風力發電機

風力發電機 班級:夜四技電機四甲學號:99920024 姓名:殷偉銓老師: 凌拯民

目錄 • 簡述 • 歷史 • 類型-水平軸風力發電機 • 類型-垂直軸風力發電機 • 風機組成簡介 • 碳纖維在風力發電機葉片中的應用 • 碳纖維在風葉片中應用的主要部位 • 碳纖維的應用優勢 • 碳纖維應用的主要問題 • 資料來源

目錄簡述 • 風力發電機(Wind turbine) 簡稱風機或風力機，將氣流的動能轉為機械能並且帶動發電機用來發電，是構成風力發電場的必要條件之一。 • 一般來說風力發電機分為海上風力發電機與陸上風力發電機 1

目錄歷史 • 風力發電機是現代科學技術的產物，利用自然風能將氣流的動能轉為機械能，並連接和帶動發電機運轉用來發電的一種發電設備。 • 人類最早在19世紀末的歐洲就已經開始嘗試利用風力發電。 • 20世紀三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研製了一些小型風力發電裝置。 • 最早利用風力來發電的嘗試起源於丹麥設計的垂直軸風力發電機，水平軸風力發電機最早也出現在歐洲。 1

目錄類型-水平軸風力發電機 1

目錄類型-垂直軸風力發電機 1

目錄風機組成簡介 • 8.電子控制器液壓系統 • 10.冷卻系統 • 11.支撐塔底座 • 13.風速計及風向標變壓器 • 15.電網 • 1.機艙 • 2.轉子葉片 • 3.低速軸軸心 • 4.齒輪箱高速軸及其機械閘 • 5.發電機 • 6.偏航裝置 3

目錄回簡介機艙 • 機艙為著風電機的關鍵設備其中包含，齒輪箱與發電機。機艙前端是風電機轉子，即轉子葉片和軸。維護人員可以通過風電機塔進入機艙。 3 4

目錄回簡介轉子葉片 • 捉獲風，並將風力傳送到轉子軸心。在600千瓦級別的風電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20米；而在5兆瓦級別的風電機上，葉片長度可以達到近60米。 • 葉片的設計很類似飛機的機翼，製造材料卻大不相同，多採用纖維而不是輕型合金。 • 轉子葉片設計師通常將葉片最遠端的部分的橫切面設計得類似於正統飛機的機翼。但是葉片內端的厚輪廓，通常是專門為風電機設計的。 • 轉子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠的運轉與延時特性。示意圖 3

目錄回簡介返回轉子葉片 4

目錄回簡介低速軸與軸心 • 軸心：轉子軸心附著在風電機的低速軸上。 • 低速軸：風電機的低速軸將轉子軸心與變速齒輪箱連接在一起。在一般的風電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用於液壓系統的導管，來激發空氣動力閘的運行。 3

目錄回簡介齒輪箱與高速軸及其機械閘 • 齒輪箱：齒輪箱連接低速軸和高速軸的變速裝置，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。 • 高速軸及其機械閘：高速軸以超過1500轉/分鐘運轉，並驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用於空氣動力閘失效時，或風電機被維修時。 3

目錄回簡介發電機 • 風電機發電機將機械能轉化為電能。風電機上的發電機與普通電網上的發電設備相比，有所不同：風電機發電機需要在波動的機械能條件下運轉。通常使用的風電機發電機是感應電機或非同步發電機，最新的風電機已經開始使用永磁同步發電機。目前世界上單機最大電力輸出超過6000千瓦點此觀看示意圖 3

目錄回簡介偏航裝置 • 借助電動機轉動機艙，以使轉子葉片調整風向的最佳切入角度。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來探知風向。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉幾度。值得注意的是，小功率級別的風電機都是通過統一的偏航裝置調整所有葉片的角度，而最新的風電機大都是每個葉片設置單獨的偏航系統。點此觀看示意圖 3

目錄回簡介返回偏航裝置說明返回發電機說明 5

目錄回簡介電子控制器與液壓系統 • 電子控制器：一般都使用一台或多台不斷監控風電機狀態的電腦，用於控制偏航裝置。一旦風電機發生故障（即齒輪箱或發電機的過熱），該控制器可以自動停止風電機的轉動，並通過網路信號通知風電機管理中心。 • 液壓系統：用於重置風電機的空氣動力閘。 3

目錄回簡介冷卻系統 • 發電機在運轉時需要冷卻。在大部分風電機上，發電機被放置在管內，並使用大型風扇來空冷，除此之外還需要一個油冷卻元件，用於冷卻齒輪箱內的油；還有一部分製造商採用水冷。水冷發電機更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機艙內設置散熱器，來消除液體冷卻系統產生的熱量。一些新型風電機也採用水冷和風冷並用系統。南京航空航太大學研發:蒸發迴圈冷卻技術 3

目錄回簡介返回冷卻系統 6

目錄回簡介支撐塔與底座 • 支撐塔：風電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地面越高，風速越大。600千瓦風電機的塔高為40至60米，5兆瓦級別的塔高則超過100米。根據底座的不同，支撐塔可以為管狀，也可以是格子狀。管狀的塔對於維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優點在於它重量輕，技術相對成熟（與海上石油鑽井台原理相同）。 • 底座：早期小功率的風電機底座是包含在支撐塔內的，隨著風電機單機功率越來越大，支撐塔也越來越高，對支撐塔底部的力學要求也越來越多，越來越複雜，所以目前的技術發展趨勢是將底座從支撐塔中分離出來單獨製造。目前現有的底座結構包括直杆式、三腳架和格狀底座。 3 4

目錄回簡介風速計及風向標與變壓器 • 風速計及風向標：用於測量風速及風向。 • 變壓器：小型風電機（100-150千瓦）通常產生690伏特的三相交流電。然後電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內），電壓被提高至一萬至三萬伏，這取決於當地電網的標準。大的製造商可以提供50赫茲風電機類型（用於世界大部分的電網），或60赫茲類型（用於美國電網）。 3

目錄回簡介電網 • 電網：風電機可以使用同步或非同步發電機，並直接或非直接地將發電機連接在電網上。直接電網連接指的是將發電機直接連接在交流電網上。非直接電網連接指的是，風電機的電流通過一系列電力設備，經調節與電網匹配。採用非同步發電機，這個調節過程自動完成。 3

目錄碳纖維在風力發電機葉片中的應用 • 當葉片長度增加時，重量的增加要快於能量的提取，因為重量的增加和風葉長度的立方成正比，而風機產生的電能和風葉長度的平方成正比。同時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，玻璃纖維在大型複合材料葉片製造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，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，有效的辦法是採用碳纖維增強。國外專家認為，由於現有材料性不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維複合材料性能已經趨於極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉于葉片時，採用懺能更好的碳纖維複合材料是勢在必行。根據國外有關資料報導，當風力機超過3MW、葉片長度超過40米時，在葉片製造時採用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸後，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。 2

目錄碳纖維在風葉片中應用的主要部位 • 由於碳纖維比玻纖昂貴，採用百分之百的碳纖維製造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關鍵的部分。碳纖維在葉片中應用的主要部位有： • (1).橫樑(Spar)，尤其是橫樑蓋(Spar Caps)。 • (2).前後邊緣，除了提高剛度和降低品質外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷(專利US6457943BI)。 • (3)葉片的表面，採用具有高強度特性的碳纖維片材(日本專利JP2003214322)。 2

目錄碳纖維的應用優勢 • (1)提高葉片剛度，減輕葉片重量 • 碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片採用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120米的風機的葉片，由於梁的品質超過葉片總品質的一半，梁結構採用碳纖維，和採用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維複合材料葉片剛度是玻璃纖維複合材料葉片的兩倍。據分析，採用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20%～30%。 • Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發電機的葉片長44m，採用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片品質與該公司V80 2 MW發電機且為39米長的葉片品質相同。同樣是34m長的葉片，採用玻璃纖維增強聚脂樹脂時品質5800kg，採用玻璃纖維增強環氧樹脂時品質5200kg，而採用碳纖維增強環氧樹脂時品質只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片品質比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。 2

目錄碳纖維的應用優勢 • (2)提高葉片抗疲勞性能 • 風機總是處在條件惡劣的環境中，並且24小時的處於工作狀態。這就使材料易於受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。 2

目錄碳纖維的應用優勢 • (3)使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率 • 使用碳纖維後，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。 • (4)可製造低風速葉片 • 碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而製造適合於低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。 2

目錄碳纖維的應用優勢 • (5)可製造自我調整葉片 • 葉片裝在發電機的輪輪上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機(active utility-size wind turhines)的設計風速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自我調整的各向異性葉片可説明斜度控用系統(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自我調整葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，採用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少暫態負載。美國Sandia National Laboratories致力於自我調整葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風能從每KWh 5美分降到4.9分，價格可和燃料發電相比。 2

目錄碳纖維的應用優勢 • (6)利用導電性能避免雷擊 • 利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。 • (7)降低風力機葉片的製造和運輸成本 • 由於減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，製造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。 (8)具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔 2

目錄碳纖維應用的主要問題 • (1)碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過程中，價格是主要障礙，另外，性價比影響了它在風力發電上的大範圍應用。必須當葉片超過一定尺寸後，因為材料用量下降，才能比玻纖葉片便宜。目前採用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是採用從瀝青製造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到5美元/磅的心理價位。 2

目錄碳纖維應用的主要問題 • (2)CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨於疲勞，但是研究表明，只要注意生產品質的控制以及材料和結構的幾何條件，就可足以保證長期的耐疲勞。 • (3)直徑較小的碳纖維表面積較大，複合材料成型加工浸潤比較困難。由於碳纖維叫、片一般采川環氧樹脂製造，要通過降低環氧樹脂製造的熟度而不降低它的力學性能是比較困難的，這也是一些廠家採用預浸料工藝的原因。此外碳纖維複合材料的性能受工藝眼影響敏感(如鋪層方向)，對工藝要求較高。 • (4)碳纖維複合材料透明性差，難以進行內部檢查。 2

目錄 • 1.維基百科-http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA • 2. 綠能趨勢網Energy-Trend-碳纖維在風力發電機葉片中的應用 http://www.energytrend.com.tw/knowledge/20120926-4941.html • 3. 綠能趨勢網Energy-Trend-風機各部分組成簡介http://www.energytrend.com.tw/knowledge/20120629-4248.html • 4.上課資料-風力發電-陳建富 • 5.上課資料- 風力發電產業發展現況與趨勢-南台科大20131205_(公開版) • 6.上海情報服務台-風力發電設備冷卻技術及其專利介紹３：新型冷卻技術http://www.libnet.sh.cn:82/gate/big5/www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=5054

風力發電機

風力發電機

Presentation Transcript