风力发电机叶片材料的技术发展路线.docx
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风力发电机叶片材料的技术发展路线
风力发电机叶片材料的技术发展路线
供稿人:
ISTIS 供稿时间:
2005-8-30
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地运转,对叶片的要求有:
比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能,能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;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荷稳定性好;耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好;发电成本较低,维护费用最低。
据国际咨询公司UtiliPoint总裁BobBellemare称:
对于风力发电机而言,碳纤维是即将来临的潮流。
一般较小型的叶片(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料,树脂基体以不饱和聚酯为主,也可选用乙烯酯或环氧树脂,而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料,树脂基体以环氧为主。
GE风能的叶片工程的全球经理RameshGopalakrishnan说,设计师们在寻找轻质高强度材料的过程中,选择了碳纤维应用于叶片设计中。
因此,玻璃纤维和碳纤维是目前叶片制造中最为重要的两种材料。
为满足上述要求,提高机组的经济性,叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性,降低成本。
叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的61.5m,容量从当初的55kW发展到今天的5MW。
1970年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材制成,今天选择的材料以E-玻纤增强塑料(GFRP)居多,目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP),叶片材料的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展。
木制叶片及布蒙皮叶片
近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的,但木制叶片不易做成扭曲型。
大、中型风力发电机很少用木制叶片,采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。
钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁,钢板做肋梁,内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式,一般在大型风力发电机上使用。
叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小,以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量,即做成等强度梁。
铝合金等弦长挤压成型叶片
用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造,可连续生产,又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工,叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。
铝合金叶片重量轻、易于加工,但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片,因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。
玻璃钢叶片
所谓玻璃钢(glassfiberreinforcedplastic,简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。
增强塑料强度高、重量轻、耐老化,表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂,其它部分填充泡沫塑料。
玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。
LM玻璃纤维公司现致力于开发长达54m的全玻纤叶片,其单位kWh成本较低。
玻璃钢复合叶片
上世纪末,世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片,基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。
风力发电转子叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。
美国的研究表明,采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤,其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平,而且经这种处理后可以降低能实际上导致损害的纤维间微振磨损。
LM玻璃纤维公司进一步开发以玻璃钢为主,在横梁和叶片端部只少量选用碳纤维的61m大型叶片,以发展5MW的风力机。
碳纤维复合叶片
随着发电单机功率的增大,要求叶片长度不断增加,其在风力发电上的应用也将会不断扩大。
对叶片来讲,刚度也是一个十分重要的指标。
研究表明,碳纤维(carbonfiber,简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。
虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料,但价格昂贵,影响了它在风力发电上的大范围应用。
因此,全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。
昨天,我们用的是木制或金属材料;今天,我们用的是玻璃钢;明天,我们用的是碳纤维;那么明天的明天,我们用的会不会是纳米材料?
国外直驱式风力发电机技术应用
供稿人:
ISTIS 供稿时间:
2005-8-1
风能作为一种洁净的可再生能源,随着技术逐步成熟,今后的运行成本会低于水电和火电,发展前景非常广阔。
目前的风力发电机单机容量的不断增大,变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。
齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件,国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机组(亦称:
无齿轮风力发动机),这种机组采用多级异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,免去齿轮箱这一传统部件(结构特征见下图),具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点,在今后风力机发展中有很大的发展空间[1~4]。
1995年美国纽约州的一家研究机构设计出一种新型可变磁阻发电机,即使风力发动机中的磁性装置取代了机械的齿轮箱。
该设计的特点在于大量的极有一个比6个极造价还便宜的卷绕结构,可变磁阻电机的极结构能够承受万向操作而不需要提高造价[1]。
2000年,加拿大M.eng.M.Dubois博士提出风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间对部分工作负载的效率提高不利,而且较易受损耗,若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱。
事实上在水力电站应用直驱式低速旋转电机并不新鲜,然而应用于风力发电机则仍有一些问题需要研究,如UniversityofDurham,ChalmersUniversityoftechnologyinGoteborgandDarmstadtUniversityofTechnology等高校研究了风力机中电机的合适重量;最适合的机型(同步、永磁、可变磁阻等型式)选择;电流和压力的波动所导致的最高扭矩密度;联网用的变流器的选择;采取何种措施达到应有的噪音水平;在目前推荐使用由多个模块组成,方便运输,且某部件失效时仍可正常运行的电机的情况下,是否能设计不含额外损耗的电机;永磁电机由于高效高扭矩密度而越来越多地被采用,这是否会导致过量的铁损耗,磁性材料的选择,如何磁化这些材料,在运行或失效的情况下如何防止消磁状况[4]。
1997年的风机力市场上出现了兼具无齿轮、变速变浆距等特征的风力机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号,容量从330kW至2MW,由德国ENERCONGmbH公司制造,它们的制造始于1992年[4]。
2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW的巨型可变速风力发电机组,其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer,容量3MW、高约70m、风扇直径约90m[5,6]。
2003年在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力机是日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机,采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机,新型轻质叶片[12]。
下表为部分风力机制造商所申请的直驱式风力机的相关专利:
专利号
专利名称
申请人
申请日/公开日
同族专利
DE4437972
Permanentmagnetexcitedwindpowergenerator
SIEMENS
AG(DE)
1996.4.25/1994.10.24
EP0864748
Lowspeedgearlesswindturbine
JEUMONTIND(FR);FRAMATOMESA(FR)
1998.9.16/1998.3.10
WO9840627
US6285090
FR2760492
CA2280935
EP0864748
WO03008802
METHODANDDEVICEFORSPEED-VARIABLEPOWERELECTRONICADJUSTMENTOFAGEARLESSWINDPOWERPLANT
ABBRESEARCHLTD(CH);;DATTARAJIB(DE);;BERNETSTEFFEN(DE);;REINOLDHARRY(DE)
2003.1.30/2002.7.16
EP1407141
US2004119292
DE10134883
US2004119292
Methodandconfigurationforcontrollingawindenergyinstallationwithoutagearboxbyelectronicallyvaryingthespeed
ABBresearchltd.
2004.6.24/2003.12.11
WO03008802
EP1407141
DE10134883
US2003209912
Windpowerelectricalgeneratingsystem
BADGERRANDALL(US)
2003.11.13/2003.5.6
RU2211950
WINDSETWITHOUTREDUCTIONGEAR
KIRSANOVALEKSANDRVIKTOROVICH
2003.9.10/2001.11.6
EP1394406
Gearlesswindturbinewithmultiplegenerator
KLINGERFRIEDRICHPROFDR-ING(DE)
2004.3.3/2003.8.22
DE10239366
WO2005019642
WINDTURBINEBLADEPITCHCHANGEBYMEANSOFELECTRICSTEPPINGMOTOR
GENELECTRIC(US);;HAGEDORNRALF(DE)
2005.3.3/2003.8.21
SU1772409
WINDPLANTWITHOUTREDUCTIONGEAR
UFIMSKAVIATSIONINST(SU)
1992.10.30/1990.5.7
DE2533805
Windpowerdrivengenerators-inwgichseveraldirectdrivenunitsareelectricallyconnectedtogetherhavegearlessconnectionbetweenwindvanesandgenerators
1977.3.24/1975.7.29
可以发现,(直驱式)无齿轮风力发电机始于20多年前,却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣,积极将该技术应用于产品推向风力发电市场,德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家。
其中德国西门子公司开发的(直驱式)无齿轮同步发电机被安装在世界最大的挪威风力发电场,据称效率达98%[15]。
∙大连重工风电SCADA技术实现突破
∙撰写单位:
发布单位:
发布时间:
2010-01-15
日前,大连重工起重集团有限公司电控装备厂自主研发项目--风电SCADA系统,顺利通过技术鉴定,破解了国内长期以来不具备设计能力、一直依赖国外进口的瓶颈,标志着大连重工风电项目研发取得了又一个重要进展。
SCADA系统技术难点之一是接口的通用性。
大连重工的技术人员了开发出通用性强、实时性好、速度快的SCADA通讯接口。
SCADA系统的另一技术难题是海量历史数据上传。
通常一个风场组由33台风机组成,每台风机的历史数据变量达5万多条,上传时不仅要保证数据的完整性,还要保证通讯速度不能太慢,并且不能影响网络中实时数据的正常工作。
大连重工的技术人员采用特殊通讯方式,编写了几万条脚本语言程序。
经上传测试,各项指标均达到风机控制系统技术要求,通讯速度甚至超过了国外同类产品水平。
风力发电技术的发展方向和特点
时间:
2009-12-03 来源:
风能 点击:
5次
风能是非常重要并储量巨大的能源,它安全、清洁、充裕,能提供源源不绝,稳定的能源。
目前,利用风力发电已成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。
风力发电有三种运行方式:
一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。
在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。
风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术,这是风力发电技术发展的趋势,也是当今风力发电的核心技术。
下面简单介绍这两方面的情况。
1风力机的变浆距调节
风力机通过叶轮捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。
变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角,从而影响叶片的受力和阻力,限制大风时风机输出功率的增加,保持输出功率恒定。
采用变距调节方式,风机功率输出曲线平滑。
在额定风速以下时,控制器将叶片攻角置于零度附近,不做变化,近似等同于定浆距调节。
在额定风速以上时,变浆距控制结构发生作用,调节叶片攻角,将输出功率控制在额定值附近。
变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低,停机时传递冲击应力相对缓和。
正常工作时,主要是采用功率控制,在实际应用中,功率与风速的立方成正比。
较小的风速变化会造成较大的风能变化。
由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多,可减少材料使用率,降低整体重量。
且变距调节型风力机在低风速时,可使桨叶保持良好的攻角,比失速调节型风力机有更好的能量输出,因此比较适合于平均风速较低的地区安装。
变距调节的另外一个优点是,当风速达到一定值时,失速型风力机必须停机,而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置,避免停机,增加风力机发电量。
变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。
失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小,而变距调节型风力机则比较大,尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机,这种情况更明显,这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快,才可以减轻此现象。
2变速恒频风力发电机
变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机,其结构如图1所示。
它的结构类似绕线型感应电机,只是转子绕组上加有滑环和电刷,这样一来,转子的转速与励磁的频率有关,从而,使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机,但它却具有异步机和同步机的某些特性。
交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频,还可以实现有功、无功功率控制,对电网而言还能起无功补偿的作用。
交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点:
·允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少了调速时的机械应力。
同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。
·需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,使变频装置体积减小,成本降低,投资减少。
·调节励磁电流幅值,可调节发出的无功功率;调节励磁电流相位,可调节发出的有功功率。
应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。
国家能源局计划开展新一轮风电开发规划
时间:
2010-04-29 来源:
中国证券报 点击:
156次
国家能源局将用半年时间在全国11个省开展风电开发规划、市场消纳和输电规划研究工作,有效解决2015年9000万千瓦和2020年1.5亿千瓦风电的输送和市场消纳问题。
[评论]根据能源局网站最新消息,国家能源局将用半年时间在全国11个省开展风电开发规划、市场消纳和输电规划研究工作,有效解决2015年9000万千瓦和2020年1.5亿千瓦风电的输送和市场消纳问题。
国家能源局副局长刘琦在北京举行的一个风电研究启动会上表示,风电并网运行问题已成为风电进一步规模化发展的最大制约。
国家能源局统一组织开展风电接入电网和市场消纳研究,计划用半年时间在全国11个省开展风电开发规划、市场消纳和输电规划研究工作,加强风电开发与电网的协调发展。
刘琦强调,开展风电接入电网和市场消纳研究工作,要有效解决2015年9000万千瓦和2020年1.5亿千瓦风电的输送和市场消纳问题,为完成“十二五”能源发展规划和实现2020年能源发展的战略目标打好基础。
中国风电产业急需发展的三大技术
添加时间:
2010-5-6 作者:
来源:
中国风能产业网 阅读次数:
58
风能是最具有开发价值的新能源,风能是分布最广,离我们最近,取用最方便的无污染的清洁能源,用好风电对减少碳排放,改善环境意义重大。
风能也是储量巨大的新能源,风能取之不尽,用之不竭,并具有相对最低的开发成本,所以风电的发展应该作为新能源发展的重点。
我国是一个内陆大国,又是一个海岸线最长的国家,陆地的风速与沿海的风速特点是完全不同的,并且沿海有台风对风电机造成威胁。
所以我们在开发风能的技术上应当有所区别,在风电机的设计上应该体现不同的特点,对于陆地风电机应完全侧重提高微风发电性能,对于沿海风电机应完全侧重较高风速的特点,并且要完全具有抗台风能力。
也就是说风电机的外形和特点是完全不同的,只有这样才能充分提高陆地和沿海在时间最长、最大风速区间的风能利用率,才能保证风电机的发电时间最长,风电的输出量最稳定,风电的发电量最大,才能保证我国风能的充分利用,才能保证我国风电产业健康发展。
所以我们将开发出“陆地微风高效新型风电机”和“沿海抗台风新型高效风电机”。
还有大规模风电场建设也是中国创举,中国特色,面临大规模风电机并网这个世界难题,我们将采取“智能火电厂”作为配套措施,并利用惯性储能装置和电控技术来解决这个世界难题。
(一)陆地微风高效新型风电机
风电开发对我国来说才刚刚起步,风电占全国的用电量还非常小,面对如此巨大的市场,为什么我们的80多家生产企业大部分产能闲置?
为什么会出现严重产能过剩?
有人认为是电网瓶颈的限制,也有大部分人认为是产业发展过快过热造成的。
这些问题与风电产业巨大的发展空间相比,可以说是微不足道的。
目前大家都盯着国家和地方的那点风电项目肯定是不行的,我们应该在风电机的推广普及上寻找“突破口”,我国地域辽阔,急需用电、大量用电的地方很多,任何山区、草原、边防站、海岛、勘探单位、企业厂矿,冶炼单位等,这些地方蕴藏着巨大的开发空间,如果这些市场得到开发,都用上大型风电设备,不但可以使这些企业产能得到释放,还可能会?
?
产能不足的问题。
所以我们要在风电机的普及推广上下功夫,大幅提高风电机微风发电性能,适合在全国各地推广;大幅降低风电机成本,使风电成本小于火电和水电,提高风电的竞争能力。
我国陆地风速较低,有多风地区,但都较偏远,大部分是少风地区,我们要让少风地区也用上风电机,就必须大幅提高微风发电性能。
目前欧美的风电技术都是以海洋性气候发展起来的高风速风电机,陆地使用最大的缺点是发电效率太低,三级风以下基本没有发电能力,设计风速是13~15米/秒,也就是要达到七级大风才能满负荷,这样的大风在陆地很罕见。
还有风电机的高昂成本也不利于风电机推广普及。
提高发电量,降低风电机成本是目前迫切解决的问题。
我国风电产业的“突破口”在于生产开发微风高效的新型风电机,这种风电机性能应当是一、二级风就能启动,三四级风就能很好发电,五级风就可以达到满负荷,适合在全国大部分地区推广使用,具有良好的并网稳定性,风电机成本降低60%以上,基本实现免维护,让人人都敢用,人人都好用,并可以实现在三年内收回投资,风电机优良的发电性能和低成本将为风电产业的发展开辟巨大的空间。
首先各工矿企业都有安装大型风电设备的需求,如果能一次投资,享受二、三十年的收益,安装风电机的积极性肯定非常高,对于大型冶炼单位,一般都有自己的发电厂,如果能够大量利用风电,起到节能减排的作用,对提高企业效益有很大的帮助,低成本的风电肯定会得到大量推广使用,全国的工矿企业蕴藏着巨大的风电市场,这个市场的规模将比国家投资在建的“陆地三峡”大数倍。
我国各地还有无数的火电厂,在电厂周围都可以布满风电机,可以实现风电与火电的互补,并可以随时根据风电调控火电,这对降低火电厂的碳排放是非常有利的,并且投资较小,控制灵活,取得效益显著,这些火电厂周围衍生出来的风电场规模不会小于“陆地三峡”的规模,进一步扩展了风电的发展空间。
我国还有分布在山区的数百个水电站,山顶都有很丰富的风能,由于新型风电机可以实现免维护,并且安装方便,成本和安装费用都较低,不需要太大的投资就可以实现规模化运营。
风电最大的不足就是具有间歇性,而水电最大的优点就是调控方便,风电和水电可以说是一种完美结合,并将成为风电的一种发展方向,又为风电发展开辟巨大的发展空间。
所以,大力发展低成本的适合在全国各地推广的微风高效新型风电机是促进风电产业发展,解决风电产能过剩的“突破口”。
(二)沿海抗台风新型高效风电机
我国有很长的海岸线,沿海蕴藏着非常丰富的风能资源,由于台风对风电机的破坏很大,严重阻碍了沿海风能的开发。
海上风电技术一直都是国外研发的重点,但在抗台风技术上始终没有重大突破,叶片技术和控制技术也没有重大改进,国外在开发海上风能的过程中也遭受了巨大的损失。
虽然台风对风能的开发造成了很大的威胁,但仍不能阻挡人们开发海上风电的热情,现在海上风力发电已经悄然兴起。
中国海上风能资源储量远大于陆地风能,储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW,而且距离电力负荷中心很近。
如果能够得到有效开发,将对我国经济发展提供有力保障,也为节能减排的目标作出贡献。
从理论上讲进口风电机组的运行风速达50~60m/s,12级飓风的平均风速是34m/s,也就是说风电机组可以在任何狂风暴雨中运行,强度还有富余。
但事实却是残酷的,2003年13号台风“杜鹃”,2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场,南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁。
从风电机组控制系统的原理来讲,当风电机处于狂风状态时,可以自动调节风轮叶片自动卸载,使叶片与风向平行,这样叶片受到风的作用力最小,也就抵抗了风的破坏作用。
但风电机在台风中损毁,说明风电机的控制技术还不稳定和可靠,并存在严重缺陷。
现有叶片都非常巨大,大型叶片带来的巨大风载是造成风电机不稳定和强破坏性的罪魁祸首,严重影响了风电机的正常使用,带来高额维护费用也是风电产业无法承受的,特别是沿海风电机会受到台风的严重损毁,造成的损失是巨大的。
还有控制系统的滞后性也是造成沿海风电机在台风中损毁的主要原因。
我们要解决抗台风问题,就必须解决高风载问题和控制系统的滞后性问题。
而现有叶片的高风载是无法改变的,叶片的性能决定了高风载的特性,仅靠改进无法改变高风载特性。
我们现在应该做的就是彻底改变风电机结构,只有改变叶片高风载的破坏力,才能保证风电机的稳定和安全,才能解决风电机的抗台风问题。
还有控制系统的滞后性问题,将控制系统改的更灵敏是不是就可以改变控制滞后的问题?
答案是否定的。
搞风电研
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