垂直軸風力發(fā)電機建設(shè)項目工程技術(shù)方案

1、垂直軸風力發(fā)電機建設(shè)項目工程技術(shù)方案1.1 項目組成1.1.1 項目組成表序號工程類別工程名稱規(guī)模備注1主要生 產(chǎn)工程主車間年產(chǎn)5000套10kw垂直軸風力發(fā) 電機的設(shè)備和主廠房5500 m2新建2輔助生 產(chǎn)工程辦公室2000 m 2新建原料、成品庫23800 m新建3公用 工程供、排水系統(tǒng)水量50 m3/h新建供電系統(tǒng)500KVA變電所新建供熱系統(tǒng)新建4其它工程廠區(qū)外網(wǎng)1.1.2項目組成說明本項目系新建工程，項目新增生產(chǎn)設(shè)施、輔助生產(chǎn)設(shè)施、公用工 程設(shè)施，總建筑面積11300 m2，達到設(shè)計生產(chǎn)能力5000臺套的規(guī)模。1.2 項目產(chǎn)品的主要應用范圍活固葉升阻復合垂直軸風力發(fā)電機是風能轉(zhuǎn)化電能

2、的一種裝置， 主要應用于清潔能源風力發(fā)電場作發(fā)電設(shè)備。 此外，還可用于遠行船、 偏遠地區(qū)農(nóng)牧民、邊遠哨所以及航標燈、路燈、交通公路監(jiān)視等供電。 本項目產(chǎn)品采用的大功率活、固葉升阻復合垂直軸風力發(fā)電機， 其設(shè) 計構(gòu)想具有創(chuàng)新性，升阻復合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢大，啟動風速低，風速4-4.5m/s 即可以起動，風能利用率達到45%可在風紊流區(qū)域、風速風向無規(guī) 則頻繁條件下使用。不僅可突破風機大功率10KW設(shè)計限制，而且還可制成中小功率機型。由于該項目產(chǎn)品在低風速環(huán)境下的優(yōu)秀表現(xiàn)， 包括城市市區(qū)、 內(nèi)地、山區(qū)等廣大地區(qū)都可以應用， 無論是居民用戶、 各類船只、離岸小島等各類民用、 軍用設(shè)施，都可以使用該產(chǎn)品發(fā)電。1

3、.3 項目技術(shù)技術(shù)創(chuàng)新點 產(chǎn)品風車葉片采用垂直軸半活動半固定升阻復合型的風力發(fā)電 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)風力機在啟動過程中或低風速時，以阻力型機制運轉(zhuǎn)，當 風速較大或者風輪轉(zhuǎn)速升高到一定值時， 以升力型機制運轉(zhuǎn)。 對于每 個葉片，在旋轉(zhuǎn)到不同相位時，具有不同的運行機制，在迎風邊，活 動葉片依次處于閉合 -打開- 閉合狀態(tài)，因而葉片的運行機制也相應地 呈升力 -阻力- 升力的周期性變化， 在阻風邊，活動葉片則一直處于閉 合狀態(tài)，此時主要以升力型和減小風阻為主要特征；風車同時采用 H 型垂直軸風車結(jié)構(gòu)， 在迎風面充分利用阻力和升力復合做功，可以 最大限度的捕獲風能、 在圖 1 的背風面從 3 到 5 的位置之

4、間， 還可利 用葉片的阻力做功，也可有效利用風能，而在 5 到 7 位置之間，葉片 的順風擺動，可最大限度地減小風阻，使風能利用率大大增加；采用 獨特的順槳卸荷機構(gòu)， 使風機具有優(yōu)良的抗強風和抗臺風的能力， 特 別是該機構(gòu)在風速減弱時， 葉片具有自動恢復工作位置的功能， 使其 發(fā)電效率更高，更易于維護；項目產(chǎn)品與水平軸風力機相比，風能利 用率提高 5%以上，可達 45%。本項目采用升阻復合結(jié)構(gòu)， 風速 4-4.5m/s 即可以啟動，風速適應范圍廣，可以實現(xiàn)兆瓦級的大功率設(shè)計目標。tiiinitni iitniitmI正輛向佬Pl gM圖1 甲風輪正常風向運轉(zhuǎn)示意圖乙風輪正常風向運轉(zhuǎn)示意圖5.

5、4項目技術(shù)成熟程度本項目產(chǎn)品已經(jīng)研制出模型樣機，經(jīng)哈爾濱工業(yè)大學檢驗測試，主要技術(shù)指標優(yōu)于水平軸風力發(fā)電機和其他垂直軸風力發(fā)電機。 性能 穩(wěn)定，安全可靠。經(jīng)檢測項目產(chǎn)品主要技術(shù)指標達到：額定功率10KW 啟動風速 3m/s、工作風速 4.5-25m/s、額定風速12m/s、最大 風速 v 45-60m/s、風輪直徑5-8m、風輪高度8-10m。1.5主要設(shè)備選擇風力機主要組成部分有：風輪、發(fā)電機、塔架、調(diào)向機構(gòu)、蓄能 系統(tǒng)、逆變器等。(1)風輪是風力機從風中吸收能量的部件，其作用是把空氣流動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪旋轉(zhuǎn)的機械能。 風輪是由8個葉片組成的。葉片 的結(jié)構(gòu)形式多樣，材料因風力機型號和功率大小

6、而定， 如木心外蒙玻 璃鋼葉片、玻璃纖維增強塑料樹脂葉片等。（ 2）發(fā)電機，在風力發(fā)電機中，已采用的發(fā)電機有 3 種，即直 流發(fā)電機、 同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。 小型風力發(fā)電機多采 用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流 電。（3）塔架，塔架用于支撐，發(fā)電機和調(diào)向機構(gòu)等。因風速隨離 地面的高度增加而增加，塔架越高，風輪單位面積捕捉的風能越多， 但造價、安裝費等也隨之加大。（4）調(diào)向機構(gòu)，垂直軸風力機可接受任何方向吹來的風，因此 不需要調(diào)向機構(gòu)。（5）限速機構(gòu)，當風速高于風力機的設(shè)計風速時，為了防止葉 片損壞，需要對風輪轉(zhuǎn)速進行控制。（6）貯能裝置，貯能裝置對獨立運行

7、的小型風力機是十分重要 的。其貯能方式有熱能貯能、化學能貯存。（7）逆變器，用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足交流電氣設(shè) 備用電的要求。2） 大型風力發(fā)電機組由兩大部分組成：氣動機械部分和電氣部 分。氣動機械部分包括風輪、低速軸、增速齒輪箱、高速軸，其功能 是驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，將風能轉(zhuǎn)換為機械能。 電氣部分包括異步發(fā)電機、 電力電子變頻器、 變壓器和電網(wǎng)， 其功能是將機械能轉(zhuǎn)換為頻率恒定 的電能。近年來， 又研制成功了直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電機組（無增 速齒輪箱）。風電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)：風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機是能量轉(zhuǎn)換的核 心部分，風力發(fā)電機系統(tǒng)按照發(fā)電機運行的方式來分主要有恒速恒頻 風力發(fā)電機系統(tǒng)和變

8、速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風力發(fā) 電機系統(tǒng)一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證 發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)通過變槳距控制風輪使整個系統(tǒng)在很大 的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運行，這是當前風力發(fā)電發(fā)展的一個趨 勢。變速系統(tǒng)主要分為同步發(fā)電機系統(tǒng)和異步發(fā)電機系統(tǒng)。其中同步發(fā)電機系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)；異步發(fā)電機系統(tǒng)主要是繞線異步發(fā)電機系統(tǒng)。 永磁同步發(fā)電機是利用永久 磁鐵取代轉(zhuǎn)子勵磁磁場，其結(jié)構(gòu)比較簡單、牢固。永磁同步發(fā)電機變 速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

9、是通過控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機輸出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻恒壓交流電。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：采用電勵磁的同步風力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機定子通過變頻器和電網(wǎng) 相連接，轉(zhuǎn)子采用AC/DC整流裝置給發(fā)電機提供勵磁。發(fā)電機可以采 用變速箱驅(qū)動，也可以使用直接驅(qū)動。電勵磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖:gQ I；丘目前，兆瓦級風力發(fā)電機組普遍采用繞線式異步電機的變速恒頻風力 系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)是采用雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)。 這是一種比較合適 的變速恒頻方案，該結(jié)構(gòu)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器 相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率， 雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回 饋到電機軸或者電網(wǎng)，這是

10、各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的。 該結(jié)構(gòu)適 合于調(diào)速范圍不寬的風力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風力發(fā)電系 統(tǒng)。雙饋異步變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)子變頻器拓撲結(jié)構(gòu)主要可以分為交交變頻器、矩陣變換器和交直交變頻器三大類。交交變頻 器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋電機轉(zhuǎn) 子繞組的變頻器電源，交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/31/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變 頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功 功率處理以及有功功率回饋容易。雖然交交變頻雙饋系統(tǒng)得到了普遍 的應用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄, 使用

11、元件數(shù)量多使之應用受到了一定的限制。 矩陣式變頻器是一種交 交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成 矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)， 輸出由三個電平組成， 諧波含量比較 小; 其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦 負載電壓 ; 矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然 矩陣變換器有很多優(yōu)點， 但是在其換流過程中不允許存在兩個開關(guān)同 時導通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象， 實現(xiàn)起來比較困難。 矩陣變換器最大輸出 電壓能力低， 器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。 應用在 風力發(fā)電中， 由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦， 即無論是負載還是 電源側(cè)的不對稱都會影響到另一側(cè)。 另外，矩陣變換器的輸入端必須 接濾波電容， 雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小， 但由于 它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。目前 利用矩陣變換器的雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)還處于研究開發(fā)階段。 交直 交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種， 由于控制方法和硬件設(shè)計 等各種因素， 電壓型逆變器應用比較廣泛。 傳統(tǒng)的電流型交直交變頻 器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)， 其直流側(cè)電感比較昂貴， 而 且應用于雙饋調(diào)速中， 在過同步速時需要換流電路， 在