■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 孙吾波

1 风轮机等级

由于风轮机功率与风速的3次方成正比，在进行风轮机设计时，首先要考虑的是风力发电设备场址区域的风情、风速。根据IEC（国际电工委员会）的规定，风轮机通常分为5个等级，前面4个等级的参照风速分别为50、42.5、37.5、30 m/s ，年间平均风速分别为10、8.5、7.5、6 m/s ，扰流强度都一样，即0.18（A）类、 0.16（B）类。扰流强度表示平均风速为15 m/s 时的特性值。此外还有第5级，它属于特殊情况，超过了第一级，属于强风地带，如海洋风场，对风轮机强度、耐久性都有很大影响。第 5 级风轮机的参数由设计者根据风情另行规定。

2 风轮机效率

风轮机功率（W）等于风速（m/s ）、转轮旋转圆面积（m2）、空气密度（kg/m3）与输出功率系数C之积。按照柏次（Bet ts）法则和运动量理论求得的输出功率系数C的最大效率为0.593，近年来，由于较高效率叶片的开发、应用，和旋转装置（如齿轮箱、轴承等）损耗的不断减小，风电机组的实际最高效率已经达到0.45。输出功率系数C主要取决于周速比 （即风轮机叶片尖端周速与风速之比值）。当T 接近于6时,C 约为0.593。这是螺旋桨型风轮机的理论效率，其0曲线呈渐开线形。T=6—12时的C趋于饱和，实际上各种风轮机的效率曲线都呈抛物线状。比如2个叶片的螺旋桨型高速风轮机效率最高值为0.45，所对应的T=11。当T＜11或T＞11时，效率都将降低。3叶片的螺旋桨型C=0.47，此时T =5.5。4叶片时，C=0.16，T=2.5。多叶片时，C=0.26，T=6。大容量风力发电设备常常采用群体型规模化风场，单机功率较大、台数较多。在评价效率时就要考虑到风轮机本体后方（下游）风流的扰流损失，这对后面的风轮机效率有影响。此外还要考虑到与电力系统并网以前的输电效率，以及设备内部用电比例。

3 风速的限制

尚未投运的风力发电设备在建设期间就被台风和强风损坏的案例不少。在设计阶段就要考虑到机组应能承受多大风速而不被损坏。通常根据气象台观测数据进行设计，也可向风情预测预警中心咨询。在选择应能承受的最大风速时，必须留有安全余量。由于风力与风速的平方成正比，承受的风速如果选得过高，势必会使成本增加；如果选得过低，又不安全。所以要适当地折中考虑。根据IEC 的规定，风电机组承受的最大风速标准取决于前面提到的5个标准，即1级为70m/s(（50m/s)，2级为59.5m/s(42.50m/s)，3级为52.5m/s(37.5m/s)，4级为42m/s(30m/s)，5级不作规定。而是单独协商解决(上述括号中数据指10min 内的平均风速).现代风电机组通常由计算机控制自动巡行，一旦接近台风，将根据风情自动做出判断、停止运转。此时的切断 风速为20m/s--25m/s，即台风的暴风圈内平均风速。台风过后，机组恢复运行。尽管如此，仍有可能由于强风使树木或其它物品飞来而损坏机组或使电线、通信线中断。所以必须检查和确认台风过后的设备状态。

4 造价与电价

风力发电设备工程项目的建设费用与运输道路、配电线路等有关。如果其他情况不变，单是增加单机容量或增加装机数量从而使事业规模扩大、使风场装机总容量增大，就会降低建设成本。实践证明：当总装机容量为250kW时，建设单价约为4万元/kW ；如果增加装机总容量到3000kW时，则造价降至1.6万元；如再增至20000kW时，造价就降到1.2万元。所以，风电设备正在迅速向大容量化方向发展。

风力发电设备工程的建设费用包括以下项目：（1）风力发电机组（占78%）；（2）电气设备（占12%）；（3）土建工程（占6%）；（4）电力消费（占2%）；（5）工程管理等（占2%）。在上述总费用中，风轮机和发电机所占比重最大。千方百计降低其成本是减少工程造价的重要途径，比如采用高强度玻璃纤维增强塑料、环氧树脂等取代铝合金来制造叶片、取消增速齿轮箱等。降低建设费用的最终目的是为了降低售电价格，以便竞争上网。造价的增加必然导致电价上升，但是还与所选风速有关。当造价相同时，风速的增大可使电价降下来。比如评估的工程造价为12500元/kW, 就应选择风速为6m/s 的地区作为风力发电场地，以便使售电价格不超过7角/kWh ；如果工程造价为19000元/kW，就应选择风速为7m/s 以上的地区作为风力发电场地。

5 机型的对比

从结构型式上看，风轮机主要有水平轴和垂直轴2种。水平轴的有螺旋桨型、多翼型、船帆翼型等；垂直轴的有短而宽翼型、半圆筒型、灯笼型等。古老的荷兰型风轮机有4个大型叶片，多达1万多台，其叶片由木架和布面构成，多数用于排水。陀螺翼型主要用于发电的大中型发电机组。多翼型用于美国中西部牧场扬水，有20枚叶片，转矩大、转速低。船帆翼型用于地中海岛区，布质的叶片翼面，约有6—8枚，直径约4m，用作扬水。短而宽翼型呈半球形，转速和效率都低。半圆筒型有2枚叶片，效率低、转矩大，发展中国家用于扬水和发电。灯笼型叶片呈圆括号形，大的美国应用，小的中国应用。陀螺翼型用于中国。

对于大型风轮机组主要采用螺旋桨型，而且水平轴式多于垂直轴式。从空气动力学角度看，垂直轴式的优点是风轮机性能与高度方向上的各大气层的风向变化无关，机组设置不受高度限制，便于实现设计优化。缺点是塔架容易弯曲，需要加强、增加用料，所以机组高度通常不超过500 m 。加拿大早期投运的 1台大型垂直轴式风轮机组容量为4000kW的转轮直径64m，2个叶片。水平轴式风轮机虽然应用较多，但沿高度方向的风速、风向都不相同，空气动力特性变坏，影响直径的进一步增大。

6 叶片的数目

世界上绝大多数风电机组都采用2个或3个叶片的风轮机。从空气动力学角度来看，2叶片3叶片的风轮机实际上没有太大的区别。只是3叶片的性能要高出2%--3%。然而，3叶片只适用于较低的周速比（T=6），2叶片则适用于较高的周速比（T=11）。应当注意的是：2叶片方案时，相对于旋转平面的各轴线的螺旋桨惯性矩并不相同，由此引起风电机组、设备的附加动态负载，必须采取相宜的附加措施。德国曾经制造并投运了一台640kW的风轮机组，其转轮直径56m，不寻常的采用了1个叶片，那是为了降低成本。因为叶片的造价约为风轮机整机的1/5—1/3。如果将3个叶片的改为2个叶片的，可使成本降低10%--20%。

7 设计的创新

7.1 用户需求。风轮机组结构设计不断追求的技术经济指标是：（1）成本低；（2）可靠性高；（3）寿命长；（4）自动化程度高；（5）维护方便；（6）噪声低；（7）外观美（满足旅游观光在景观方面的要求）；（8）输出功率稳定。然而，当今世界上市场竞争的焦点主要集中在以下2点上：即售电价格要低和运行安全可靠。

7.2 设计创新

近年来出现的一些新型设计很有启发：①空心叶片---外壳是高强度玻璃丝强化塑料，内部填充少量聚胺脂，整个叶片基本上是中空的，使其重量大为减小，而其强度却可承受60m/s以上的强风。②后捋桨叶---其桨叶并非总是与旋转轴线相垂直，强风时可后捋，使其与旋转轴线之间的夹角＜90°。实现自动调节，自我保护。③柔性连接----桨叶与旋转轴的连接类似直升机用的T 型接头，采用柔性连接，可使强风时的受力减少一半。④厚翼桨叶---采用新型厚翼桨叶系列，在风速8时可改善性能70%。⑤取消集电环和电刷----采用分离的变压器来取代事故多发的集电环和电刷装置。⑥取消齿轮箱----采用多极结构的低速发电机实现直接驱动，从而取消噪声和磨损都很大的增速齿轮箱。⑦长寿叶片----采用木材和高强度碳素纤维-环氧树脂 制造的叶片可以延长寿命。⑧自动程控----采用全序自动控制系统，实现完全自动化远行和遥控。⑨叶尖制动----在叶片尖端设置小型辅助叶片作为制动器，并采用电磁原理实现自动控制。强风时自动打开发挥制动作用；强风过后能够自动折叠、恢复与主叶片重合、停止制动作用，风轮机继续运行。⑩扩散增速----普通风轮机只能利用风速的60%，而采用扩散式增速装置，可使转轮背面的低压区产生空吸效应，从而使风速加倍。（11）含铁水泥----对高强度的含铝或含铁的水泥进行了评价，结果表明：含铁时的抗弯强度是中碳钢的3倍，可用来制作扩散式增速装置。（12）取消连轴节---采用可使气流通过轮毂的结构，可以取消效率低、成本高的叶片根部连轴节，缓和了作用到叶片上的重力和离心力。（13）优化翼型----普通风轮机只能扑捉25%～40%的风能，叶片翼型经过优化设计以后，风轮机的效率高达43%～45%，可多扑80%的风能。（14）变频调速---与普通风轮机相比，实现变频调速后的风电机组，当平均风速为6 -7m/s时，其风轮 机的扑风 能力可提高20%。（15）化解冰雪---叶片表面涂以黑色来化解冰雪，以免降低工作效率。

8 结语

国内外的经验教训表明：成功的风力发电设备的开发应用必须重视实践经验， “天有不测风云”这个因素的影响很重大，要因地制宜地自主创新品牌，才能在市场竞争中取胜。