大型風力機調(diào)研

1、發(fā)展風電并大型化的意義1風電是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要選擇經(jīng)過幾十年發(fā)展，風力發(fā)電已成為國際上公認的技術最成熟、開發(fā)成本最低、最具發(fā)展前景的可再生能源之一。許多國家把風電作為改善能源結(jié)構、應對氣候變化的重要選擇。在歐美等風電開發(fā)起步較早的國家，風電在替代常規(guī)化石能源、減少溫室氣體排放等方面已發(fā)揮了巨大作用。根據(jù)BTM公司2011年風電發(fā)展報告，2011年丹麥、西班牙、德國的風電電量占本國總用電量的比例分別達到28.5%、15%、和10.6%。就歐洲整體而言，2011年風電電量比例達到6.3%，其中德國有四個州比例超過40%，西班牙部分省接近100%。通過提高風電電量在全社會用電量中的比例，逐步減

2、少常規(guī)化石能源消耗，已成為全球范圍內(nèi)減少溫室氣體排放、應對氣候變暖的重要途徑。到2020年非化石能源占一次能源消費的比重將達到15%。為實現(xiàn)這一目標，風電必將發(fā)揮更重要的作用。2風電在能源發(fā)展戰(zhàn)略中起重要作用近年來，隨著全球能源資源和環(huán)境問題的突出，特別是以變暖為重要特征的全球氣候變化的日趨明顯，風電越來越受到世界各國的高度關注和重視，并且在各國共同努力下得到了 快速的發(fā)展，目前全球風電裝機容量已經(jīng)超過了1億千瓦，風電已經(jīng)成為世界能源的重要組成部分，特別是在全球風電市場的強勁拉動下，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，風電裝機容量迅速增加，風電單機容量不斷擴大，風電的安全性和可靠性明顯提高，各方面投資風電的積極

3、性空前的高漲。經(jīng)過多年持續(xù)的努力，風電已經(jīng)處于由小規(guī)模補充能源向大規(guī)模主要能源轉(zhuǎn)變的重要發(fā)展階段，面臨著發(fā)電技術與常規(guī)可控能源發(fā)電技術的融合問題，這不僅有人們觀念和理念上的問題，而且有技術和管理上的制約和矛盾，更是經(jīng)濟效益和各種利益關系的重要調(diào)整階段，我們必須要充分認識風電發(fā)展所面臨的新的矛盾和問題，采取更加務實和科學的態(tài)度來可持續(xù)的推動風電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。3.風電帶動新的裝備制造業(yè)發(fā)展風力發(fā)電機的制造和維護，在今后也將成為一種新興的機械制造業(yè)，成為世界主要機械制造業(yè)之一。風力發(fā)電機制造業(yè)的發(fā)展又勢必拉動大、中型錐鋼管、鋼鈑等冶金行業(yè)，增強塑科、復合材料行業(yè)，發(fā)電機行業(yè)等的發(fā)展，也勢必推動大容

4、量、小體積、高效率、免維修、壽命長的蓄電池早日問世。風力發(fā)電、風力發(fā)電機的發(fā)展及其拉動的各行業(yè)的發(fā)展，必定為世界各國數(shù)以萬計的人創(chuàng)造就業(yè)機會。關鍵部件發(fā)展現(xiàn)狀與歐美等發(fā)達國家相比，雖然我國近年風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但由于我國風電產(chǎn)業(yè)總體上發(fā)展較晚，風資源評價、規(guī)劃和管理滯后，風電發(fā)展與電網(wǎng)規(guī)劃和建設不協(xié)調(diào)，風機研發(fā)能力不足、制造基礎薄弱，價格和稅收等政策不夠完善，技術標準系統(tǒng)不健全，自主知識產(chǎn)權比重較低。1.葉片葉片作為風機的關鍵部件，占風機成本約20%。世界風力發(fā)電進一步向大功率、長葉片方向發(fā)展。隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸

5、顯現(xiàn)出性能方面的不足。國外風電葉片生產(chǎn)商早已著手在大型葉片的制造中使用碳纖維。目前，世界最長葉片是西門子采用IntegralBlade工藝由玻纖增強環(huán)氧樹脂閉模一體成型的75米葉片。我國已經(jīng)能夠規(guī)模生產(chǎn)與1.5MW和2MW風電機組配套的葉片，但與國外企業(yè)相比仍存在差距。國內(nèi)企業(yè)葉片價格低于國際市場同類產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量在近幾年已經(jīng)明顯提升，葉片設計制造水平有了大幅提高，在研發(fā)新產(chǎn)品方面也進行了大量嘗試，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的75米葉片也于2012年四季度研制。目前，國內(nèi)市場上綜合實力較強的碳纖維風電葉片制造企業(yè)主要是：以LM、VESTAS等為代表的外資企業(yè)和以保定惠騰、中復連眾、天津東汽等為代表的本土企業(yè)

6、。碳纖維在葉片領域的應用為風電葉片生產(chǎn)企業(yè)提供了新的經(jīng)濟增長點，各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術、質(zhì)量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在葉片制造領域得到更多的應用。 目前，我國水平軸風力機專用翼型的研究還停留在航空翼型階段,對葉片荷載、氣動特性(失速、噪聲、尾跡等)、疲勞等關鍵性問題進行了基礎性研究，但對水平軸風力機專用翼型的研究還處于起步階段。2.輪轂輪轂是風力發(fā)電機中連接主軸和葉片的關鍵部件。由于輪轂結(jié)構形狀復雜,當其承受葉片傳來的各種靜載荷和交變載荷時,在輪轂法蘭盤處很容易引起應力集中。在大型風力發(fā)電機組中輪轂的重量占風力發(fā)電機組總重的30%左右，其重要性隨著風力發(fā)

7、電機組容量的增加，而愈來愈明顯。目前，風力發(fā)電機組設計與制造主要依據(jù)以下結(jié)構設計標準：1）Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003,簡稱GL標準。2）IEC61400-1國際標準。3）中國風力發(fā)電機組規(guī)范2008，此標準來源于GL標準，它是國內(nèi)風機產(chǎn)品認證標準。國內(nèi)按照上述標注對輪轂結(jié)構設計。國內(nèi)企業(yè)主要采用引進技術的方式消化吸收輪轂的設計方法，制造出國產(chǎn)的輪轂，隨著風機向更大功率方向的發(fā)展，急需總結(jié)一套成熟的輪轂設計分析方法。風力發(fā)電機輪轂,本體材料采用低錳、低硫的球墨鑄鐵通過復合孕育和半封閉的底注式澆注工藝制

8、作而成。采用這種加工工藝而成的風力發(fā)電機輪轂不僅能更好地滿足系統(tǒng)對機械性能的需要,而且不存在超過標準規(guī)定的縮孔、縮松、氣孔、夾雜物以及表面微裂紋等鑄造缺陷。利用先進的檢驗設備配合數(shù)控機床進行加工，彌補機床加工的盲點，通過復雜的核算，確定最佳工藝方案加工，目前國內(nèi)初步掌握了風電輪轂的加工過程。3.齒輪箱風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，是整個風電機組中成本較大的部件之一，大約占風電機組總成本的18%左右，而且是風電機組中的薄弱環(huán)節(jié)之一。箱體、行星架、輸入軸等結(jié)構件的加工精度對齒輪傳動的嚙合質(zhì)量和軸承壽命等都有十分重要的影響，裝配質(zhì)量的好壞也決定了風電齒輪箱壽命的長短和可靠性的高低。高品質(zhì)、高可靠

9、性風電齒輪箱的獲得，除了先進的設計技術和必要的制造裝備外，離不開制造過程每一個環(huán)節(jié)的嚴格質(zhì)量控制。國外兆瓦級風電齒輪箱是隨著風電機組的開發(fā)而發(fā)展起來的，RENK，F(xiàn)LENDER 等風電齒輪箱制造公司采用將先進的設計技術與試驗測試相結(jié)合的方法，大大提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟性和可靠性。我國風電行業(yè)目前對齒輪箱的設計開發(fā)的深入研究尚處于起步階段，相關的運行調(diào)試經(jīng)驗和基礎數(shù)據(jù)還比較匱乏，這些因素都制約了我國風電事業(yè)的快速發(fā)展，但隨著時間的推移，這些問題將會得到很大程度的改善。自2007年開始，我國風電齒輪箱行業(yè)進入快速發(fā)展的軌道，以南京高速齒輪箱有限公司為代表的齒輪箱廠或是增強自身的研發(fā)能力，或是擴大自身的產(chǎn)

10、能。盡管如此，我國風電齒輪箱仍是風電設備國產(chǎn)化中的薄弱環(huán)節(jié)。雖然多數(shù)廠家通過各種渠道與國外先進的設計公司進行合作，但在設計的水平，經(jīng)驗的積累和人才的儲備方面仍需不斷的努力。4.發(fā)電機系統(tǒng)4.1 恒速風力發(fā)電機系統(tǒng)恒速風力發(fā)電機系統(tǒng)采用籠型異步發(fā)電機?；\型異步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構簡單、成本低且可靠性高。在風力發(fā)電發(fā)展的初期,籠型異步發(fā)電機得到了廣泛的應用,有效地促進了風電產(chǎn)業(yè)的興起。4.2有限變速風力發(fā)電機系統(tǒng)有限變速風力發(fā)電機系統(tǒng)采用繞線式異步發(fā)電機，發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率可增大至10%,實現(xiàn)有限變速運行,提高輸出功率。同時,采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制,以提高動態(tài)性能,維持輸出功率穩(wěn)定,減小陣風對電網(wǎng)的擾

11、動。然而,由于外接電阻消耗了大量能量,電機效率降低。定轉(zhuǎn)速和有限變速發(fā)電只能在某一風速下工作于最大出力點，不能實現(xiàn)最大風能的捕獲，效率低，且可靠性不高，將逐步退出歷史舞臺。4.3變速風力發(fā)電機系統(tǒng)1)有刷雙饋異步發(fā)電機由雙饋異步發(fā)電機構成的變速恒頻控制方案使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制,而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響,相對于繞線式發(fā)電機,雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子能量沒有被消耗掉。目前大多數(shù)大可變速風力發(fā)電系統(tǒng)都采用這種方式,例如Vestas,Gamesa,GE,Nordex等公司都有此類產(chǎn)品。勵磁控制技術和雙向并網(wǎng)發(fā)電控制技術,對于雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)而言,是

12、至關重要的難點之一。雙饋發(fā)電機系統(tǒng)具有的缺點:存在多級齒輪箱及滑環(huán)、電刷,不可避免地帶來摩擦損耗,增大了維護量及噪聲等；在電網(wǎng)故障瞬間,驟然變大的定子和轉(zhuǎn)子電流要求變換器增加保護措施,增大了軟硬件投入,而且大的故障電流增加了風力機的扭轉(zhuǎn)負荷。2)電勵磁同步發(fā)電機電勵磁同步發(fā)電機變速恒頻直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng),逆變器的直流側(cè)提供電機轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流,整流逆變裝置的容量需要與發(fā)電機容量相等。采取直驅(qū)方式,發(fā)電機運行在低速狀態(tài),其電磁轉(zhuǎn)矩相對較大,同時發(fā)電機極對數(shù)較多,意味著發(fā)電機的體積也較大。但由于省去了齒輪箱,系統(tǒng)的效率和可靠性都得到了提高。變換器為全功率變換器,在整個調(diào)速范圍能使并網(wǎng)電流平滑,具有

13、噪聲低、電網(wǎng)電壓閃變小及功率因數(shù)高等優(yōu)點。該系統(tǒng)主要缺點是系統(tǒng)成本較高,功率變換器損耗較大。3)永磁同步發(fā)電機永磁同步發(fā)電機變速恒頻直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)無需外加勵磁裝置,減少了勵磁損耗;同時它無需電刷與滑環(huán),因此具有效率高、壽命長、免維護等優(yōu)點。在定子側(cè)采用全功率變換器,實現(xiàn)變速恒頻控制。系統(tǒng)省去了齒輪箱,這樣可大大減小系統(tǒng)運行噪聲,提高效率和可靠性,降低維護成本。所以,盡管直接驅(qū)動會使永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速很低,導致發(fā)電機體積很大,成本較高,但其運行維護成本卻得到了降低。采用直接驅(qū)動永磁發(fā)電機具有傳動系統(tǒng)簡單、效率高以及控制魯棒性好等優(yōu)點,因此具有越來越大的吸引力。目前已有多家公司可以提供商業(yè)化的多極

14、永磁風力發(fā)電機系統(tǒng),如Enercon,WinWind等公司。該系統(tǒng)的主要缺點是永磁材料價格較高,且在高溫下易被去磁,功率變換器容量與發(fā)電機容量相同,變換器成本較高。隨著風機單機容量的增大,齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突出,于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發(fā)電機直接相接的直驅(qū)式布局應運而生。但是,低速多極發(fā)電機重量和體積均大幅增加。4)半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)在風力機和永磁同步發(fā)電系統(tǒng)之間增加了單級齒輪箱, 采用折中理念，綜合了DFIG和直驅(qū)PMSG系統(tǒng)的優(yōu)點。與DFIG系統(tǒng)相比,減小了機械損耗;與直驅(qū)PMSG系統(tǒng)相比,提高了發(fā)電機轉(zhuǎn)速,減小了電機體積。采用全

15、功率變換器,平滑了并網(wǎng)電流,電網(wǎng)故障穿越能力得到提高。成本是制約其發(fā)展的關鍵因素，通過對發(fā)電機進行優(yōu)化設計,可以降低發(fā)電機的材料成本。而且該差價能從機組運行和維護費用的節(jié)約及年發(fā)電量的增加中得到補償。同時永磁發(fā)電機外徑越大越經(jīng)濟,但需考慮到運輸條件的限制。采用單級齒輪箱驅(qū)動的永磁同步發(fā)電機組,由于齒輪箱的損耗比三級增齒輪箱明顯減少,具有很好的應用前景。當前在風力發(fā)電的商業(yè)市場上占統(tǒng)治地位的毫無疑問是雙饋感應發(fā)電機和多級增速齒輪概念。但永磁直驅(qū)發(fā)電機有望逐漸成為大型風力發(fā)電機組的主流,并與DFIG風力發(fā)電機組競爭。對海上風電場來說,體積巨大的直接驅(qū)動風力發(fā)電機并不會明顯增加運輸和吊裝方面的難度。

16、基于全功率變換器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地處理例如低電壓穿越等問題。另外,海上風電場對風力發(fā)電機組的可靠性和可維護性要求更高,因此直接驅(qū)動概念或?qū)⑹紫仍诤Ｉ巷L電場獲得大規(guī)模的應用。由表4可見,大部分制造商采用了齒輪箱增速的風力機類型。Vestas,Gamesa,GE wind, Repower,Nordex,Ecotecnia等公司制造的風力機采用了雙饋感應發(fā)電機及多級增速齒輪箱。表4的統(tǒng)計表明,當前在風力發(fā)電的商業(yè)市場上占統(tǒng)治地位的是雙饋感應發(fā)電機和多級增速齒輪概念,而最常用的發(fā)電機為感應電機,包括雙饋感應電機和鼠籠感應電機2種形式。5.變流器目前在變速恒頻技術中，雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)和同

17、步直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)已成為主流。典型的雙饋型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)包括多級齒輪、雙饋感應發(fā)電機和背靠背雙PWM變流器。同步直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中同步發(fā)電機輸出頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)背靠背變流器系統(tǒng)接至電網(wǎng)。近年來，國內(nèi)在兆瓦級風電變流器的研發(fā)上也取得了較大進展，但還需接受用戶長期現(xiàn)場運行的考驗。其中，直驅(qū)型2MW級全功率變流器已開始小批量投產(chǎn)，和產(chǎn)業(yè)化過程之中。6.軸承國際上著名風電軸承公司主要有德國Rothe Erde、法國Rollix、瑞典SKF、德國Schaeffer、美國Timken和日本NSK等，在全球市場占據(jù)統(tǒng)治地位。SKF、Schaeffer和Timken等還與國內(nèi)風電主機企

18、業(yè)簽訂了戰(zhàn)略聯(lián)盟關系，全面供應配套風電軸承。近年來，國產(chǎn)風電軸承逐漸形成了規(guī)模化、系列化生產(chǎn)，主要企業(yè)有瓦軸、天馬、洛軸、徐州羅特艾德以及大冶軸等，還有軸研科技、方圓支承、上海聯(lián)合和西北軸等，不僅滿足了國內(nèi)的需求，而且也成為國外一些風電設備廠家的采購渠道。風電機組中偏航軸承和變槳軸承的技術門檻相對較低，而主軸軸承和增速器軸承的技術含量較高。因此，目前國內(nèi)風電軸承企業(yè)的產(chǎn)能主要集中在偏航軸承和變槳軸承上，3MW以下風電機組配套軸承均可批量生產(chǎn)，國產(chǎn)替代率已達到80% 以上，年產(chǎn)能已達4.5萬套以上。目前，千瓦級風力發(fā)電機用軸承的制造廠家已較多，而兆瓦級的還只有少數(shù)廠家有制造能力。國內(nèi)目前能夠配套

19、的風力發(fā)電機用軸承主要還是偏航和變漿系統(tǒng)用回轉(zhuǎn)支承，主軸軸承目前只有極少廠家進行了試制。另外，雖然部分廠家已能提供兆瓦級偏航和變漿系統(tǒng)用回轉(zhuǎn)支承，但還是小兆瓦級。制約我國風電設備發(fā)展的因素有很多，其中風力發(fā)電機用軸承對于風力發(fā)電機裝備發(fā)展的影響日漸突出。以期待更多的技術創(chuàng)新和工藝改進，解決瓶頸問題，充分利用資源，縮小與世界之間的差距。7.塔架風電塔架制造在風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈中屬于上游產(chǎn)業(yè)，其作為重要分支，隨著風電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展得到了長足的發(fā)展。我國有約100多家各種類型風電塔架生產(chǎn)企業(yè)，數(shù)量眾多，水平參差不齊。風電塔架企業(yè)分為專業(yè)風機塔架制造商和非專業(yè)風機塔架制造商，其中，專業(yè)風機塔架制造商較少，

20、非專業(yè)風機塔架制造商較多。風機塔架行業(yè)目前無需特殊的許可證或授權，對于國內(nèi)鋼結(jié)構生產(chǎn)企業(yè)來說，低端(1.5MW級別及以下)風機塔架沒有非常高的技術門檻。由于風電行業(yè)處于高速發(fā)展階段，風機塔架市場容量較大，可能會導致很多新進企業(yè)以低價格投標競爭，行業(yè)面臨無序競爭局面。目前，高端風機塔架(2MW級別及以上)產(chǎn)品利潤率相對較高，泰勝風能和天順風能兩個企業(yè)2MW級別及以上風機塔架的市場份額超過95%，產(chǎn)品集中度較高。目前，風力機塔架總的來說由兩種型式：圓筒式和格構式?，F(xiàn)代大型風力發(fā)電機組普遍采用的是圓筒型塔架。隨著風電機組的大型化和海上風電的發(fā)展，衍生出一種混合結(jié)構塔架。8.基礎我國風機基礎設計總體上

21、可劃分為三個階段，即2003年以前小機組基礎的自主設計階段，2003-2007年MW機組基礎設計的引進和消化階段，2007年以后MW機組基礎的自主設計階段。中國水電工程顧問集團公司作為我國水電和風電的前期工作技術歸口管理單位，于2007年9月發(fā)布了風電機組地基基礎設計規(guī)定（FD003-2007）1，并同期推出了配套的設計軟件。由于規(guī)范的統(tǒng)一指導和風電產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，并經(jīng)過我國項目業(yè)主和勘測設計單位的共同努力，現(xiàn)在風機基礎設計已步入自主設計的軌道。存在的問題或技術瓶頸1.葉片關于材料各方面基礎工作做的不夠，其中包括疲勞性能的研究不足。其次，目前葉片大型化發(fā)展，對制作材料的要求更高。再者，葉片需要

22、20年的使用周期，從2008年至今已經(jīng)出現(xiàn)了大量葉片非正常非壽命周期斷裂或者其他的問題。成本高昂。2.齒輪箱我國在結(jié)構件的加工和裝配精度等方面從重要性認識到裝備水平都與國外先進水平有一定的差距。由于國內(nèi)風電齒輪箱的研究起步較晚, 技術薄弱, 特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術，因此，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究，真正掌握風電齒輪箱的設計和制造技術，以實現(xiàn)風電機組國產(chǎn)化的目標。由于風電齒輪箱容量的發(fā)展，零部件的設計標準已經(jīng)不能適應大功率化的要求。3.發(fā)電機直驅(qū)式發(fā)電機的在成本及技術領域具有較大瓶頸。4.變流器我國大型風力發(fā)電技術自主水平相對滯后，變流器、控制系統(tǒng)、高性能齒輪箱

23、與軸承的關鍵技術等還主要依賴于國外進口。當前，陸地風力發(fā)電機組主力機型的單機容量以1.5 MW、2 MW為主，在這一功率等級及以上的全功率變流器幾乎被國外產(chǎn)品所壟斷，嚴重制約了我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為應對風力發(fā)電的迅速發(fā)展和裝機容量的增長，亟需推進我國風電設備行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，從而提高國產(chǎn)技術和裝備的競爭能力。5.軸承軸承制造是目前風電機組產(chǎn)業(yè)供應鏈中的主要瓶頸。材料的好壞是決定風電軸承的最重要因素，我國風電軸承與國外差距，材料是主要因素，其次為風電軸承設計、工藝水平和工藝裝備。目前，部分失效造成風機停機，增速器占20% 左右，是風機部件中比例最高的，而風機增速器的故障80%起源于有缺陷的軸承

24、。因此，對風機增速器軸承和主軸軸承的可靠性的研究，已成為當前風機行業(yè)的難點和重點，應密切關注和跟進一些前沿技術。6.塔架和基礎持續(xù)的無序競爭對整個塔架行業(yè)帶來極大的負面影響，缺乏行業(yè)準入制度及產(chǎn)品標準，原材料問題也是將來可能制約塔架行業(yè)發(fā)展的一個關鍵因素。2005年以前不少基礎設計是由廠家提供標準圖，設計單位修改還必須得到廠商的批準，導致我國風電項目建設多方受制于人；有的設計照搬有關技術規(guī)定，未充分考慮風力發(fā)電工程本身的特點，工程建設管理上疏忽等問題。發(fā)展趨勢和技術路線1.葉片現(xiàn)代大型風力機的發(fā)展趨勢是采用高強度輕質(zhì)大容量葉片，主流機組已普遍采用玻璃纖維增強復合材料（GRP）。為了保證在極端風

25、載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。碳纖維復合材料葉片是風機輕量化、大型化的必然趨勢，且碳纖維復合材料具有維修性好、疲勞強度高、耐候性優(yōu)良等特點。對更大的 5-10M W 風力機來說，由于強度與剛度要求更高、自重更大，葉片設計適宜采用碳纖維材料。2010年中國海上風電開發(fā)的序幕全面拉開，海上風電裝備制造業(yè)迎來歷史性發(fā)展機遇。海上風電發(fā)展要求更輕質(zhì)、更抗拉力、更耐腐蝕的新材料設備，碳纖維是不二之選。中國的碳纖維產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了由探索起步階段到成長階段的轉(zhuǎn)變，逐漸步入持續(xù)、快速發(fā)展的良性軌道。預計在未來3-5年，碳纖維風電葉片制造

26、的技術水平將不斷完善，市場需求也將進一步擴張，中國碳纖維風電葉片市場發(fā)展前景廣闊。2.齒輪箱為了提高風能利用率和發(fā)電效益，風力發(fā)電機組正向著增大單機容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率及機組可靠性等方向發(fā)展。因此大兆瓦級的風電機組將逐漸成為未來研發(fā)的重點，而其中最重要的問題就是如何選取適合發(fā)展需求的齒輪箱技術路線。技術路線：備受關注的IEC61400-4已經(jīng)公布，從中國風能協(xié)會主辦的講座上獲知，IEC61400-4參考了新的標準，在有些被證明非常重要的章節(jié)增加了內(nèi)容，相對于ISO81400-4，增加了不同傳動鏈形式的細節(jié)，考慮了更多的失效情況，在載荷計算的步驟上增加了更多信息，考慮了特殊運行狀

27、態(tài)進行設計，使載荷情況能覆蓋所有運行條件。相對于GL Guideine，IEC61400-4 增加了背景信息，比GL要求的條件更嚴格?？梢灶A見，隨著相關設計標準的公布，風電齒輪箱設計技術將隨之進一步發(fā)展。為了減小風電齒輪箱的體積和重量， 總體上講，2.5MW以上的齒輪箱通常采用功率分流或柔性軸等技術。根據(jù)不同的評判標準可以將風電齒輪箱所采用的技術路線劃分為不同的類型：從采用的不同齒輪類型角度可將風電齒輪箱劃分為平行軸技術路線和行星輪技術路線；從采用不同的設計理念角度可劃分為傳統(tǒng)技術路線、功率分流技術路線、柔性軸技術路線以及采用功率分流與柔性軸相結(jié)合的“融合技術路線”；還有一類即是從外形尺寸上可

28、將齒輪箱大致劃分為短粗型如RENK齒輪箱，和細長型如BOSCH齒輪箱。1)行星輪系與平行軸相結(jié)合的三級式技術路線此技術路線的主流布局是一級行星加兩級平行軸或兩級行星加一級平行軸兩種結(jié)構，是目前國內(nèi)產(chǎn)量最大和應用范圍最廣的齒輪箱。國內(nèi)多家風電齒輪箱生產(chǎn)廠家均以此種技術路線為主流產(chǎn)品。該技術路線的特點是采用功率串聯(lián)的三級定速比傳動。由于該技術路線自身的最大容量有一定的限制，因此不能滿足未來不斷增大的風電機組容量的需求。該類技術路線目前大多用于1.5MW-2.5MW 的風電機組。2)復合行星齒輪技術路線該技術路線的典型布局是德國RENK公司的齒輪箱，國內(nèi)多家齒輪箱廠已引進了該技術，但目前還沒有在國內(nèi)

29、風場大規(guī)模應用。該技術路線的特點是可以有效地減小第一級齒輪傳動所產(chǎn)生的振動；最后，由于該技術路線的結(jié)構特點，齒輪箱維修起來較其他齒輪箱技術路線更為便捷，可以從高速軸方向?qū)?nèi)部零件全部抽出進行更換或維修。 根據(jù)相關資料，該技術路線的最大功率能夠達到5MW。3)柔性軸技術路線該技術源于多年前的專利技術，近幾年來柔性軸技術在風電齒輪箱行業(yè)中迅速升溫，多家國外公司紛紛在國內(nèi)進行技術轉(zhuǎn)讓或項目合作。從該技術路線主要是通過調(diào)整行星輪系中行星輪的適應性來解決行星輪系的均載問題。據(jù)相關資料顯示，如果該技術運用得當，行星輪系的均載系數(shù)能夠達到1.04 左右，因此柔性軸技術的優(yōu)勢還是相當明顯的。但是該技術對于加工

30、和裝配精度要求嚴格，能否達到預期的設計效果與生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力密切相關。4)功率分流技術路線如何實現(xiàn)在齒輪箱承載能力最大時齒輪箱體積和重量最小，即功率密度最大化的目的，是所有齒輪箱設計者的最終目標。而功率分流技術為該目標的實現(xiàn)提供了一條便捷途徑。在風電齒輪箱行業(yè)中，采用功率分流這一設計理念具有代表性的技術路線主要是MAAG 和BOSCH。主要用于3MW及以上的風電齒輪箱。5)“融合技術路線”該技術路線融合了柔性軸和功率分流兩種技術路線的典型優(yōu)勢，使齒輪箱功率密度最大化的目標更易實現(xiàn)。目前，JAKE的5MW和6MW齒輪箱即采用了該種技術路線。綜上，風電齒輪箱技術路線的演變過程及其對比總結(jié)，如下表

31、所示：展望：風電齒輪箱行業(yè)未來將向著逐漸消化從國外引進的先進技術，不斷建立國內(nèi)風電行業(yè)的自身研發(fā)能力的方向發(fā)展。但隨之而來的是，如何在前人的基礎上少走彎路，如何在眾多的齒輪箱技術路線中選取適合未來發(fā)展方向的布局將成為首要問題，該問題將直接決定著企業(yè)產(chǎn)品的生命力和競爭力。隨著近幾年海上風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風電齒輪箱的大功率化需求也越來越迫切。因此，如功率分流技術、柔性軸技術等先進設計理念必將成為風電齒輪箱行業(yè)未來發(fā)展的熱點。如何最大限度地將本土生產(chǎn)的產(chǎn)品與國外引進的齒輪箱技術性能相吻合將考驗著國內(nèi)的風電企業(yè)，尤其是對于那些對加工和裝配水平要求較高的技術路線，本土化將是一個曲折而漫長的過程。3.發(fā)

32、電機系統(tǒng)風力發(fā)電機與風力發(fā)電系統(tǒng)互為因果,相互促進。近年來風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大,特別是低速直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展,有力地促進了風力發(fā)電機的設計、制造、控制以及運行維護水平的提高,各種新型風力發(fā)電機不斷出現(xiàn)。除了籠型異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機,各國研究人員從提高風力發(fā)電機組的效率和可靠性,降低大型發(fā)電機的制造難度等角度,還提出了其他一些具有商業(yè)化潛力的風力發(fā)電機,如開關磁阻發(fā)電機、爪極發(fā)電機、無刷雙饋異步發(fā)電機、定子雙饋電雙凸極發(fā)電機、橫向磁通永磁電機等。 基于雙饋發(fā)電機的優(yōu)點，構成的并網(wǎng)型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前風力發(fā)電方面的研究熱點和發(fā)展趨勢

33、。而直驅(qū)型風電機組因其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、系統(tǒng)可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點，成為了我國風電領域重要的研究和發(fā)展方向。另外，無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障可有效提高系統(tǒng)的運行可靠性和壽命，大大減少了維護成本，得到了市場的青睞。從整體來看，未來風力發(fā)電將形成以異步雙饋及永磁直驅(qū)兩種并網(wǎng)技術為代表的風電發(fā)展格局。4.變流器隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展和直驅(qū)式、半直驅(qū)風電系統(tǒng)的廣泛應用，對變流器容量及可靠性要求越來越高。由于可控電力電子器件的蓬勃發(fā)展，變流器領域已逐步出現(xiàn)交-直-交變流器一統(tǒng)天下的局面。而為實現(xiàn)大容量、高質(zhì)量輸出波形及高可靠性，多電平變流器開始得到應用，如中點

34、二極管箝位多電平變換器、飛跨電容多電平變換器、級聯(lián)H橋多電平變換器等通用多電平變換器等。變流器發(fā)展需要解決的關鍵技術：1）變流器拓撲形式、參數(shù)范圍、保護與通信接口方式等電氣性能的研究；2） 變流器控制技術；3） 變流器結(jié)構及散熱設計；4） 低壓穿越技術中的關鍵問題；5） 快速有效的不對稱電壓、電流檢測技術；6） 變流器在電網(wǎng)電壓跌落下的控制與保護策略；7） 風電機組應對電網(wǎng)故障進行無功補償。風力發(fā)電變流器發(fā)展展望：1）高功率密度、通用模塊化設計；2）電壓電流等級不斷提高，拓撲結(jié)構更加靈活多樣；3）低壓穿越問題研究逐步深入；4）解決電磁兼容問題。5.軸承工信部2010年10月印發(fā)了機械基礎零部件

35、產(chǎn)業(yè)振興實施方案，計劃通過3年努力，使得我國重大裝備基礎零部件配套能力提高到70%以上。尤其是風力發(fā)電機增速器軸承、發(fā)電機軸承和主軸軸承配套能力提高，為功率1.5MW的風電機組配套，工作壽命20年，可靠度99%。因此，國內(nèi)風電軸承制造企業(yè)應充分利用這一政策效應，跟蹤主流機型發(fā)展動向，盡快掌握核心技術，在技術質(zhì)量水平和自主知識產(chǎn)權上取得新突破，為我國的風電產(chǎn)業(yè)的高速、健康發(fā)展做出應有的貢獻。如今安裝的所有風力發(fā)電機中，75%-80%均采用主軸軸承支撐原理。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機軸承配置為雙軸承支撐?，F(xiàn)最新的主軸軸承配置解決方案為單軸承支撐。隨著風力發(fā)電機的發(fā)展，大功率風力發(fā)電機成為市場發(fā)展的趨勢，較高

36、的能量密度也成為各主機制造商爭相追趕的目標，給軸承設計帶來了極大挑戰(zhàn)。風電軸承現(xiàn)在都是通用軸承，其中一部分要發(fā)展成為專用軸承，這是一種趨勢。一定要做好個性化設計的研究工作。是否有能夠在提高風力發(fā)電機功率的同時還能減輕重量并降低整個風力發(fā)電機的制造成本呢，成為主機廠商和零部件廠商所面臨的日益緊迫的問題。有專利技術報道，磁懸浮技術能降低軸承摩擦阻力，提高風電效率與使用壽命。磁懸浮風電機組可在微風下運行，工作風速為1.536.9m/s（即1-12級風），風輪轉(zhuǎn)動抗湍流能力強，展示了一個全新的發(fā)展方向。6.變槳技術隨著風機的更新?lián)Q代，使得幾年前剛剛推出的變槳技術也在接近極限。因此必須尋求新的解決方案。

37、風機變槳控制面臨的挑戰(zhàn)極為復雜，既要確保風機效率，同時又要提高可靠性和安全性。10月15日，穆格公司宣布在中國正式推出新型風機交流變槳系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用緊湊的模塊化結(jié)構設計，在安全性、可靠性以及節(jié)省能源成本方面都具有顯著優(yōu)勢。全新模塊化設計能使變槳系統(tǒng)更易于與風機集成，大大減少系統(tǒng)的復雜程度。通過降低零部件總數(shù)及整體成本將幫助風機制造商和運營商縮短系統(tǒng)維護所需要的停機時間，從而進一步提高生產(chǎn)力。全新的風機交流變槳系統(tǒng)已成功運用于遠景能源公司新型4MW海上智能風機。與同類產(chǎn)品相比，該風機發(fā)電能力可提高20%以上。7.海上風電技術由于陸上風電機受運輸、安裝等條件限制，單機容量2MW是風電機發(fā)展的極限，這主要是因為風電機容量達到2MW后，槳葉長度將達60-70m，陸上運輸極為困難，安裝用的吊車容量將超過1200-1400t。這使安裝風電機的地點受到較大限制。通常，陸上風電場的成本構成為：風電機約占70%，基礎設施(基礎電網(wǎng)、道路等)約占30%。而海上風電場的成本構成為風電機約占30%，基礎設施(基礎、海底電纜等)約占70%。但海上風電場由于風力資源好，每年發(fā)電量可比陸上風電場高出50%。同時，大容量的海上風電機由于采用新技術，其成本下降，運行可靠性增加，運行成本降低，這樣就可以做到發(fā)電成本等于或低于陸上風電場。3-5MW海上風電機，運輸問題