測類似旋轉(zhuǎn)設(shè)備的異常狀況，并能及時(shí)加以修理，將會(huì)大大降低故障率并能降低檢修成本。另外，通過監(jiān)視風(fēng)機(jī)設(shè)置場所的風(fēng)力狀況，可以根據(jù)風(fēng)向及時(shí)調(diào)整風(fēng)車的方向和葉片的角度，提高運(yùn)行效率。本計(jì)劃書就是基于以上的觀點(diǎn)，從設(shè)備利用率的提升和檢修維護(hù)成本的降低出發(fā)，做了一份翔實(shí)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備優(yōu)化系統(tǒng)企劃書。 風(fēng)力

3、發(fā)電的現(xiàn)狀（）設(shè)備容量與運(yùn)行率風(fēng)力發(fā)電被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，并且取之不盡的新能源發(fā)電之一，在近年的普及率得到很大的提高。按照國家設(shè)備裝機(jī)容量來看，歐美占據(jù)了大量的份額，但是近幾年新興國家取得了很大的增長。尤其是中國已經(jīng)超過日本，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量成為世界第8位，裝機(jī)容量達(dá)到1,219MW。根據(jù)預(yù)測，到2020年將會(huì)達(dá)到100,000MW，在世界中的份額也會(huì)超過15%。（図-1、2）。但是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量的提升，并沒有帶動(dòng)運(yùn)營率的提升。像図3中表示，發(fā)電設(shè)備的盈盈率作為維持在20%左右。主要原因是風(fēng)力變化和風(fēng)機(jī)設(shè)備故障引起所致。図-風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電的世界市場潛力預(yù)測圖予測利用率2）図-風(fēng)

4、力發(fā)電、太陽光発電中國市場予測2）風(fēng)機(jī)設(shè)備利用率在20%左右図-風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的設(shè)備利用率3）（）故障及事故事例關(guān)于風(fēng)機(jī)故障及事故的報(bào)告比較少，德國的新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）做過一次20052009年故障報(bào)告書。根據(jù)相關(guān)報(bào)告，主要的故障內(nèi)容作了以下介紹。4） 故障及事故發(fā)生數(shù)量根據(jù)報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，以下是做的基本的信息圖表。雖然故障在逐步減少，但是故障的發(fā)生率還是維持在1015%的較高區(qū)間內(nèi)。表-1調(diào)查的風(fēng)機(jī)數(shù)量和故障次數(shù)項(xiàng)目2006年2007年2008年2009年風(fēng)機(jī)數(shù)量7698989261025故障次數(shù)16411297125故障頻率()21.312.510.513.9運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)

5、總數(shù)924105010501268） 故障原因故障的主要原因如表-所示。原因中的比例中自然現(xiàn)象和不明原因分別占據(jù)了1/3（34.5%、34.7%）。自然現(xiàn)象雖然屬于不可抗力，但不明原因的分析還是不夠，今后的調(diào)查如果是通過狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行分析的話，可以進(jìn)一步解析故障原因和降低事故頻率。另外風(fēng)車內(nèi)故障占據(jù)1/4（26.5%），人為原因（主要是檢修維護(hù)不到位）占據(jù)了3.4%。由此可以斷言通過進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，可以降低故障的發(fā)生概率。故障原因的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表-所示。自然現(xiàn)象雖然是不可抗拒的原因，但是由于長期遭受暴風(fēng)，對(duì)流，和冰凍的侵襲，造成設(shè)備老化，并由此產(chǎn)生故障的可能性也是很大的。為此，通過對(duì)運(yùn)行中

6、機(jī)器設(shè)備的監(jiān)測，對(duì)機(jī)器設(shè)備的老化進(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確的把握，并及時(shí)對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行維修和改進(jìn)，可以延長設(shè)備壽命，降低故障發(fā)生的概率。表-2故障原因（20062009）故障原因發(fā)生次數(shù)所占比例（）自然現(xiàn)象17234.5風(fēng)車內(nèi)故障13226.5人為原因173.4系統(tǒng)故障40.8不明原因17334.7總計(jì)498100.0表-故障原因的具體分析（20062009）故障原因原因細(xì)節(jié)發(fā)生次數(shù)所占比例（）自然現(xiàn)象暴風(fēng)265.2落雷12324.7亂流102.0冰凍40.8其他91.8風(fēng)車故障設(shè)計(jì)不良6513.1制造不良5410.8施工不良132.6人為原因檢修不到位173.4系統(tǒng)故障系統(tǒng)故障40.8不明原因不明原因（

7、含調(diào)查中原因）17334.7合計(jì)498100.0） 故障發(fā)生部位故障部位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表-所示。其中控制裝置15.7%）、風(fēng)向及風(fēng)速測定儀器（11.3%）、葉片（10.6%）、電氣設(shè)備（10.0%）、葉片螺距控制系統(tǒng)（9.8%）的發(fā)生概率比較高。其產(chǎn)生的原因主要是由于自然原因所致。另外旋轉(zhuǎn)機(jī)械（軸承，齒輪）中經(jīng)常用到的主軸軸承，變速箱，以及發(fā)電機(jī)的故障發(fā)生率也達(dá)到了9.9%。為此，通過對(duì)運(yùn)行中機(jī)器設(shè)備的監(jiān)測可以明確故障產(chǎn)生的原因，降低故障產(chǎn)生的概率。） 設(shè)置地點(diǎn)（地形）由于風(fēng)機(jī)所在的地形的不同，造成的的故障概率由表-5所表示。設(shè)置地形中丘陵山峰約占1/2（44.9%）、發(fā)生的次數(shù)也占到1/2（4

8、0.0%）。沿海及島嶼占到了約沿1/2（45.2%），其中島嶼中也包含了離島部分。丘陵山峰與島嶼中設(shè)置的風(fēng)機(jī)占據(jù)了絕對(duì)多數(shù)，不能很好的進(jìn)行檢修維護(hù)是存在的一個(gè)重要的問題。這些都可能直接造成故障的產(chǎn)生。運(yùn)行狀態(tài)的集中管理，尤其是通過在控制室的遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以降低故障發(fā)生的概率。表-4故障發(fā)生部位（20062009）故障部位發(fā)生次數(shù)所占比例（）全部50.8葉片6310.6葉片輪殼40.7空氣制動(dòng)20.3機(jī)械制動(dòng)81.4葉片螺距控制589.8主軸軸承91.5變速箱122.0發(fā)電機(jī)386.4偏航控制裝置284.7風(fēng)向及風(fēng)速計(jì)6711.3控制裝置9315.7電氣裝置5910.0油壓裝置274.6感知裝置2

9、23.7基礎(chǔ)系統(tǒng)20.3系統(tǒng)關(guān)聯(lián)裝置122.0其他8414.2合計(jì)593100.0表-5設(shè)置地形與故障產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)表（2009）地形設(shè)置數(shù)量調(diào)查數(shù)量故障次數(shù)（臺(tái)）比例（）（臺(tái)）比例（）（臺(tái)）比例（）丘陵山岳56944.950849.65040.0內(nèi)陸平地1269.9737.11612.8沿岸島嶼57345.244443.35947.2合計(jì)1268100.01025100.0125100.0） 故障周期根據(jù)表6的相關(guān)數(shù)據(jù)，在事故發(fā)生的時(shí)間在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2年和510年的占據(jù)了大部分，一般在運(yùn)轉(zhuǎn)初期和末期容易產(chǎn)生事故発生(故障率曲線)。如果將設(shè)計(jì)壽命設(shè)置為20年的話，一般在運(yùn)裝周期的末期容易產(chǎn)故障。從設(shè)備

10、的經(jīng)濟(jì)型考慮，也應(yīng)該做大限度降低運(yùn)行中的故障率。為此可以靈活運(yùn)用在線監(jiān)測等有效的手段。表-6運(yùn)行期間故障概率（2009年）運(yùn)行時(shí)間設(shè)置臺(tái)數(shù)調(diào)查臺(tái)數(shù)故障次數(shù)（臺(tái)）比例（）（臺(tái)）比例（）（臺(tái)）比例（）1年未到1048.2616.010.812年15912.514414.097.225年55844.046044.95443.2510年40832.233032.25947.210年以上393.1302.921.6合計(jì)1268100.01025100.0125100.0） 故障停止時(shí)間因故障造成的停止運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間如表-7所示。其中1/4（26.7%）的風(fēng)機(jī)在1周以內(nèi)完成修理，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但是1/3(32.1

11、%)的風(fēng)機(jī)停止了一個(gè)月以上。造成長期停運(yùn)的主要原因是自然現(xiàn)象，但是原因不明也占據(jù)了很大比例，同托對(duì)這些不明原因的解析，可以縮短運(yùn)行停止時(shí)間。表-7因故障停止運(yùn)行時(shí)間（20062009）停止時(shí)間發(fā)生次數(shù)比例（）3日7日以內(nèi)13326.77日14日以內(nèi)9418.914日30日以內(nèi)11122.330日90日以內(nèi)9218.490日以上6813.7合計(jì)498100.0另外根據(jù)在北海道設(shè)置的192臺(tái)風(fēng)機(jī)在2年間發(fā)生的240件的相關(guān)報(bào)告，其中偶發(fā)原因（落雷意外：116件48.3%）和設(shè)備老化磨損（54件（23%）占據(jù)了大部分。為此，通過狀態(tài)監(jiān)測也可以最大限度降低事故發(fā)生的概率。在具體的故障維修中，軸承8件，

12、齒輪3件，耦合5件。從中可以看出狀態(tài)監(jiān)測也可以降低故障發(fā)生的概率。表-8故障原因發(fā)生原因件數(shù)比率（）偶發(fā)原因（包含落雷）15966落雷（43）（18）老化磨損5423初期故障219其他2合計(jì)240100（）狀態(tài)監(jiān)測的效果通過以上分析，一下總結(jié)了風(fēng)機(jī)故障與狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)系?？梢酝ㄟ^狀態(tài)監(jiān)測，來降低故障發(fā)生的概率。） 由于風(fēng)造成的故障主要是由于對(duì)流引起的軸承及齒輪受損。這主要是由于對(duì)流天氣造成主軸的推力負(fù)重及負(fù)重變化引起。為此，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該充分考慮到推力負(fù)重及負(fù)重變化情況，并通過對(duì)設(shè)備老化和磨損的評(píng)估，在配以在線監(jiān)測等遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可以將故障降低到最小程度。） 發(fā)電機(jī)的故障為0.045件/（臺(tái)年

13、），故障原因主要由于固定卷線絕緣層的損傷造成的接地及軸承損傷。另外，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻的風(fēng)扇也是故障原因之一。為此，隨時(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸承和風(fēng)扇等主要設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)排除故障，對(duì)提高運(yùn)行效率有很大幫助。） 加速機(jī)的故障率為0.022件/（臺(tái)年）。小齒輪和軸承的事故較多。為此，隨時(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸承和風(fēng)扇等主要設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)排除故障，對(duì)提高運(yùn)行效率有很大幫助。） 主軸軸承的故障較多，主要原因是轉(zhuǎn)動(dòng)面的磨損和脫落。故障生成系統(tǒng)雖然還沒有完全清晰。為此通過對(duì)主軸軸承的運(yùn)行監(jiān)測，可以解析故障原因，防止事故的發(fā)生。） 故障的存在是有持續(xù)性的，對(duì)新的故障進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和及時(shí)分析，以及及時(shí)排除，將會(huì)變

14、得越來越重要。在機(jī)器設(shè)備中對(duì)信息的收集和分析以及綜合管理運(yùn)用，可以降低故障發(fā)生的頻率，提高運(yùn)行的效率。風(fēng)力發(fā)電的課題概述風(fēng)力發(fā)電中主要存在以下課題。(1) 發(fā)電成本過高降低發(fā)電成本將是一個(gè)持久性的話題，通過降低設(shè)備故障發(fā)生的頻率，可以提高設(shè)備的利用率。另外通過最優(yōu)化的檢修，也可以提高設(shè)備運(yùn)行效率。為開發(fā)出高性能的風(fēng)機(jī)，掌握風(fēng)力狀況和合理配置風(fēng)機(jī)變得十分重要。(2)風(fēng)力發(fā)電功率穩(wěn)定性差，在與電網(wǎng)連接時(shí)，會(huì)給電網(wǎng)系統(tǒng)在電壓及周波等方面造成影響，影響配送電質(zhì)量。未解決這一難題，需要發(fā)電方和送電方共同努力。 (3) 設(shè)置范圍的擴(kuò)大為普及風(fēng)力發(fā)電，應(yīng)加大在海洋和山間的建設(shè)力度。在山間由于地形復(fù)雜，需要建

15、立起成熟的風(fēng)力預(yù)測模式。另外在海上建設(shè)風(fēng)機(jī)，不僅要注意天氣條件和海洋條件，還要將彼此的關(guān)聯(lián)和對(duì)風(fēng)力發(fā)電的影響作出準(zhǔn)確的分析。(4) 強(qiáng)化與環(huán)境的協(xié)調(diào)風(fēng)車的造影，機(jī)鳥相撞的危害以及海洋生物的影響等，都是制約風(fēng)力發(fā)電的負(fù)面因素。要從技術(shù)上對(duì)次類與環(huán)境不適應(yīng)的因素排除。提高風(fēng)力發(fā)電與環(huán)境的適應(yīng)性。本計(jì)劃著力改善的項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電存在的主要課題及解決方法主要課題解決方法(1) 降低發(fā)電成本降低設(shè)備費(fèi)用量產(chǎn)技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)降低建設(shè)成本運(yùn)送及安裝技術(shù)的提高風(fēng)機(jī)部件的輕量化小型化耐久性的提高新材料的開發(fā)降低運(yùn)行及檢修費(fèi)用提高監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命預(yù)測及評(píng)估方法的精細(xì)化增加發(fā)電量提高設(shè)備運(yùn)行率，防止故障產(chǎn)生迅速檢修提高

16、運(yùn)行效率提高控制系系統(tǒng)技術(shù)風(fēng)力發(fā)電場的優(yōu)化技術(shù)低風(fēng)速發(fā)電系統(tǒng)高性能風(fēng)機(jī)及部件的開發(fā)(2)系統(tǒng)對(duì)策電力安定化功率的穩(wěn)定性問題大規(guī)模集合式控制系統(tǒng)高精度發(fā)電量預(yù)測技術(shù)提高蓄電池性能(3) 擴(kuò)大設(shè)置范圍山間地形復(fù)雜地形風(fēng)力預(yù)測系統(tǒng)海洋復(fù)合振動(dòng)解析技術(shù)氣象海洋預(yù)測仿真技術(shù)海洋變電站(4) 環(huán)境協(xié)調(diào)性控制風(fēng)車噪音低噪音風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響鳥類及海洋生物監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電用的優(yōu)化系統(tǒng)將會(huì)在第4部分開發(fā)項(xiàng)目和第6部分開發(fā)內(nèi)容做一詳細(xì)介紹。通過對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行健全性，風(fēng)力情況，和發(fā)電量的集中監(jiān)測，靈活運(yùn)用風(fēng)機(jī)檢修和發(fā)電管理的相關(guān)信息和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的最優(yōu)化配置及管理。風(fēng)力發(fā)電中的重要課題有 (1)發(fā)電成本的降低(2)系統(tǒng)一體化對(duì)策。發(fā)電設(shè)備的最優(yōu)化系統(tǒng)將為解決這些課題提出方案。12.事業(yè)規(guī)劃本項(xiàng)目將以日本NEC株式會(huì)社和東京大學(xué)教授所在的公司為基礎(chǔ)，在中國合作伙伴的協(xié)助下，逐步展開。根據(jù)NEC的推算，本計(jì)劃有很大的盈利空間。）中國現(xiàn)有臺(tái)風(fēng)機(jī)，本醒目提供的相關(guān)設(shè)備一臺(tái)售價(jià)在570萬日元左右，假設(shè)能在中國銷售3500臺(tái)的話，營業(yè)額將會(huì)達(dá)到200億日元。）故障檢測裝置和功率優(yōu)