风力发电机标准IEC中文版
IEC61400-1第三版本2005-08
风机-第一分项：设计要求
1.术语和定义
1.1声的基准风速acoustic reference wind speed
标准状态下（指在10m高处，粗糙长度等于0.05m时），8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注：测声参考风速以m/s表示。
1.2年平均annual average
数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值，用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年，以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。
V annual average wind speed
1.3年平均风速
ave
基于年平均定义的平均风速。
1.4年发电量annual energy production
利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。
1.5视在声功率级apparent sound power level
在测声参考风速下，被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW点辐射源的A—计权声级功率级。注：视在声功率级通常以分贝表示。
1.6自动重合闸周期auto-reclosing cycle
电路发生故障后，断路器跳闸，在自动控制的作用下，断路器自动合闸，线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。
1.7可利用率（风机）availability
在某一期间内，除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值，用百分比表示。
1.8锁定（风机）blocking
利用机械销或其它装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮轴或偏航机构运动，一旦锁定发生后，就不能被意外释放。
1.9制动器（风机）brake
指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注：刹车装置利用气动，机械或电动原理来控制。
1.10严重故障（风机）catastrophic failure
零件或部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受到威胁。
1.11特征值characteristic value
在给定概率下不能达到的值（如超越概率，超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率）。
1.12复杂地形complex terrain
指地貌显著变化和充满障碍物的地形，往往会存在气流畸变现象。
1.13控制系统（风机）control system
接受风机信息或环境信息，调节风机，使其保持在工作要求范围内的系统。
V cut-in wind speed
1.14切入风速
in
没有湍流时，风力发电机组开始输出有用功率时，在轮毂高度处的最小风速。。
V cut-out wind speed
1.15切出风速
out
没有湍流时，设计时规定的风力发电机组输出有用功率时，在轮毂高度处的最大风速。
1.16数据组（用于功率特性测试）data set
在规定的连续时段内采集的数据的集合。
1.17设计极限design limits
在设计中用到的最大或者最小值。
1.18设计工况design situation
风力发电机组可能发生的运行模式，例如发电、停机等。
1.19指向性（风机）directivity
在风力机下风向与风轮中心等距离的各不同测量位置上测得的A—计权声压级间的不同。注：指向性以分贝表示；测量位置由相关标准确定。
1.20距离常数distance constant
风速仪的时间响应指标。在阶梯变化的风速中，当风速仪的指示值达到稳定值的63%时，通过风速仪的气流行程长度。
1.21日变化diurnal variations
以日为基数发生的变化。
1.22潜伏故障dormant failure
正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。
1.23下风向downwind
与主要风向一致的方向。
1.24电网electrical power network
指由发电、输电系统形成的网络。
1.25应急关机（风机）emergency shutdown
在保护系统或者人工干预下，风机立即停止运转。
1.26环境条件environmental conditions
指会影响风机运行的环境特性，如风、高度、温度和湿度等。
1.27外部条件external conditions
指会影响风机工作的诸因素，包括风况、其它气候因素（雪，冰等），地震和电网条件。
1.28外推功率曲线extrapolated power curve
由于在实际测试中，切出风速很少有测得，故用预测的方法对测量功率曲线在测量到的最大风速到切出风速之间的延伸。
1.29极端风速extreme wind speed
t秒内平均最高风速。它往往是特定周期（重现期）T年一遇的。重现期T=50年和T=1年，相应的时间为t=3s和t=10min。
1.30故障安全fail-safe
当系统出现故障时，其后果不危及系统的安全或者后果不引起严重故障。
1.31气流畸变flow distortion
由障碍物、地形变化或其它风力机引起的气流改变，其结果是相对自由流产生了偏离，造成一定程度的风速测量误差。
1.32自由流风速free stream wind speed
常指轮毂高度处，未被扰动的自然空气流动速度。
1.33掠射角grazing angle
麦克风盘面与麦克风到风轮中心连线间的夹角。注：拒用“入射角”这一术语；掠射角以度表示。
1.34阵风gust
指风速的瞬间变化。可用形成时间，强弱和持续时间来表示其特性。
1.35水平轴风力机horizontal axis wind turbine
风轮轴基本上平行于风向的风力机。
1.36轮毂hub
将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。
1.37轮毂高度hub height
从地面到风轮扫掠面中心的高度，对垂直轴风力机是赤道平面高处。
1.38空转idling
风力机缓慢旋转但不发电的状态。
1.39惯性负区inertial sub-range
风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失乎略不计。注：在10m/s风速时，惯性负区的频率大致在0.02Hz ~2kHz之间。
1.40互联（风力发电机组）interconnection
风力发电机组与电网之间的电力联接，从而电能可从风机输送给电网。
1.41潜伏故障latent fault
正常工作未被发现的零部件或系统故障。
1.42极限状态limit state
构件的一种受力状态，如果作用其上的力超出这一状态，则构件不再满足设计要求。
1.43载荷情况load case
结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。
1.44对数风切变律logarithmic wind shear law
1.45最大功率maximum power
正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。
1.46平均风速mean wind speed
在一段时间内，测得的风速瞬间值的统计平均值。时间段从几秒到数年不等。
1.47测试周期measurement period
收集功率特性试验中具有统计意义的基本数据的时段。
1.48测量功率曲线measured power curve
用正确的方法测得并经修正或标准化处理后的风力发电机组净电功率输出的图和表。它是经测试获得的风速的函数。
1.49测量扇区measurement sector
测取测量功率曲线所需数据的风向扇区。
1.50分组方法method of bins
将实验数据按风速间隔分组的数据处理方法。
1.51机舱nacelle
位于水平轴风机的塔架顶部，包含传动链和其他部件的箱体。
1.52净电功率输出net electric power output
风力发电机组输送给电网的电功率值。
1.53电网联接点（风机）network connection point
对单台风力发电机组是输出电缆终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点。
1.54电网损失network loss
1.55正常关机normal shutdown
全过程都是在控制系统作用下的关机。
1.56障碍物obstacles
邻近风力发电机组的，并能引起气流畸变的固定物体，如建筑物、树林等。
1.57运行极限operating limits
1.58停机的风机parked wind turbine
指静止的风机或者空转的风机，这依据风机的具体设计而定。
1.59桨距角pitch angle
在指定的叶片径向位置（通常为100%叶片半径处，即叶尖）叶片弦线与风轮旋转面间的夹角。
1.60电力汇集系统（风机）power collection system
指从一个或多个风机中汇集电能的电力系统。它包括了在电网联接点和风机终端之间相连的所有的电力设备。用于汇集风力发电机组电能并输送给电网升压变压器或电负荷的电力联接系统。
1.61功率系数power coefficient
净电功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比。
1.62风切变幂定律power law for wind shear
表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。
1.63输出功率power output
以特定的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率
1.64功率特性power performance
风力发电机组的发电能力的相关特性。
1.65风机保护系统protection system
确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。注：在产生矛盾时，保护系统优先于控制系统。
1.66额定功率rated power
正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。
V rated wind speed
1.67额定风速
r
指在风场稳态下，风机达到额定功率时，位于轮毂处的最小风速。
1.68瑞利分布Rayleigh distribution
经常用于风速的概率分布函数。
1.69基准距离reference distance
从风力发电机组基础中心到指定的各麦克风位置中心的水平公称距离。注：基准距离以米表示。
1.70基准高度reference height
用于转换风速到标准状态的约定高度。注:参考高度定为10m。
1.71基准粗糙长度reference roughness length
用于转换风速到标准状态的粗糙长度。注：基准粗糙长度定为0.05m。
V reference wind speed
1.72参考风速
ref
它是用来定义风机等级的基本参数。从参考风速可推得与气候有关的设计参数和其他的基本风机等级参数，详细见条例6。注：在设计风机中，我们选定某个风机等级后，就会有相应的参考风速与之对应。则设计的风机必须能抵抗在轮毂处小于或等于的参考风速。该参考风速一般指50年一遇的极端风速，该极端风速是在10min内的统计上的平均风速。
1.73旋转采用风矢量rotationally sampled wind velocity
旋转风轮上某固定点经受的风矢量。注:旋转采样风矢量湍流谱与正常湍流谱明显不同。风轮旋转时，叶片切入气流，湍流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的湍流谱变化和由此产生的谐量。
1.74风轮转速rotor speed
风力机风轮绕其轴的旋转速度。
z roughness length
1.75粗糙长度
在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下，平均风速变为0时算出的高度。
1.76定期保养scheduled maintenance
依据制定的时间表的预防性保养。
1.77使用极限状态serviceability limit states
正常使用要求的边界条件。
1.78现场数据site data
风力机现场的环境，地震，土壤和电气网络数据。现场数据必须是10分钟的统计样本，除非另有说明。
1.79风场电气设备site electrical facilities
风力发电机组电网联接点与电网间所有相关电气设备。
1.80声压级sound pressure level
声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，以分贝计。注:对风力发电机组，基准声压为20μPa。
1.81标准风速standardized wind speed
利用对数风廓线转换到标准状态（处于10m高，粗糙长度为0.05m的情况）的风速。1.82静止standstill
风力发电机组的停止状态
1.83支撑结构support structure
由塔架和基础组成的风力机部件。
1.84安全风速（该名称不能被使用）survival wind speed
结构所能承受的最大设计风速的俗称。注:IEC 61400系列标准中不采用这一术语。设计时可参考极端风速。
1.85扫掠面积swept area
垂直于风矢量平面上的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。
1.86试验场地test site
风力发电机组试验地点及周围环境。
1.87音值tonality
音值与靠近该音值临界波段的遮蔽噪音级间的区别。注：音值以分贝表示。
1.88 湍流强度I turbulence intensity
标准风速偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。 1.89 湍流尺度参数1Λ turbulence scale parameter
纵向功率谱密度等于0.05时的波长。注：纵向功率谱密度是个无量纲的数。
01/f V hub =Λ，其中()05.0/21010=σf S f 。
1.90 湍流标准差1σ turbulence standard deviation
在轮毂高度处，湍流风速纵向分量的标准差。 1.91 最大极限状态 ultimate limit state
与损坏危险和可能造成损坏的误差或变形对应的极限状态。 1.92 测量误差 uncertainty in measurement
测量所得的值与被测事物的真实值之间的差异。 1.93 不定期保养 unscheduled maintenance
收到有关一个项目状态的指示后，对其进行保养，该保养不是依据制定的时间表进行的。 1.94 上风向 upwind
与主风向相反的方向。
1.95 垂直轴风力机 vertical axis wind turbine
风轮轴垂直的风力机。
1.96 威布尔分布W P Weibull distribution
经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于两个参数，控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。瑞利分布是威布尔分布的一种特殊形式，当形状参数为2时，威布尔分布即为瑞利分布。 1.97 声级 sound level
已知声压与20μPa 基准声压比值的对数。声压是在标准计权频率和标准计权指数时获得。注：声级单位为分贝，它等于上述比值以10为底对数的20倍。 1.98 风障 wind break
相互距离小于3倍高度的一些高低不平的自然环境。 1.99 风电场 wind farm
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.100
风电场 wind power station
由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.101
风廓线-风切变律 wind profile-wind shear law
风速随地面高度变化的曲线称为风廓线，变化规律称为风切变律。注：常用的风廓线数学表达式为对数形式（式1）或者指数形式（式2）。
()()??
? ???
?? ??=00ln ln z z z z z V z V r r
（1）
()()α
?
???
??=r r z z z V z V
（2）
其中：
()z V
在高度z 处的风速； z 距离地面的高度；
z r 距离地面的参考高度，用于拟合风廓线； z 0
粗糙长度； α
风切变指数。 1.102
风速 wind speed
空间某点的风速是指改点周围气体微团的移动速度的数值。注：风速是风矢量的数值。 1.103
风速分布 wind speed distribution
用于描述连续时间内风速概率分布的分布函数。注：常用瑞利分布()0V P R 和威布尔分布()0V P W 。 ()()[]
2
002exp 1ave
R V V V P π--= （3）
()()[]
k
R C V V P 00exp 1--=
（4）
瑞利分布()0V P R 和威布尔分布()0V P W 的ave V 的表达式各自为： ??
?
??+Γ=k C V ave 11
（5） 2/πC V ave =
（6）
其中：
()0V P 累计概率函数，即0V V ≤的概率为()0V P ;
0V 风速；
0V
该分布的平均风速，即均值； C 威布尔分布的尺度参数； K
威布尔分布的形状参数； Γ
伽马函数。 1.104
风切变 wind shear
风速在垂直于风向平面内的变化。
1.105风切变指数 wind shear exponent
通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。见1.101。
1.106风力机发电系统wind turbine generator system
1.107风机地址wind turbine site
1.108风矢量wind velocity
标有被研究点周围气体微团运动方向，其值等于该气体微团运动速度大小。
1.109风机电力系统wind turbine electrical system
1.110风机终端wind turbine terminals
用于传输电能，风机与电力汇集系统相连的点。同时，也包括信息的传输点。
1.111偏航yawing
风轮轴绕绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。
1.112偏航误差yaw misalignment
水平轴风机转轴与风速方向的水平偏差。
2外部条件
2.1概述
在风机设计过程中，本条例给出的外部条件必须被考虑。环境和电力条件都会对风机的载荷、耐久性和运行产生影响。为了保证合适的安全和可靠性，在风机设计中必须考虑环境、电力和土壤条件，并在设计文件中详细描述。环境条件被分成风况和其他的环境条件两部分。电力条件是指电网条件，而土壤条件在风机的基体设计中才涉及到。同时，外部条件被分成正常和极端部分。正常的外部条件一般只要考虑常见的结构载荷条件，而极端外部条件是指不常见的外部设计条件。设计载荷情况必须包括这些潜在的，严重的极端外部条件和正常外部设计条件。风况是影响风机结构完好性的主要外部条件。当然，其他的外部条件也会对其产生影响，如：腐蚀等。在以下的子条例中，给出了在风机设计应考虑的正常和极端条件。
2.2风机等级
在风机设计中，必需要考虑安装地点的风速情况。对于不同的安装地点，风机尺寸等参数是不同的。考虑到风速特性的地区差异性，IEC国际标准给出了四个风机等级，这四个风机等级是依据风速和湍流密度来划分的。这里给出的风速和湍流强度的参数可代表多数地区的风况，当然，它并不能很精确的反映任何安装地点的风况。表1给出了用于划分风机等级的基本参数。其中，S等级在特殊的风况下(如暴风带，海上区域等)或特殊安全等级下使用。
表1 风机等级
在表1中，所以的参数都是基于轮毂高度处而言的，其中： ref V
指10min 参考平均风速； A 表征高的湍流特性范畴； B 表征适中的湍流特性范畴； C
表征低的湍流特性范畴；
ref I
s m /15平均风速时，湍流密度均值。
在风机设计过程中，除了以上这些基本参数外，还需要其他重要的参数才能完整定义外部风况，其他的参数将在2.3、2.4和2.6中给出。我们将处于从A I 到C III 等级的风机称之为标准风机等级。
对于从A I 到C III 等级的风机，规定其设计寿命至少达20年。
对于S 等级的风机，制造商必须给出用于设计风机的详细设计参数的文件，文件需要的信息在附件A 中给出。 2.3 风况
设计的风机应能安全承受与选定的风机等级相对应的风况。 在设计文档中应详细给出风况的设计值。
出于载荷计算和风机安全的考虑，将风域划分为正常风况和极端风况，正常风况在风机运行期间是时常发生的，极端风况是指50一遇或一年一遇的情况。
在多数情况中，风况包含带有阵风的风廓线或湍流的恒定平均风速。在所有情况中，当平均风速方向与水平面的夹角出?8时，必须要考虑该影响。该夹角沿高度方向是变化的。
“湍流”用于表征10min 内平均风速的随机变动。湍流模型必须考虑到风速变化、风切变和允许的旋转采样的影响。湍流风速的三个分量为：纵向，与平均风矢量方向一致；横向，位于水平面并与纵向垂直；上向，与纵向和横向都各自垂直的方向。
对于标准风机等级，湍流模型的随机风速场必须满足以下条件：
a) 湍流标准差，1σ，其值有以下子条例给出，认为是不随高度而变化的，而横向和上向
湍流标准差的最小值应满足以下关系式，实际取值由所有的湍流模型和下面b ）规定的条件共同决定。 横向
127.0σσ≥
上向
135.0σσ≥
b) 位于轮毂高度z 处的纵向湍流尺度参数1Λ为：
?
?
?≤≤=Λm z m m
z z 6042607.01 （7）
由于惯性负区的频率变大了，三个正交的功率谱密度()()()f S f S f S 321,,应渐进地满足以下等式： ()()
3/53
/2121105.0--Λ=f V f S hub σ
（8）
()()()f S f S f S 1323
4
=
= （9）
c) 为了一致性，应使用公认的模型。该模型利用自动频谱对位于与纵向方向垂直平面内的
空间离散点处的纵向风速的协谱幅值进行划分而得到的。
我们推荐采用满足以上要求的曼恩均匀切变湍流模型，具体在附件B 中给出。在附件B 中也给出了另一个常用的模型。对于其他的湍流模型必须谨慎使用，因它会对载荷产生重大影响。 2.3.1正常风况 2.3.1.1 风速分布函数
在风机设计中，风速分布起着重要影响。它决定了在正常设计工况时单个载荷情况发生的频率。位于轮毂高度处，以10min 为周期的平均风速被认为是服从瑞利分布的。瑞利分布为
()()[]
2
2exp 1ave hub hub R V V V P π--=
（10）
其中，对于标准风机等级，ave V 应为
ref ave V V 2.0=
（11）
2.3.1.2 正常风廓线模型（NWP ）
风速随地方高度变化的曲线称为风廓线，风廓线模型()z V ，用于表示平均风速随距离地面高度z 变化的函数。对应标准风机等级，正常的风廓线可由幂函数给出
()()α
hub hub z z V z V /=
（12）
其中，幂指数2.0=α。 2.3.1.3 正常湍流模型（NTW ）
对于正常的湍流模型，位于轮毂高度处，湍流标准差值应取90%的分位数。湍流标准差为：
()s m b b V I hub ref /6.5 75.01=+=σ
（13）
图1a 和1b 给出了，不同标准风机等级下，正常湍流模型的湍流标准差1σ和湍流强度hub
V /1σ
随轮毂风速的曲线图。
2.3.2极端风况
极端风况指风切变和由于暴风引起的峰值风速，风速及风向的快速变化等事件。
2.3.2.1极端风速模型（EWM）
极端风速模型可以是稳态模型或湍流模型。极端风速模型应基于参考风速
ref
V和给定的
湍流标准差
1
σ进行选择。
当为稳态极端风速模型时，50年一遇的，10min内的极端平均风速
50
e
V和一年一遇的，
10min内的极端平均风速
1e
V随高度z的函数形式为：
()11.0
50
/
4.1
hub
ref
e
z
z
V
V=（14）
()z
V
V
e
e50
1
8.0
=（15）
对于稳态的极端风模型，允许风速在短期内和平均风向发生偏离，但在此期间内偏航误差角度必须保证在?
±15以内，而且是恒定的。
当为湍流的极端风速模型时，50年一遇的，10min内的极端平均风速
50
e
V和一年一遇的，
10min内的极端平均风速
1e
V随高度z的函数形式为：
()()11.0
50hub
ref
z
z
V
z
V=（16）
()
50
1
8.0V
z
V=（17）
纵向的湍流标准差为：
hub
V
11
.0
1
=
σ（18）2.3.2.2运行过程中的极端阵风（EOG）
对于标准等级风机，在轮毂处的阵风的幅值由下式给出
()
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Λ
+
-
=
1
1
11.0
1
3.3
;
35
.1
D
V
V
Min
V
hub
e
gust
σ
（19）
其中
1
σ由等式13给出；
1Λ
同等式7，即为湍流尺度参数； D
风轮直径
风速由以下定义式给出：
()()()()()()其他T
t z V T t T t V z V t z V gust ≤≤??
?--=0/2cos 1/3sin 37.0,ππ（20）
其中，()z V 参见式12；s T 5.10=。
图2给出了，当s m V hub /25=，风机等级为A I ，D=42m 时，运行过程中的极端阵风。
2.3.2.3 极端湍流模型（ETM ）
极端湍流模型应使用2.3.1.2条例给出的正常风廓线模型，并且极端湍流模型在纵向方向上的湍流标准差为
s m c c V c V cI hub ave ref /2;1043072.01=???
? ?
?
+???
??-???
??+=σ （21）
2.3.2.4 极端风向变化（EDC ）
极端风向变化的幅度e θ可由以下关系式求得：
?
???
??
?
???? ????? ??Λ+±=111.01arctan 4D V hub e σθ （22）
其中
1σ
由等式13给出；
1Λ
同等式7，即为湍流尺度参数； D
风轮直径；
e θ
必须在?±180区间内。
极端风向随时间的函数()t θ为
()()()T t T t T t t e
e >≤≤???-±=0/cos 15.0θπθθ
（23）
其中T=6s ，是风向改变的持续时间；正负号应按最坏风载选取。风向改变结束后，风向就被认为保持不变了。风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。
图3和4给出了D=42m ，m z hub 30=，湍流范畴为A 时的风向变化幅值随风速的曲线图和风向变化随时间的曲线图。
2.3.2.5 伴随风向改变的极端连续阵风（ECD ）
伴随风向改变的极端连续阵风的幅值cg V 为
s m V cg /15=
（24）
风速为
()()()()()()T t T t t V z V T t V z V z V t z V cg
cg ≥≤≤≤???
??+-+=00/cos 15.0,π
（25）
其中：T=10s 是形成时间，风速仍使用2.3.1.2条例中的正常风廓线模型。图5给出了，当
s m V hub /25=时，极端连续阵风的风速形成示意图。
在风速形成的同时，风向角度θ在0°到cg θ之间变化，其中cg θ定义式为
ref
hub hub hub cg V V s m V
s
m <
?
??=/4/720θ
（26）
同时，风向与时间的函数为
()()()T t T t t T t t cg
cg >≤≤
??±-±?=00/cos 15.00θπθθ
（27）
其中形成时间T=10s 。
图6和7给出了风向变化幅值cg θ随hub V 的曲线和s m V hub /25=时，风向变形幅值随时间的曲线。
2.3.2.6 极端风切变（EWS ）
极端风切变的风速瞬态值由以下等式给出。瞬态垂直切变：
()()()其他T t z z V T t D D z z z z V t z V hub hub hub hub hub ≤≤????????
????
? ??-???? ?????? ??Λ+??? ??-±???? ??=0/2cos 12.05.2,4/111ααπβσ（28） 瞬态水平切变：
()()()其他T t z z V T t D D y z z V t z y V hub hub hub hub ≤≤????????
????
? ??-???? ?
????? ??Λ+??? ??±???? ??=0/2cos 12.05.2,,4/111ααπβσ（29） 其中（对以上两式都适用）
s m T /12;4.6;2.0===βα；
1σ
由等式13给出；
1Λ
同等式7，即为湍流尺度参数；
D 风轮直径；
正负号按最坏瞬态载荷选取。以上两式不能同时使用。
图8给出了，当湍流范畴为A ，m z hub 30=，m V hub 25=，m D 42=时，初始时刻和
最大切变发生时()s t 6=的风廓线。图9给出了，如图8条件下，风轮上下端处的风速分布，用于说明风切变的时间过程。
3
结构设计
3.1 概述
必须风机的承载组件的完整性进行验证，同时，必须保证一个可接受的安全水平。结构组件的强度极限和疲劳强度可利用计算或者实验来证明，证明其在适合的安全水平下具有结构完整性。结构分析应基于ISO2394标准。
计算必须是采用合适的方法。在设计文件中必须对计算方法进行描述。同时，包括计算方法是有效的相关证明。任何用于强度验证的载荷水平应符合安全系数，该安全系数由3.6条例中的载荷特征值决定。 3.2 设计方法学
必须对极限状态有没有超出风机设计给定的进行验证。在对结构设计验证过程中，模型测试和样机测试可作为计算的替代品，如同ISO2394给出的。
3.3 载荷
从3.3.1到3.3.4中给出的各种载荷在结构设计时必须被考虑。 3.3.1 重力和惯性载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由自重、振动、旋转和地震活动引起的。 3.3.2 气动载荷
重力和惯性载荷是静态和动载荷，是由气流与风机可动部件和静止部件的相互作用引起的。 3.3.3 驱动载荷
驱动载荷是由运行和控制引起的。 3.3.4 其他载荷
其他载荷指尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等。
3.4设计工况和载荷情况
该条例描述了风机的设计载荷情况，给出的载荷情况条例数量是风机设计中应该考虑的最少量。
风机的整个寿命可认为是被包括风机可能经受的最重要情况的一系列设计情况所反映。
载荷情况可由风机的运行模型或其他设计工况，如特定的装配、安装或保养，及其外部条件决定。任何有关的载荷情况，只要存在合理的发生率都应该被考虑，风机的控制和保护系统的行为也应该被考虑。用于验证风机的结构完整性的设计载荷情况应基于以下组合进行计算：
●正常设计情况和适合的正常或者极端外部条件组合；
●故障设计情况和适合的外部条件组合；
●运输，安装和保养的设计条件和适合的外部条件组合。
当极端外部条件和故障情况存在联系时，实际应用中，应将这2个情况合并为一个情况进行考虑。
对于任何一种设计情况，必须考虑多个设计载荷情况。表2给出了至少应考虑的载荷情况。在表2中，对于每个设计情况的设计载荷情况分类是由风速，电力和其他外部条件决定的。
对于采用确定性风模型的设计载荷情况，如果风机的控制系统可以让风机在达到最大偏航角度或者最大风速时停止运转，那么，必须被验证在同样的确定性风模型的湍流条件下，风机的控制系统能使风机可靠地停止运转。
若涉及到特定风机的结构完整性时，还应考虑其他的设计载荷情况。
表2中F代表疲劳载荷分析和疲劳强度的评估，U代表强度载荷分析，主要指材料强度，叶尖变形和结构稳定性。
标有U的设计工况被分成正常(N)，非正常(A)或者运输安装(T)。正常的载荷工况是指在风机整个寿命中经常发生的事件，非正常的载荷工况是少有的事件，如引起保护系统运行的严重故障。
γ。表3给出了这些系数。设计情况的种类，N, A或者T决定了适用于极端载荷的各分项安全系数
f
表2 设计载荷工况（DLC）
DLC 设计载荷工况
ECD 伴随方向改变的连续极端阵风（见2.2.2.5）EDC 极端风向改变（见2.2.2.4）
EOG 极端运行阵风（见2.2.2.2）
EWM 极端风速模型（见2.2.2.1）
EWS 极端风切变（见2.2.2.6）
NTM 正常湍流模型（见2.2.1.3）
ETM 极端湍流模型（见2.2.2.3） NWP
正常风廓线模型（见2.2.1.2）
s m V r /2±
在所有应分析的风速下的敏感度
F 疲劳 U 强度极限 N 正常 A 非正常 T 运转和安装
*
疲劳采用的分项安全系数（见3.6.3）
在风机设计时应按产生最坏结果对位于表2中给出的风速范围内的风速进行选取。当风速范围是通过一系列离散值提供时，为了保证计算的精确性应具有足够的分辨率，一般取2m/s 。 3.4.1电力生产（DLC 1.1-1.5）
该设计情况是指风机在正常运转并与电网相连的情况。必须考虑风轮结构的不平衡性。在设计时计算中应使用由风轮制造条件决定的质量和气动的最大不平衡性。
而且，在对运行载荷分析时，必须考虑到理论上理想的运行情况和实际的运行情况之间的偏差，如偏航误差和控制系统误差引起的偏差。
1.1和1.2的设计载荷情况需要包括由湍流引起的载荷，湍流是指在风机正常运转的整个寿命期间发生的事件。1.3的设计载荷情况需要包括由极端湍流引起的极端载荷部分。1.4和1.5的设计载荷情况规定了瞬间载荷，只考虑会引起潜在的风机严重损坏事件的瞬间载荷。
DLC1.1的静态模拟数据至少包含风轮旋转平面内和平面外的极端力矩和叶尖变形。假如这些参数的极端值超出了由DLC1.3给出的极端设计值，则不用对DLC1.1进行进一步的分析。假如这些参数的极端值没有超出由DLC1.3给出的极端设计值，则增加DLC1.3中使用的极端湍流模型的参数c 值（21式），直到这些参数超出或等于由DLC1.3给出的极端设计值。
3.4.2电力生产伴随故障或者脱网（DLC2.1-2.4）
该设计情况是指风机在发电时发生突然性故障或脱网引起的瞬态事件。无论是控制系统、保护系统或内部电力系统故障，只要对风机载荷产生重大影响的故障，在该设计情况中都应该被考虑。DLC2.1指由控制系统或脱网引起的故障情况，该类故障是常有发生的。DLC2.2指一些少有且非正常的故障事件，如保护系统或内部电力系统故障。DLC2.3指潜在的但影响重大的故障（EOG ），如内部或外部电力系统故障（脱网），该类故障也是非正常的。这2类事件的时序按以产生最坏载荷进行选取。假如故障或者脱网没有导致立即停机，这后续的载荷会对疲劳损伤产生较大影响，在正常湍流模型下，伴随疲劳损伤的该情况的持续时间应通过DLC2.4计算获得。 3.4.3启动（DLC 3.1-3.3）
该设计情况是指风机从停机或空转向发电情况转变的过渡时期内产生的相关载荷的所
有事件。启动次数应按控制系统的行为特性进行估计。 3.4.4正常停机（DLC 4.1-4.2）
该设计情形是指风机在从发电工况向停机或空转转变的过渡时期内产生相关载荷的所有事件。启动次数应从控制系统的行为特性进行估计。 3.4.5应急停机（DLC5.1）
考虑由应急停机导致的载荷。 3.4.6空转（DLC6.1-6.4）
在DLC6.1,6.2和6.3中应使用极端风速模型（EWM ）。对于DLC6.4使用正常湍流模型（NTM ）。
当风况为EWM ，设计载荷情况即可以使用稳态的极端风模型或者极端湍流模型。当为极端湍流模型时，可利用由ISO 4354给出的阵风和动态响应的修正关系式，获得全动态模拟结果或者准静态分析的结果。当为稳态的极端风模型，则可使用以上所述的准静态分析获得共振对载荷的影响。当共振与背景响应的比值低于5%，则可采用稳态的极端风模型进行静态分析。若在载荷特征值处偏航系统可发生滑移，则平均偏航误差应加上最坏的最大偏移滑移。当风机的偏航系统在最大风况下会发生偏航运转（自由偏航、被动偏航或半自由偏航），则应选用极端湍流模型，同时，偏航误差由湍流方向的变化和风机偏航系统动态响应决定。此外，风机处于最大偏航运动或者风速从正常向极端转变而引起的平衡变化，这些行为在分析时都应被考虑。
在DLC6.1中，对于拥有主动偏航系统的风机，并且在偏航系统的滑移可被限制的前提下，当为稳态的极端风模型时，则偏航误差处于?±15内。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值处于?±8内
在DLC6.2中，做出了在极端风况的暴风早期阶段风机会发生脱网的假设。除非风机备用电能能为偏航系统和控制系统提供至少6小时的供电，否则必须对由风向改变角度达
?±180的产生的影响进行分析。
DLC6.3，该情形是针对一年一遇的极端风况并包含极端偏航误差而设的。当为稳态的极端风模型时，则极端偏航误差为?±30。当为极端湍流模型时，则偏航误差均值为?±20。
DLC6.4，应考虑风机不发电的时间内，每个风速产生的波动性载荷，该波动性载荷对风机部件的疲劳损伤影响较大。 3.4.7停机伴随故障条件（DLC7.1）
风机的正常停机与由脱网或风机故障引起的停机是不同的，这就需要进行分析。假如非脱网的其他任何故障性停机与正常停机是有区别的，则应该对其可能产生的后果进行分析。故障条件应结合一年一遇的EWM 。这些条件可以是经阵风和动态响应的修正后的湍流或准静态模型。
当由偏航系统导致的故障时，偏航误差应设为?±180。而其他的故障，偏航误差值应
风力发电基础知识
风力发电基础知识 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过 增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风 车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可 以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电 没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 转子空气动力学 为了解风在风电机的转子叶片上的移动方式，我们将红色带子 绑缚在模型电机的转子叶片末端。黄色带子距离轴的长度是叶 片长度的四分之一。我们任由带子在空气中自由浮动。本页的 两个图片，其中一个是风电机的侧视图，另一个使风电机的正视图。 大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。 为什么转子叶片呈螺旋状？ 大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。 风电机结构
机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装 置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。 图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一 次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制 偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该 控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来 呼叫风电机操作员。 液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。 塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向。 风电机发电机 风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的，电网上
风力发电机叶片数目与风能利用率
风力发电机叶片数目与风能利用率 曹连芃 摘要：介绍风轮实度大小对风力机运行特性的影响，为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。 关键字：风轮，风轮实度，叶尖速比，风能利用系数,一根杆子三根针，实度比,风能，风力发电机 图1是我们常见的风力发电机外观图，它有三个叶片，三个叶片与轮毂构成风轮，风轮转轴带动机舱内的发电机，由于风轮的转轴是水平的，故称为水平轴风力发电机。 图1－水平轴风力发电机 我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片，这是为什么？ 在谈这个问题之前，先介绍一个有关风力机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片（在风向投影）的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度（或称实度比、容积比），是风力机的一个参考数据。 图2是几种水平轴风力机叶轮，绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种
风轮的示意图，风轮实度的计算方法如下： S为每个叶片对风向的投影面积，R为风轮半径，B为叶片个数， σ为实度比 σ=BS/πR2 图2－单叶片至多叶片的风轮实度 在图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小，是低实度风轮，12叶片的风轮实度比高，是高实度风轮。 从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了，为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。 我们通过图3来做简单的解释：图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图，气流通过叶轮做功后速度减慢，由于速度变慢气流体积有所增大，就有图中所示的气体发散的流动曲线。图2下部分是风通过多叶片的气流示意图，多叶片大大增加了气体通过的阻力，气流会分开绕过叶轮流向后方，只有部分气流通过叶轮做功，由于阻力大，通过叶片的风速也会降低得较多，所以叶轮实际得到的风功率减少了，这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。
风力发电机的分类
1,风力发电机按叶片分类。 按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 （1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。 （2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。 凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。所以绝大多数风扇都是三片叶的。三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。降低维修成本。 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 2,按照风力发电机的输出容量可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级系列。 （1）小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。 （2）中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。 （3）大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。 （4）兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。 3,按功率调节方式分类。可分为定桨距时速调节型，变桨距型，主动失速型和 独立变桨型风力发电机。 （1）定桨距失速型风机；桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
风力发电机结构图分析风力发电机原理
风力发电机结构图分析风力发电机原理 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力研究报告显示：依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。下面先看风力发电机结构图。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机结构图指出：风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25v变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220v市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。风力发电机结构图显示：目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200w风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500w甚至1000w乃至更大的功率出。 现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用)，现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。 风力发电机结构图显示：风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元
风力发电机叶片工艺流程
风力发电机叶片制作工艺流程 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。 2）提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。 4）可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。 5）可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW?h)，价格可和燃料发电相比。 6）利用导电性能避免雷击
风力发电机的组成部件其功用
风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器 图3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。 1 风轮 风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。 图3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图3-3-7 叶片结构 （a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面； (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。 木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不
风力发电机的基础知识
风力发电机的基础知识 一、风的认知 从某一个角度讲，风是太阳能的一种表现形式。 1.风的成因： ①地球的自转 ②温差: 地球表面的不同状态对太阳的吸热系数以及放热系数不同从而造成空气之间温度的差异，而导致风的形成。(如水面比地面的吸热慢,放热也慢)。 2.风的运动轨迹 风在遇到障碍物后，都会形成湍流。 二、风力发电机 风力发电机是一种将风能转换为电能的一种发电装置，实现风能转换成机械能，再由发电机把机械能转换成电能的过程。 1.风力发电机的技术原理 三相三相不控桥整流蓄电池 (1)发电机为三相(即三根线)，输出三相应该是相互导通的,两根引出线的电阻是相同的,任意两根线一打是会出现火花。 (2)12V蓄电池充满电之后,电压会上升，一般蓄电认为电池充满在13.8V~14.5V之间。用风力充电,蓄电池电压都会高,1.1V~1.3V为额定电压，多种蓄电池工作状态选择是不一样的。10.2V切入逆变器。 发电机频率的监控,控制器增加监控点,电压信号选择保护。 2.风力发电机实际上是一个由风机叶片、发电机及尾舵组成的机组。 (1)最理想的叶片 叶片扫风面积越大，接受风能则越大。叶片侧面叶型的不同设计，可提高转速，减小阻力。 叶片理论极限值CP(max)=0.593 P∝SρO3 *cp (目前,大风机叶片实际做出来最理想的CP值为0.48,小风机为0.48~0.36,而HY系列的叶片CP值可做到0.42。) （2）高效能的发电机 发电机效率： 大型发电机0.95 小型发电机0.6~0.5 整机转化效率：整机转化效率= 气动效率(CP值) * 发电机效率 三、风力发电机的特点 风是一种随机能源,我们要利用风能发电，便要捕捉风能。而风能可以无限大,在这种特性下，如果不作限速，即使再优良的风机也会被损 坏。现在风机一般利用于发电的，都是在3M/S~60M/S输出空间。 一般采用以下几种限速装置： （1）变浆距（离心变浆距） 这是目前较先进的叶片控制方式，当大风来时，调型叶片，形成阻力，使风能大部分消耗在叶尖，限制能量输出。 （2）折尾 （3）机头上昂（或上侧昂）：风大时向上推动，避让风。 以上三种叶片控制方式均有可靠性较差、较容易磨损风机相关部件的缺点。
风力发电基础知识汇总
风力发电 把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电的原理， 利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵） 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。 在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。 我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约 2.53亿千瓦。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据《风能世界》杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15% 风力发电的输出
风力发电机原理及结构
风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 （1）风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。 1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而
不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。 目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂
风力发电机叶片材料的选用
风力发电机叶片材料的选用 叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子，使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行，对叶片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受住极端恶劣条件和随机的负荷（如暴风等）的考验，确保安全运转20年以上；②成本（精确说为分摊到每度电的成本）低；③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好； ④耐腐蚀、耐紫外线（UV）照射和抗雷击性好；⑤维护费用低。 FRP完全可以满足以上要求，是最佳的风力发电机叶片材料。 1.1 GFRP 目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）制造。GFRP叶片的特点为： ①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度风机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维（GF）受力为主的受力理论，可将主要GF布置在叶片的纵向，这样就可使叶片轻量化。 ②翼型容易成型，可达到最大气动效率为了达到最佳气动效果，利用叶片复杂的气动外形，在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型，如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。 ③使用时间长达20年，能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好。 ④耐腐蚀性好由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能，可将风机安装在户外，特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说，能将风机安装在海上，使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。 为了提高GFRP的性能，还可通过表面处理，上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维（CF）的水平。 GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力，而其它方向承受的力相对较小。 叶片由蒙皮和主梁组成，蒙皮采用夹芯结构，中间层是硬质泡沫塑料或Balsa木，上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设，一般用7或4GF布，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力；为简化成型工艺，可不用
风力发电机叶片结构设计及其有限元分析(精品doc)
风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 为了更好地发展我国的风力发电事业，实现风力发电机的国产化，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的 的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型， 然后利用有限元模拟对叶片进行了振动模态分析，得到各阶振动频 率和振型，为防止结构共振提供了依据。 关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化 THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTS ABSTRACT In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.
无叶片风力发电机--VORTEX
VORTEX——没有叶片的风力发电机就是这么酷 一．前言 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW[1]。随着全球经济的发展，所面临的能源问题和环境问题越来越严峻，使得风能等可再生能源迅速发展起来。根据国家能源局数据，2014年中国全部发电设备容量为1360GW，其中并网风电的容量达到了95.8GW，也就是说说，风电装机量在中国发电装机总量当中占据大约7%的份额。 一般情况下，我们所看见的风力发电机都是水平轴扇叶风机，他们有着很大的风机叶片，以此来吸收风能并发电。然而，这样的风电机有一些弊端。一个风电场的众多风机之间的排列需要较大的安全距离，也就是说一块固定大小的地面上能够安装的风电机数量是有限的；另外，扇叶的旋转也对鸟类带来了危险。 想象一下，一个没有叶片的风机会是什么样纸？它需要更少的材料，成本更低，噪声更小，对环境友好度更好……关上你的脑洞，来一睹它的风采吧↓↓↓
这个酷炫的没有叶片的风机是由西班牙公司Vortex Bladeless开发。无叶片风机Vortex 的工作原理是利用结构的振荡捕获风的动能，从而利用感应发电机或压电发电机将风的动能转变成电能输出。该设计理念将减少常规涡轮机中很多零部件的设计与制造，如叶片，机舱，轮毂，变速器，制动装置，转向系统等，从而使无叶片风机Vortex具有无磨损、性价比高、便于安装和维护、环境友好型及土地利用率高等显著特点。 二．Vortex的发电原理——卡门涡街 无叶片风机Vortex的基本发电原理是卡门涡街，维基百科上这样描述它，“在流体中安置阻流体，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街”[2-3]。 卡门涡街可以解释许多现象。1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。华盛顿州政府特为此而设立专案调查组，经过美国空气动力学家西奥多·冯·卡门在加州理工学院风洞进行模型测试，证明塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，
风力发电机结构介绍
风力发电机结构介绍 风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 （1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。 （2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。 （3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。 （4）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 （5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。 （6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 （7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 MY1.5s/se型风电机组主要技术参数如下： （1）机组： 机组额定功率：1500kw
风力发电机叶片结构及有限元分析
编号： 本科学年论文 题目：风力发电机叶片结构及有限元分析 学院：机械工程学院 专业： 年级： 姓名： 指导教师： 完成日期：2013/6/8
一级标题 风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 为了更好地发展我国的风力发展事业，实现风力发电机的国产化。必须深入开展风力机设计，分析方面的研究。本文根据传统的叶片设计方法设计了2MW的风力机叶片。并生成三维几何模型，然后利用有限元模拟，对叶片进行了振动模态分析，得到各个阶段的频率和振型。为防止结构共振提供了依据。 关键词：风力机；叶片；有限元模拟；优化。
内蒙古民族大学学年论文 The Of Simlation And Optimal Design Of Winp Turbine Compnents In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in china and analysis。in this paper a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created，then the modal analysis through of FE simulation to get the frequency and mode shape which provides the theoretic basis to prevent resonance Key Word： Wind turbine ，blade ，FE simulation ，optimization
风力发电机叶片的维护讲解
酒泉职业技术学院 毕业设计（论文） 11 级风能与动力技术专业 题目：风力机叶片的故障分析及维护 毕业时间：二O一四年六月 学生姓名：王立伟 指导教师：甄亮 班级：风能与动力技术（1）班 2013年11月2日
酒泉职业技术学院届各专业毕业论文（设计）成绩评定表
目录 摘要 (3) 一、风机叶片简介 (3) 二、维护叶片的目的 (3) 三、叶片产生问题的原因及故障分析 (4) （一）叶片产生问题的原因类型 (4) (二)风机叶片的常见损坏类型及诊断方法 (9) 四、叶片的维护 (13) （一）叶片裂纹维护 (13) (二)叶片砂眼形成与维护 (13) (三)叶尖的维护 (13) 总结 (14) 参考文献 (15) 致谢 (16)
风力机叶片的故障分析及维护 摘要：叶片是风力发电机将风能转化为机械能的重要部件之一,是获取较高风能利用系数和经济效益的基础，叶片状态的好坏直接影响到整机的性能和发电效率，应该引起风电企业的高度重视。风机多是安装在环境恶劣、海拔高、气候复杂的地区，而叶片又恰恰是工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，其故障率在整机中约占三分之一以上。定期检查，早期发现，尽快采取措施，把问题解决在萌芽状态是避免事故、减少风险、稳定电场收益的最有效方式。。 关键词：叶片；故障分析；维护 一、风机叶片简介 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。 二、维护叶片的目的 风机叶片是风电机组关键部件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片, 春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。据统计，风电场的事故多发期多是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的三分之一，叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护还没有引起充分认识，投入严重不足，风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的送电和经济效益。根据对风电场的调查和有关数据分析，并参阅了许多国外风电场维护的成功经验，我们对风电场的日常维护的必要性有
风电叶片的改进
风电叶片的改进 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。 2）提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。 4）可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。 5）可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适
风力发电机叶片设计
风力发电机叶片的设计 经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难，并且其日污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。 自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成本更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。一、叶片设计的意义 在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。 叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求，通过系统的启动设计和结构设计，实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形，实现年发电量最大的目标；结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基