风电产品设计（共12篇）
风电产品设计 篇1
引言
当前, 我国不断加大对新能源的开发力度, 山区风电场的建设越加频繁。一旦山区风电场地形复杂, 场内道路的设计就会对施工工期和投资产生影响, 这时, 设计人员能否做出合理的规划设计就显得尤为重要。
1 工程概况
五凌电力窑坡山风电场工程位于湖南省临湘市西侧五尖山森林公园内, 东经113°19′58.02″~113°24′52.71″、北纬29°27′28.79″~29°30′0.0″, 距临湘县城约3km。风电场场址范围内有效山脊长度为8.28km, 总面积约为11.36km2, 海拔高度在200~580m之间。
2 交通情况
2.1 场外交通
窑坡山风电场位于岳阳市临湘境内西南方向, 东临京港澳高速公路, 北边有G107, 交通条件尚可。根据目前的场外交通条件, 控制设备主要是风电机组的叶片, 经公路运输至施工现场。主变压器可经公路运输至施工现场, 主要建筑材料均可从临湘县购买, 通过公路运输方式运至工地现场。
根据风场的道路实际情况及设备厂家提供的设备参数, 本工程进场道路利用京港澳高速公路和新建道路接入风电场。
2.2 场内交通
窑坡山风电场风机布置十分分散, 风机分布于各山顶或山脊上。由于布置范围广, 且场内道路所经过的路段原地形比较陡峭, 场内主干道路级至各风机分支道路布置条件较差。
2.3 进场道路方案
窑坡山风电场工程风力发电机组设备从厂家出发至G4京港澳高速→临湘市→场内施工道路→风机机位, 其他建筑施工材料及电气设备等均可通过公路运输至现场。
3 场内改建及新建道路设计
从现场查勘分析, 场内已有部分原有道路, 需对原有道路进行整体拓宽改造, 弯道需要改造后才能满足风电场重大件设备的运输要求, 其中新建道路10.5km, 改建道路10.4km。
3.1 道路平面设计
本风电场工程风机机组叶轮直径为105m, 结合本风场的实际情况及设备厂家提供的设备参数, 在风电场内采用特种车道路运输方案, 道路设计参数主要受最长一节塔筒22m控制, 整个风电场内主要是对原有进场改造道路的“S”弯进行改造, 原有路况很差, 半径为10~15m, 纵坡为18~20%, 设计时采用葫芦弯与平台相结合的处理方案, 并对“S”弯前后进行坡度调整, 最终保证“S”弯转弯处纵坡控制在8%以内, 直线段纵坡控制在14%以内。车辆运输时对道路平面要求较高, 在平面设计时保证行车安全且不增加工程造价情况下, 尽量采用较大曲线半径, 本工程最小曲线半径为20m。当新建及改造道路平曲线半径≤250m时, 在曲线内侧进行曲线加宽, 曲线加宽值按满足设备运输对道路宽度要求进行加宽。
3.2 道路纵坡设计
根据汽车爬坡能力的计算理论, 对风电场大件运输车辆最大爬坡坡度的计算方法如下:
3.2.1 汽车驱动轴上的牵引力及行驶时的阻力计算
(1) 汽车驱动轴上的牵引力
大件运输车辆在行驶时必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力, 为增大汽车的驱动力, 汽车发动机通过变速箱和主传动器的两次降速, 将发动机曲轴上的扭矩传到驱动轮上。
Mk=MγηT
式中:Mk———汽车驱动轮扭矩 (N·m) ;
M———发动机曲轴扭矩 (N·m) ;
γ———总变速比, γ=i0·ik, i0为主传动器速比;ik为变速箱速比, 考虑到大件运输平板车满载爬坡时一般釆用一档, 故本文取一档时的变速箱速比。
ηT———传动系统的机械效率, 本文参考相关资料取ηT=0.85。
用驱动轴上的牵引力T和汽车行驶阻力R形成的一对力偶代替驱动轮上的扭矩Mk。
式中:r———车轮工作半径 (m) , 与内胎气压、外胎构造、路面的刚性与平整度及荷载等有关, 本文根据风电场实际运输车辆未变形半径的0.95倍取值。
(2) 汽车行驶时的阻力
汽车行驶时的阻力包括空气阻力RW、道路阻力RR及惯性阻力RI。
根据空气动力学的研究成果, 汽车在空气中运动产生的阻力为:
式中:K———空气阻力系数, 本文以平板挂车为例取0.8;
A———汽车迎风面积;
ρ———空气密度, 本文取1.2258 (N·s2/m4) ;
v———汽车与空气相对速度, 近似取汽车的行驶速度 (m/s) ;
V———汽车与空气相对速度 (km/h) , 本文按机舱运输车辆克服最大爬坡坡度时的工况考虑, 取V=5km/h。
道路阻力包括滚动阻力Rf和坡度阻力Ri, RR=Rf+Ri。
假定风电场道路坡道倾角为α, 则滚动阻力为:
Rf=Gfcosα (N)
式中:Rf———滚动阻力 (N) ;
G———车辆总重力 (N) ;
f———滚动阻力系数, 主要与路面类型、轮胎结构和行驶速度有关。
坡度阻力为:
Ri=Gsinα (N)
式中:Ri———坡度阻力 (N) ;
G———车辆总重力 (N) 。
因此道路阻力为:
RR=G (fcosα+sinα) (N)
参考相关研究, 车辆行驶时由汽车的平移质量及旋转质量产生的惯性力及惯性力矩分别为:
平移质量的惯性力:
旋转质量的惯性力矩:
式中:I———旋转部分的转动惯量;
为简化计算, 一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数δ来代替旋转质量惯性力矩的影响, 即:
式中:RI———质性阻力 (N) ;
G———车辆总重力 (N) ;
g———重力加速度 (m/s2) ;
a———汽车加速度 (m/s2) ;
δ———惯性力系数, 主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。
综上所述, 汽车的总行驶阻力为:R=RW+RR+RI
根据汽车的驱动平衡方程式, 在车辆节流阀全开的情况下, 汽车的驱动力必须要大于行驶过程各种行驶阻力之和, 汽车才能正常行驶。故机艙运输车辆正常行驶的条件为:
T≥R
为使车轮与路面之间有足够的附着力, 避免车轮打滑, 车辆的驱动力应小于车轮与路面之间的摩擦力, 即:
T≤p Gk
式中:P———车轮附着系数, 主要与路面的粗糙程度、潮湿泥疗程度、轮胎的花纹和气压、车速和荷载有关;
Gk———驱动轮荷载, 参考常用机舶:运输车辆轮轴组合情况, 本文取实际装载时车辆总重力的0.7倍。
3.2.2 机枪运输车辆的最大爬坡坡度计算
根据汽车的驱动平衡方程式:
将行驶阻力表达式代入上式并整理后可得:
令上式左端为D, 称为动力因素, 将有关公式代入上式, 即:
代入相关数据可得风电场机船运输车辆最低档的最大动力因素DImax。
动力因数受海平面及汽车满载情况的影响会发生变化, 需根据实际风电场所处海拔高度及运输卒辆装载情况乘以修正系数λ予以修正, 即:
式中:λ为动力因数D的海拔荷载修正系数, 其值为:
式中:ξ———海拔系数, ξ= (1-2.26×10-5H) 5.3, 式中为海拔高度 (m) ;
G———满载时车辆总重力 (N) ;
G′———实际装载时车辆总重力 (N) 。
汽车的最大爬坡坡度是指汽车在良好路面上等速行驶时克服了其它行驶阻力后所能爬上的最大纵坡坡度。因a=0, 则:
λD=fcosα+sinα
将有关公式代入上式并解此三角函数方程式, 得:
式中:aImax———最低档所能克服的最大爬坡倾角;
f———滚动阻力系数;
DImax———最低档的最大动力因数。
因此, 汽车的最大爬坡坡度釆用下式计算可得:
代入相关数据可得最低档所能克服的最大爬坡倾角及汽车的最大爬坡坡度值。
3.2.3 实际纵坡的确定
在本工程中, 风电场运输设备重, 构件长, 运输车辆牵引力大, 行驶速度低的特点, 根据与厂家、建设方进行的设计联络会中设计纵坡≤14%, 在地形受限情况下以及防止植被大面积破坏, 部分风机支线坡度达到21%, 其他均参照公路四级标准和设计速度15km/h要求进行设计, 在连续纵坡大于10%路段后设置纵坡小于5%长度大于60m的缓和坡段;路基设计标高为路基边缘标高, 在设置超高、加宽路线为未设超高、加宽前该处路基边缘标高;在纵断面所有纵坡变坡点处, 无论为凸形或凹形均设置半径大于200m圆曲线, 其曲线长度大于20m。
3.3 路基路面设计
(1) 场内改造道路, 对原有路面宽度不足6m, 进行整体拓宽, 在不满足弯道拓宽, 路面结构采用20cm厚泥结碎石面层加3cm厚磨耗层。
(2) 场内新建道路, 路基宽为6.0m, 路面宽度为5.0m, 并在弯道处依据半径不同而加宽, 路面结构采用20cm厚泥结碎石面层加3cm厚磨耗层。
(3) 路面路基在弯道处路面进行加宽设计, 加宽值按设备运输对道路的宽度要求计算而得。
(4) 对于纵坡大于17%的风机支路, 应做路面硬化处理。
(5) 路基防护采用设置挡土墙、路肩墙及路基护脚墙的方式。
4 结语
综上所述, 在实际工程中, 山区风电场道路设计应以满足重大件运输、施工、运行管理为前提, 同时需综合考虑地形、地质、经济等因素, 做到安全可靠、经济合理。
摘要：山区风电场道路同等级公路相比平曲线要求相对较高, 纵坡要求相对比较低, 其主要功能是在风电场施工期间担负施工材料及设备运输任务, 而后期运行管理时的交通量则很少, 因此风电场道路设计也应适应这一特点。本文即以某工程实例具体分析了山区风电场道路的设计。
关键词：山区风电场,道路设计,影响因素
参考文献
[1]王井友.山区风电场道路建设的探讨[J].林业科技情报, 2013 (1) :106~107.
[2]陈康东, 李晓梅.山区风电场道路结构设计探讨[J].太阳能, 2014 (3) :28~30.
[3]周莉莉.山区风电场场内道路设计[J].中国科技博览, 2011 (37) :165.
风电产品设计 篇2
风电场变电站是风电场的重要组成部分，其设计工作是从选址开始的。变电站的选址应根据电力部门和风电场的长期电力规划、运输条件、地区自然条件、环境保护要求和建设计划等因素全面考虑。其中变电站的防洪设计就是制约选址的一个重要因素，小编现在就风电场变电站的防洪设计及管理做一个简单的介绍。
风电场变电站的防洪设计及管理要做好二个方面：
一变电站防洪设计
根据《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002-2007），变电站电压等级大于等于220kV，变电站洪（潮）设计应按100~50年重现期进行设计；变电站电压等级小于等于110kV，变电站洪（潮）设计应按50~30年重现期进行设计。
变电站防洪设计方案可采取以下几种方式：（1）对场地标高采取措施，场地的设计标高不低于洪水水位或历史最高内涝水位；（2）对站区采取防洪或防涝措施，防洪或防涝设施标高应高于洪水水位或历史最高内涝水位标高0.5m；（3）采取可靠措施，使主要设备底座和生产建筑物内地平标高不低于洪水水位标高。
二做好变电站的防洪管理工作
（1）变电站的巡视维护
做好正常的巡视维护，特别是在山洪、暴雨即将到来时，按照“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，加强变电站的巡视维护，尽量减少山洪、暴雨造成的损失。主要可以从以下几个方面进行巡视维护：
①检查变电站大门、围墙、升压站围栏是否牢固，必要用其他措施加固。若变电站周围存在挡土墙的，还需检查变电站周围挡土墙是否坚固，有没有塌方的迹象；
风电安装船改造设计及市场分析 篇3
关键词：风电安装船；Solidworks建模；Maxsurf稳性分析；船舶保险
引言
海上风电场多指水深10米左右的近海风电。不同于陆上风电，海上风电具有更广阔的使用空间，不占用土地资源，风速更高，具有风能资源的能量效益比陆地风电场高，平均空气密度较高，发电效率好，普遍数据年度发电量能多出20%-40%左右，与陆上风电建设相比，风电场建设受噪音、景观、电磁波等问题限制少且适宜大规模开发。所以近几年欧美国家均把风电开发的重点转向海上，许多大型风电开发企业、设备制造企业正积极探索海上风电发展之路。
而如果需要启动海上风电项目的话，前期最重要的就是风电安装船和风机的选择，两者互为依靠。我国已制定“十一五”时期是海上风电的技术试验、工程示范阶段，“十二五”期间，要形成海上风电的成套技术并建立完整产业链，到“十三五”时期，我国将进入海上风电的大规模发展阶段，具体风电装机与发电量规划如表1。2007年，我国出台了《可再生能源中长期发展规划》，2013年，我国出台了《大气污染防治计划》等政策均再次突出了对水能、风能、太阳能的重点支持，这为推动可再生能源产业的迅速发展起到了重要作用。我国风电行业发展比较迅速，但由于起步较晚，国内的风电发动设备主要依靠进口。
1.风电专用安装船现况
世界上现有的专用安装船为数甚少，除中国外仅丹麦A2SEA公司3艘与英国MPI公司1艘，部分船型数据见表1。分析其原因主要有以下几点：风电行业是新型行业，风险太大；金融危机之前船市达到峰值，各大船厂工期已排满且专用安装船技术复杂，建造周期太长；政府对风电产业扶持时间不长。我国风电安装船因为之前全国大力发展海上风电项目时，改装成风电安装船，由于技术的改进，并不适用于现在的安装技术。我国现有可行的风电安装船为蓝潮1001号与龙源振华2号等，这两艘均是自升式海上风电作业船，适用于潮间带与近海的风机安装，目前正在建造的风电安装船也有许多，所以我国的风电安装船的提升空间极其巨大。
本文所设计的风电安装船是现在主流的自航自升式，原因有以下两点，一是现如今自航自升式安装船技术已慢慢趋于成熟，风险与半潜式较易可控；二是我国出台的十二五规划中2013-2017年实现海洋经济可持续发展并大力发展海洋科学技术，可再生清洁能源将是能源结构调整的战略发展方向，主要包括近海风电与水电等，而自航自升式安装船正好适用于潮间带与近海的风电场建设。
5.结论
我国这几年对新能源及其重视并大力发展高科技能源开发。海上风电具备电价低，转换率高，远离群众，占有土地资源少等优点正逐步开展大型海上风电场建设，其中，风电安装船与风机的建造最为重要，前者可以保证海上风电场的建造，后者可以保证投入运营并盈利，所以在十二五与十三五规划中，接下来的10年海上风电行业必会如火如荼。
为了保障船舶航行与工程運作过程中的安全以及事故处理的选择，本文特意介绍了P&I Club保险协会与船壳险。对于风电安装船而言，新造船舶宜保一切险为主，此险种可以把风险最小化。对于超龄风电安装船而言，因为此类船舶类似于钻井平台，船上人员众多，而且一旦出现事故，残船移除和油污控制将会是理赔的巨头，所以宜保P&I保险为主。
参考文献：
[1]潘春祥，任秀华，李香.SolidWorks 2014中文版基础教程.北京： 人民邮电出版社， 2014
[2]杨永祥.船舶与海洋平台结构， 北京：国防工业出版社， 2008
[3]刘向东.船舶结构与强度设计[M].北京：人民交通出版社，2007.151-175.
[4]船舶设计实用手册（结构分册）[M].北京：国防工业出版社，2007.
[5]孙东昌， 潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究 ，上海：上海交通大学出版社， 2008
风电集中供热的设计 篇4
1.1 集中供热概述
“集中供热”是城市经济和社会发展的重要基础设施,是城市公共事业的重要组成部分,是国家能源合理利用和防治大气污染的一项重要措施,是城市现代化的一个重要标志。发展集中供热已成为我国城市建设的一项基本政策。城市集中供热系统包括热源、热网和用户3部分,是指由一个或者几个集中热源所产生的热水或蒸汽,通过热力管网供给用户生产和生活用热的供热方式。一般城市主要用于冬季集中采暖,与中央空调配套使用也可用于夏季集中供冷,即“热、冷、电联产”。目前,我国城市集中供热的热源主要是通过热电联产以及区域性集中建锅炉房等方法来实现的,其中热源主要依赖煤炭,也有以柴油、天然气及地源热泵为燃料,但并非主流。目前,我国的热电联产规模已经位居世界第2位。随着我国经济的持续快速增长和居民生活水平的日益提高,未来的工业和居民采暖热力需求仍将保持快速增长态势,特别是我国许多经济发展旺盛的农村城镇对集中供热的需求也开始呈增长趋势。“集中供热”已经成为城市继集中供电、供水、供气后必须重点发展的第四项民生工程。
1.2 热电联产“集中供热”面临的困难
我国的煤炭价格已经与市场接轨,但是电价和热价仍然实行政府定价或者政府指导价。随着我国经济的快速发展和人民群众消费水平的大幅提高,作为国家重要的工业原材料和能源物资,煤炭需求量日益剧增与可开采量愈加匮乏的矛盾随着时间的推移将愈加突出。近年来燃煤价格居高不下,热电联产集中供热成本大幅上涨,但是电价和热价的增长幅度很小。大量热电联产集中供热企业由于企业效益较差面临着严峻的生存问题。加上我国“热电”目前还存在着发电并网障碍,影响了热电联产集中供热技术的发展应用。部分省市因供热定价偏高,居民取暖费用负担加重,民生矛盾凸显。另外,热电联产供热系统,随着城市供热负荷逐年增长,环境影响特别是减排CO2对各级政府的压力也越来越大。
2 风电
2.1 风电概述
“风电”是风能发电或者风力发电的简称。风力发电是风能利用的重要形式。风能作为一种清洁的可再生能源和节能环保的新能源,随着全球低碳经济的发展,越来越受到世界各国的重视。中国国土辽阔,海岸线绵长,风能资源丰富。研究表明,中国风能利用的潜力巨大,陆地和海上风能的可开发装机总容量达到大约7×108 kW～12×108 kW。其他最新评估报告出的数据甚至可达25×108 kW以上。因此,我国风电具有雄厚的资源基础,足以支持中国未来能源结构的重要组成部分。近几年随着我国经济转型跨越发展,风能产业赢得历史性发展机遇,规模暴发式增长,国家《可再生能源中长期规划》中制定的2020年30 000 MW的风电装机目标在2010年就提前实现。2010年,风电产业被列入国家七大战略新兴产业,全国累计风电装机容量已突破40 000 MW,新增装机容量达到18 928 MW,占全球新增装机容量48%,超过美国,成为世界第一大风电市场。预计未来很长一段时间我国风电市场都将保持高速发展[1]。
2.2“风电”市场面临的困境
透过“风驰电掣”的中国“风电”市场背后却是微不足道的经济效益。由于我国风场电网配套建设滞后、输电能力严重不足、大容量电瓶制造技术欠缺、控制大规模风电波动对电网安全影响的核心技术还未完全掌握、适应风电特点的运行管理制度还没有建立,对风电的认识存在片面性等原因,许多建好的风力发电厂要么不能满负荷发电要么长期处于闲置。根据2011年4月15日《国家电网公司促进风电发展白皮书》中指出:我国风电快速发展中存在的入网难和运行安全等问题已成为我国风电发展的核心问题。“十一五”以来,我国风电装机容量连年翻番增长,目前风电吊装容量超过4 000×104 kW,其中并网容量超过3 000×104 kW。尚有1 000×104 kW多风机未并网,已并网风机也部分存在着发了电上不了网的“弃风”现象。
2.3“集中供热”与“风电”联姻的现实需求
我国面临着:一方面大量的风电能源在浪费着,得不到有效的利用途径;另一方面城市集中供热能源紧缺,得不到有效的解决办法。在具有风能资源的城市,如果能将“风电”作为城市“集中供热”的热源,无疑于是一个非常理想的方案,运行几乎不花钱的“风电集中供热”未来几乎是不可想象的事情。
3“风电”用于制热技术优势
风力发电本身技术并不难,设备投资也不大。难在并网技术上,投资大在输电工程上。造成难以并网的主要原因是由于我国风力发电大多采用的是异步风力发电机,它具有成本低、发电效率高的特点。但是,由于风速极少处于恒定不变的状态,异步风力发电机的转子转速根据风力大小时刻处在“调节”状态,转速极不稳定,时常导致频率突变、电压波动很大。加上异步风力发电机产生谐波和“无功”,也会给电网带来“污染”和负担。所以异步发电机发出的“电能”本身并不适合与“电网”同步的并网要求。可是,如果异步风力发电机运行在独立或者说是“离网”的状态,特别是用于电加热,其优势会得到充分发挥。也就是说,如果用“风电”通过电加热器件作为热水的热源,其电压、频率及相位不稳定,也没有太大的关系。加上中国现有的电加热元器件技术较成熟,热水保温储能技术也很过关。理论上,用“风电”作为城市“集中供热”的热源应该没有技术层面问题。
4“风电”用于制热的资源优势
风力发电可划分为大型风电、中型风电及小型风电。小型风电又称离网型风电,是独立运行的供电系统,单机容量一般在100 W～10 kW。近年来,除了规模的大型风力发电厂,离网型的小型风电也是中国风电产业发展的重要方向。中小型风力发电具有适用气候条件广泛、适宜安装地域广阔等特点,用于城市“集中供热”热源建设优势明显,特别是北方城市冬季最显著的特点是大风降温,寒风刺骨,城市“集中供热”耗能最高峰往往是刮风最大的时候,当然也是利用风力发电制热最好的时节。如果再结合国内日渐成熟的“风光互补发电系统”等新型技术,也就是说,在“风电”的基础上再辅助必要的“光电”资源,无疑对城市集中供热在再生资源利用方面将是锦上添花,因为太阳能资源更是随处可见。如按上述设计和规划的话,未来的城市集中供热系统一定是中国效益最好,贡献率最大的一个节能降耗工程[2]。
5“风电集中供热”系统构成
针对以热水为传媒的城市集中供热系统,“风电集中供热”系统设计框图见图1(注:实心箭头代表电,虚线箭头代表水,虚线点代表无数组)。
系统设计构成主要包括六部分:风电发电机、自动进水加热罐、加热自动控制器、热水储藏罐、回水储藏罐和冷水补给塔;热力管网包括换热器及用户供热系统直接利用原有集中供热系统相关配套设施即可。其中,冷水补给塔的作用主要是给回水储藏罐缺水时及时补水;回水储藏罐的作用一方面是自动进水加热罐的水源,另一方面是热网供水通过换热器后的低温回水收集罐;风力发电机的作用是给自动进水加热罐提供加热电源;自动进水加热罐的作用是自动引进水、按照事先设定温度进行恒温加热和保温;加热罐自动放水控制器的作用是根据热网要求设定的热水温度、流速等参数对自动进水加热罐放水顺序、时间进行自动控制;热水储藏罐的作用是整个集中供热系统的最终热源即加热好的热水集中存放点,通过它给集中供热系统的热力管网提供源源不断的循环热水,实现集中供热的目的。至于为何不把加热罐和热水储藏罐做成一体,这主要基于“风电”的安全性、电加热元器件更换方便性、热源恒温调节需要和热力管网水源漏电保护等缘故。如果有必要在整个系统中添加“光电”或太阳能热水器作为辅助热源的话,上述设计稍作变更即可。至于,城市“集中供热”采用“蒸汽”循环的如何使用“风电集中供热”设施,因蒸汽热力管网涉及压力安全问题,且蒸汽保温和储存都较难实现,原则上不建议采用。
6 试点建议
山西省运城市从2007年开始筹建以关铝热电厂为基础的城市热电联产集中供热工程。4年间,运城的集中供暖从无到有、从弱到强。目前,中心城区大部分单位和居民享受到大暖带来的“幸福”。但因燃煤质量不稳、价格偏高、供应趋紧、热电并网难及机组故障频发等原因,截止2011年底,供热能力仍然满足不了城市北区广大用户和中心城区内部分单位和居民住宅供暖需求。而且政府决定对今后市区的新建小区主要使用燃气供热,不在过多增加新的集中供热用户。然而,离运城市区不到十几公里的平陆县张店镇风口山就属风能资源丰富地区,全年盛行南风,是建设风力发电良好的选择地。目前,有武汉凯迪、新疆金风、中广核3家企业投资5.25×108元,装机容量为49.3 MW的平陆风力发电项目一期工程已正式建成。山西省是国务院设立的国家资源型经济转型试验区,运城市天时地利人和,完全有条件现行先试“风电集中供热”项目,待条件成熟后,再向全国推广。
7 结语
“风电集中供热”无论是从现实矛盾还是从未来供求关系上看,都应该作为中国目前节能降耗重点科研攻关和政策扶持项目。它是中国“风电”市场科学发展和转型发展的有益探索,是中国“集中供热”实现绿色生产,降低能源消耗,减少二氧化碳排放量,履行国际环境保护承诺的科学发展之路。它必将对中国乃至世界的低碳经济发展都会产生深远的影响。
摘要：介绍了热电联产集中供热面临的困难,分析了风电市场目前的困境,提出了用风电作为城市集中供热的热源设计构想。
关键词：风电,集中供热,热源
参考文献
[1]李俊峰,施鹏飞,高虎.中国风电发展报告2010[M].海口:海南出版社,2010.
风电工程师眼中的国内风电行业 篇5
风电工程师又出差了，所以时间又很多，今天不谈比亚迪，就吹吹风电行业那些年的牛逼。其实呢，风电行业和电动汽车行业也还是能找到一些共同点的。我知道论坛里面也有一些风电的同行，欢迎拍砖。:office: 很久之前就有这么一个命题：风机制造业算不算高科技行业？真是一个好难回答的问题是吧？一般来讲，只有很少人能做的行业都可以算高科技行业，问题是中国人一会做，这还是少数人会做吗？80年代，美国波音公司（够高大上吧？）曾投入巨资研发风机，结果折戟而归，那时（国产还没有起来）我觉得风机真是很高科技。平心而论，我觉得风机制造业涉及了玻璃纤维材料、碳纤维、空气动力学、新电机、大型变速齿轮、结构力学、气象计算、预测，大型风电并网等诸多新的高技术含量的行业、要素，起码算得上一个比较有技术含量的行业。而且在风电行业的发展史上，一直是技术在推动成本的降低，从而推动风电行业的发展。
就全球来讲，我个人把风电行业分为婴儿期、爆发期和成熟期。
之所以这么分，一方面是讲产业规模，一方面是技术发展。
婴儿期：
从时间上来讲，我把2005年之前算着婴儿期，在这之前，全球包括中国的风电装机规模都很有限，当时主要是德国、丹麦等先发国家领先全球（代价是高额的补贴电价，收获是后几十年的技术领先）。
从技术发展来讲，个人认为在可控硅（即IGBT）成熟之前，风机的可靠性、成本都比较高，所以一直得不到大规模推广。在此之前，有单叶片、多叶片、垂直轴、水平轴等很多种技术流派湮灭在历史的长河中，目前主流的就只有3叶片水平轴风机，后面所讲的风机也全部都是这种风机。
风机发电的原理很简单，就是叶片转动的机械能带动发电机发电，这里就不作科普了。早期的风力机都是叶片带着异步电机定速运行的，即所谓定桨定速；但这是低效率的运行方式，风力机要保持最佳叶尖速比（叶尖线速度除以风速）才能有最佳的效率（是不是和发动机的最佳转速区间很像？）而这个所谓的最佳效率就是59.3%，即所谓贝兹极限。
可控硅技术、工艺慢慢成熟后，在风电行业得到了大规模推广，并且在兆瓦级领域完全淘汰了定桨定速风机。与之对应的，当然就是变桨变速风机，从此之后，风机发电效率明显提高；同时，由于是变桨变速运行，风机承受的载荷也明显降低，这导致风电场的整体成本和维修率也明显下降，风电行业由此迎来了成本快速下降，迎来了大型化、长叶片化的大发展期。
婴儿期的中国风电行业很冷清，基本上就金风、运达等几个勉强活下来的公司在惨淡经营，早期的洛阳一拖的公司把自己拖死了。那个时候，中国的风电场主要是丹麦维斯塔斯和西班牙歌美飒的天下。
鄙人03年进入风电行业，某央企业主（内行的人就知道是什么公司了），可买的风机也就上述那么几家，还有一个麦康，公司领导最后选择了有低息政府贷款的西班牙歌美飒（中国政府现在去非洲也是这个套路），用的就是这家公司的G58-850kW风机。当时还说可以送到西班牙培训2个月，真的好心动。可惜的是，西班牙公牛做事实在太慢，还没等到风电场建成，我就因为种种原因离开了这家公司，可惜了我的西班牙女郎啊！
04年风机采购和西班牙人谈合同有点趣事值得一说：谈判是安排在一个四星级酒店里面的，谈了5天5夜特辛苦，最后西班牙人还假装谈崩去机场，到了机场又松口回来签约。每天吃饭都在酒店里面，我们请客，一餐也就几百块吧，最后一天谈完对方要请回我们一次，于是我们找了一个高档会所开一桌，每人点了一个鲍鱼，一餐饭吃了两万多！全吃回来了！
我那个时候就是个小兵，虽然作为技术人也参会，但还负责端茶倒水，有一次路过某西班牙代表后面的时候，发现他正在看黄色图片，发现我过来急忙关网页！想想吧！一个西装革履、香喷喷的欧洲绅士在猥琐地看黄色图片，反正我笑喷了！
关于歌美飒和维斯塔斯有个典故：世界头号种子维斯塔斯看到西班牙的好政策在西班牙投资设厂，合资方就是歌美飒，该公司在西班牙是个大型机械设备制造商，好像是有直升机业务的。这一合资祸事来了：基本上吧，强取豪夺，工厂变成歌美飒的了！歌美飒还在维斯塔斯V52机型的基础上加长叶片，开发了新机型G58来主打低风速市场。
话说从那之后，维斯塔斯就对合资犯了怵，于是在中国市场就从没考虑过合资。某种上来讲，我认为维斯塔斯这个决定拯救了中国的整机厂商。
在这个时间，世界五百强级别的美国通用电气和德国西门子也通过并购进入风机制造这个即将爆发的市场，当然，它们的爆发都是2010年之后的事情了。
在这个时间，三哥家的苏司兰得益于印度本土市场一度排名世界前五。
这个时间，国产的头号种子金风开始有一些人员和技术积累，当然，它们的生存也是非常不容易的。本人05年曾有幸听过金风老大武钢的讲座，他曾抱怨公司招进博士生送到德国培训，结果培训结束，人家直接用人民币币值的欧元挖走（我当时想：我草，怎么我没有遇到这等好事捏）。
爆发期：
作为全球头号风电大国，爆发期当然是中国才能代表，所以我把2005年之后中国出台可再生能源法并明确风电电价之后，中国厂家大规模引进1.5MW级风机图纸进行生产作为爆发期，也就是那几年，中国奠定了世界头号装机大国和风机制造大国的地位。
在爆发期来临之前，风电的上网是没说法的，可再生能源法要求电网全额接收（限电问题另说），电价也要靠跑部前进去争取，做一个风电项目很难。
对了，同期还有个政策就是要求风机整机的制造要求70%的国产化率，因此有志于中国市场的厂家都来中国设厂。
个人觉得中国的风电政策好就好在固定电价，即根据风资源水平的不同分成4个上网电价：0.51、0.54、0.58和0.61，南方地区都是0.61.高于标杆火电价格的部分，由国家可再生能源基金进行补贴。而这个可再生能源基金呢，是全国范围内每度电提价0.8分钱（错了请拍砖）来的。所以，电脑前的各位看过，你们也是为中国的风电事业作了贡献的。
看到这个风电电价政策，有没有联想到电动车补贴？我的体会是：不管你补贴多少，只要你的政策明朗，操作性强，风电也好，电动车也好都能很快发展起来。
电价政策出来后，全国风电装机进入了一个非常迅猛的爆发期，具体情况可参考07-08年那一波的房地产暴涨，基本上也是一年一番，风电投资商到厂家厂房里去抢风机，抢塔筒，各个厂家赚得满盆满钵。多牛逼呢？塔筒知道吧，就是把钢板卷起来做下防腐措施再焊接起来，相比原生态的钢板基本上没什么附加值。目前开发商采购塔筒的到场价大概是9000元/吨，那个时候可以卖到18000元/吨！请注意：最近几年人民币注水起码40%。
爆发期不得不提的一个厂家是华锐，这家公司背靠大连重工，政府背景较深，一度成为中国第一、世界第二。此外，它还在政府的推动下，拥有中国首个也是截止目前唯一一个海上风电场的运行经验（上海东海大桥，世博会项目）。这家公司的成功固然有其政府背景的原因，其领导人韩总也是个牛人，赌博式的产能扩张，学习长虹买断零部件（齿轮箱）直接把华锐推到行业老大的地位上。可惜的是，做生意和上层势力关系太紧密是做不长的，内部管理做扎实才是王道。华锐上市直接定了个90块的高价，估计很少见上市价格是历史最高价的股票吧？华锐目前的股价是？至于韩总，因为种种问题，内部管理终于hold不住，走人，从目前看来，这家公司能否生存下来还比较难说，很可惜。
公众对华锐的了解可能还来自美国超导公司和华锐的知识产权纠纷。当时网上一片一边倒的骂声，无外乎就是华锐这个山寨中国公司这么不要脸，不讲道德，中国人的劣根性等等。呵呵，其实，这个超导就是一个二道贩子，本身没有生产IGBT等能力，不过就是凭借它的人脉关系能够拿到货（彼时，IGBT只有 英飞凌、三菱等区区几家公司可以生产），在中国风电行业井喷期坐享高额利润，等华锐可以自产把它踢开的时候就缠上来耍赖，问题是在这种环境下华锐被喷个满身屎还无从分辨。
重要人物：前国家能源局局长张国宝。中国风电行业的大发展可以说可这个人有非常直接的关系，国外曾有媒体酸溜溜的说他是中国的风电沙皇。除了上面说的几个政策，国宝主任还力推的多个特许权招标，将许多20-30万千瓦的大型项目给了中国公司，时间不长，也就那么三四年，但这就够了，足够一大批世界级的风机制造商成长起来。巅峰的时候，世界十大里面有6个来自中国！牛不？到后来，即使没有政府的保护政策，它们也用价格战让世界巨头在中国落花流水，世界头号种子维斯塔斯差点破产被收购（广东明阳活动了好久未成功），三哥的骄傲——苏司兰打道回府，美国大爷GE基本消失。中国从来没有一个有技术含量的产业这么辉煌过（我知道的）！估计各位也注意到了，我称呼那个人为“国宝主任”，其实这是我们同事间、行业间的一种昵称、尊称，我们对他是出乎内心深处的尊敬。可惜的是，他退休早了点。我有时候想，这个技术出身的官员，肯定有一种民族的使命感和责任感，所以才能和其他官员迥然不同。（铁男兄的事情可以对比）
要说中国的风机厂商能有今日除了“风电沙皇”的功劳外，当时没有合资厂也是一个很大的原因，否则的话，就像汽车行业一样，有这么一堆既得利益者兼带路党在，你的扶持政策很难发挥作用。
可能有人会问了：风兄，既然你说中国的风电制造业这么牛逼，那么它们的出口也不错吧？可惜的是，中国的风机出口一般般，重要市场如美国、欧洲、印度基本没什么作为，基本上就是一些边缘市场有点业绩，如南美之类。
分析分析原因：风电场的开发有几个条件，首先是要有风资源，再一个它的成本高于常规能源，所以没什么风和太穷的国家（或者俄罗斯这样的能源输出国）是不会发展风电的。
欧洲市场：这里是欧洲厂商的大本营，虽然它们的成本远高于中国厂商，但它们有的是各种技术壁垒（认证之类），中国产品过去比到美国还远，成本很高，优势体现不出来，厂商大概只能在东欧略有突破。
印度市场：苏司兰的主场，印度人很排华，中国大型装备制造业基本上进不去。本人曾在国外（和领导一起）接受过苏司兰某高层的接待，一路乘车（好几个小时）去它的风电场参观，路上聊天时那种提防情绪真是非常明显（我是你的客户耶？），什么你们中国人来了就怎么怎么的。领导（是海龟，出去给我当翻译，唉）当时的回答是：中国和印度是朋友，美国才是中国的敌人（貌似出去呆几天，英语听说水平大幅度提高，基本可以听懂）。新闻里看到广东明阳在印度拿到过20万的单子，不知道后续如何。
美国市场：美国牛仔很赤裸裸，很霸道，说中国的风机厂商倾销，尼玛你美国市场的价格是单位千瓦8000，中国是4000，我需要倾销？结果是：美国对中国厂家课以80%左右的反倾销税，中国的风机如果要出口到美国，上万公里运过去加上关税基本上就不用卖了！那么有人说我到你那里投资建厂，自己开发风电场总可以了吧？请搜索广东明阳状告奥巴马。总之呢，个人觉得美国市场不是中国品牌公司发展的地方，出口点没什么附加值的服装和玩具是可以的。从这个角度，我很不看好比亚迪在美国的发展，略微露头也必然会遭遇民族主义和国家安全大棒的狙击——如同华为。
在这一段时间，中国的风电装机超过德国、美国成为了世界第一，并不断扩大优势保持到现在。其实，中国的风资源、电价都不如美国。原因有几个：
一是美国的风电补贴政策极不稳定，导致历年的风电装机如过山车一般波动很大；
二是地方保护太严重，不同于中国市场的百花齐放（也可说泥沙俱下），美国市场是GE一家独大，能稍微分一杯羹的也就西门子、维斯塔斯这种世界级的公司。中国公司、美国其它公司都进不了美国市场，所以它的成本总是很高，老是要政府给予巨额补贴，所以总是有一顿没一顿，发展就不是那么顺。
是不是觉得挺奇怪，中国政府的执政能力竟然也有强过美帝的时候？
[ 本帖最后由 风电工程师 于 2014-06-26 11:27:51 编辑 ] 俗话说，盛极而衰，装备制造业经过一轮产能扩张后进入萧条期那是必然。所以下面说——成熟期。
退潮的时候，才知道谁在裸泳。这话不假，一阵风电热，很多质量参差不齐的风机装上去，如果中国的很多行业一样，该掉链子的开始掉链子，什么着火啦，倒塌了都有。再加上全面地产能过剩，风机价格急速下滑，风电场开发商终于从孙子变成了爷爷。从2010年之后可称为成熟期。
鄙人所在的公司就遇到过风机倒塌的大事故，所在分公司老大被直接拿下，但是——尼玛风机是前任装上去的好不好，前任都升上去了，倒霉的兄弟！还好，给下面的兄弟腾出个好位置。但风机制造商呢，从此被我们纳入黑名单，再也不买了！
好在，掉链子的公司只是少数，外资的维斯塔斯等公司一直指望着过两年（早几年时）国产风机大规模爆发质量问题，开发商重新买它们的高价风机（它们的销售对我说的）呢！反倒是它们自己在价格战中自身难保。
在这一段时间，中国的开发商，所有涉电的央企，五大四小，全部进入风电开发行业，上演了一波波圈地潮，风机安装潮，一不小心，北方的区域风电限电了！
国网觉得很无辜，你们都是央企，你们都有背景，你们都想并网，我掰不过你们，天天请客吃饭来腐蚀我，那就都并网吧！于是，风电过剩，就只有限电了，大家一起亏损吧！有人问：那为什么不加快电网建设进度呢？问题是风电场的建设周期不到一年（北方），而根据电网的流程，新建一条线路却要两三年！更别说可以长距离输电的高电压等级了，而且，你等规划先！
说到这个规划，又有人可能会问：为什么湖北自己的电不够用还要把三峡的电送到很远的上海等地方去呢？为什么要把鄂尔多斯的煤辛辛苦苦运到秦皇岛，又辛辛苦苦从秦皇岛运到到南方，再转运到南方的火电厂发电而不是直接从鄂尔多斯建火电厂用高压线送过去呢？是吧，初中生都会问的问题，答案是国家规划！问题是规划实在赶不上变化，搞笑吧！纪念一下给我八卦这个事的领导。
北方限风电还有个搞笑的事：京津电网是不允许接入风电的，理由是电网安全，我勒个去！分明就是利益在作怪好不好？就是他们不想买风电的高价电（除掉补贴相当于最高的火电价格），宁可让帝都人民吃煤灰。如果京津电网允许接入风电的话，消纳个几百万甚至千把万就像玩似的。
这一段时间，和电动车行业一样，地方保护主义也是存在的，很多省份都要求用地方自产的风机。这个事情没有造成大的影响也未大规模蔓延，一方面是国家层面的禁止，一方面风电开发商多为央企，可以不吃你地方政府那一套。鄙人所在的公司就经历过几次这样的事，最后都顶住压力没有让地方政府得逞。我想，地方保护主义没有盛行，可能也是中国的风机制造业能够有目前这种成就的一个原因，一个割裂、充满保护主义的市场是不可能培育出世界级企业的。
在这段时间，风机厂商过得很艰难，它们采取的办法主要两种，一个当然是技术进步，另一个就是圈地，捆绑资源卖风机。
技术进步主要是叶片的加长，扫风面积越大则汇聚的风能就越多，同样的风速和额定功率下，所发的电力就越多。这些年来，1.5MW级风机的叶轮直径从70米增加到77米、82米、87米、93米（GE还有1.6的100米），2.0MW级的风机则从72米、80米、87米、90米、93米一直增长到116米，还有厂家在研发更长叶片的风机。目前，原维斯塔斯等850KW级别的风机完全淘汰，1.5MW级别的逐渐边缘化，2.0MW级别成为市场最主流，而2.5MW虽有少量推广，但由于供应链的不成熟成本很高，估计短时间内难成主流。
叶片的加长导致风电开发的风速门槛大大降低，早年风电场的门槛风速要6.5m/s以上（2000小时），而金风最新的2MW-115风机将此门槛拉低到5.2m/s。或者说，大概在5.5m/s风速时，大概可将原2MW-82机型的满发小时提高50%，是不是很猛？
叶片加长的过程中，厂家要对叶片的翼型进行优化，对结构、载荷要有透彻的理解，并不是简单的加长那么简单。叶片的加长也伴随着材料技术的进步，想想：五六十米的部件，要在恶劣的环境下转动20年，需要多么NB的材料性能？随着叶片的加长、碳纤维成本的降低，碳纤维在风机叶片的大规模应用应该为时不远，到时候就象风机行业带动IGBT制造技术进步一样，普通轿车说不定也能享受碳纤维这种高科技产品呢？话说特斯拉当年要不是遇到IGBT大降价，可就死掉了！
目前，风机普遍大规模使用IGBT进行变频，双馈风机大概是额定功率的三分之一，永磁直驱则是全功率变频。有兴趣可按照世界累计装机容量计算一下IGBT的供应，相对电动车行业绝对是个天文数字。当然，电力行业的其它地方也是用了很多的IGBT。
IGBT这个玩意本人当年读书的时候有一本电力电子的书讲过，里面还有其它几种电力电子元件，现在是一点印象，连名字都想不起来了。前些年，IGBT生产门槛很高，现在能生产的就很多了。
从风电场反馈看来，IGBT还是比较娇嫩，对温度、湿度都要比较高的要求，是一个比较高的故障源。风机的IGBT是放在塔筒底部的，想来运行环境比不上汽车用的要恶劣，估计汽车用的IGBT应该比较难生产吧，我不懂，希望有内行的大神出来做做科普。
这个是金风1.5MW-82风机的底部，用于散热的风机功率竟然达到47KW，想来全功率变频的代价也不小，不知道效率怎样。
除此之外，在这段难熬的日子里，中国的风机制造商，还不断的优化供应链，推行零部件自产化，国产化，目前金风之类的厂家已经可以保证所有的核心技术在手，不会让老外掐脖子。
在这个过程中，风机厂商既提升了产品质量，又提升了技术，而且价格不变，像不像汽车产品增配不增价？当然汽车厂商比它们滑头。
这里提到了金风，也就说说这家中国最知名也最让我看好的公司。它来自新疆，中国最老牌的风机制造商（活下来的），永磁直驱体系的领军者，也是目前中国最大的风机制造商，个人以为该公司的产品质量为国产品牌第一，甚至不弱于维斯塔斯、GE、西门子等最NB的厂商，从长远发展看来，能够对抗西门子等公司的厂家也只有它。目前，金风的产品比普通国产品牌要贵10%左右，但仍然卖得最好，这充分说明，血拼到底的价格战没有用，长城汽车的热销也证明了这一点。
金风目前是上市的股份制公司，大股东是三峡，但好在公司管理权还是在武钢的个人手中，所以战略眼光和管理质量还是不错。我所在的公司用了不少金风的产品，功率曲线和可利用率都非常好，下面的截图是我们某个风电场集控中心拿来的数据，可利用率99%左右，绝对的世界级水平。
国产风机厂家中另外一个值得一提的是远景能源，入行有点晚，就象手机行业中的小米，横空出世，口碑很好，没两年市场占有率也就起来了。中国公司能够做出外企范的也就这一家了。
另外一家本土厂家上海电气其实底蕴、技术都还不错，可惜自废武功（原产品体系放弃）和西门子合资做带路党，估计也不会有什么作为了。
如果说哪家外国公司颠覆中国风机市场，估计也就西门子了。这家公司和美国GE一样都是全能选手，随手拿出来的都是最NB的技术（想想能做飞机发动机和高铁的公司是多牛逼的存在，虽然销售额不如大众，但论技术力应该是秒大众的），业务版块随便拆开都是世界五百强，该公司目前主攻海上风电市场，并且占据绝对领先地位。以西门子的技术和资金深度，除了GE没有哪个可以在海上风电领域追上它，但GE是没有海上风电业务的。
说了这么多，各位看官可能有个疑问：为什么风机整机厂商里面没有日韩厂家的影子呢？确实没有，我也好奇怪，这么丰厚的大蛋糕竟然集体缺席，中国厂商直接和欧美厂商同PK，水平还是可以的嘛！
风机厂家另一个有效地过冬方式就是圈地卖资源，目前中国境内的风机厂家中，除了维斯塔斯和西门子之外，没有哪一个厂家没有做这个事。具体做法是：厂家排出工作人员到有资源的地方和地方政府签约，开始测风做前期工作，多的甚至做到核准。风机厂家一般本身不做风电场运营。这个时候你开发商想过来接手是吧？没问题，用我的风机就转让给你，不加价。是不是觉得和比亚迪到处开出租车公司推广E6有点像？其实我觉得这是条好路子，行业是相通的。
再来说说海上风电，中国的海上风电虽然喊了很多年，但基本上没什么规模，除了上海东海大桥。技术储备不足是原因之一，世界上真正得到认可的只有西门子的4MW平台；更大的原因是海上风电选址难。外行人可能会觉得大海无边无际，随便找个地方插下去不就行了吗？不是的，作为一个后来者，海上原有的保护区、养殖区、航道、军事管理区、海底管线管道等你都要躲避，所以基本上你就找不到什么好地方做海上风电场了，除非你跑到很远的外还去，但那个成本是不得了。最近国家能源局发布了海上风电的电价是0.85元/千瓦时，基本上现有核准项目的开发商都要亏本。目前开发商都不太敢用国产风机（基本没有业绩），真自主选择的话，估计西门子就要赚翻了！但高层也发话了，如果是这样的话（都用外资风机），那就不如再等几年（国产风机成熟）。本人非常赞同这个观点，何苦花中国的钱去补贴国外的成熟产品的，中国还没有到那么缺电的地步。
再说说开发商，前面说过了，所有的涉电央企都进入了风电生产行业，几乎看不到民营企业的影子，原因很简单，门槛高：资本投入大，回收期慢（快10年），电费回收麻烦，发电不确定性大等，真要经营好风电场，你非要准备一个完整的管理班子不可，否则随便一个环节人家就把你坑了，这些年了解得越多，越觉得里面的水深。
说到底，这个行业，不适合民营公司玩，不是不让进，是划不来。有些套路，民营公司玩不出来，举个例子：某公司，也就是鄙人所在公司，要发展风电，资金不够怎么办？发行一笔债券，把债券作为资本金，又从银行贷款，自己不花一分钱就做起来几百亿资产的风电固定资产，还安置了一大堆领导干部，牛逼不？其核心，就是利用了央企本身的信用，反正它绝对不会倒，你比亚迪之类的公司绝对学不来。
开发商的着笔较少，因为鄙人觉得制造业，也就是那些整机厂家才是国家的基石，央企开发商，不过是一些小利益集团，不值一谈，虽然本人也是其中的利益记得者。
风电场的蓄电池室，电池是汤浅的，价格很贵，反正我们的采购价格比得上锂电池了
我觉得这个很浪费，还不如直接用一面磷酸铁锂的柜子代替，还能节省一个房间。这个已经向领导建议了，领导也很赞同。
风电产品设计 篇6
【摘 要】当前风力发电已经被广泛应用.风力发电是一种新型发电技术，与火力发电相比风力发电具有无污染的特点.在保护环境的观念日益深入人心的背景下风力发电的作 用越来越重要.当前分散式风场达到了风电场的无人值守的理想效果，使风电运行管理水平得到进一步提高。本文主要分析了基于分散式风电的集控方案设计与实施
【关键词】分散式风电；集控方案；设计实施
引言
当前风电产业的特点是高度集中、高电压和远距离。风电出力特性相比常规能源，它的波动更大，随机性也比较较大，可预测性偏低，一般情况下风电调度运行不能弃风。随之，风电产业采取“规模小、电压低、分布式、就地分散接入电力系统”的风电形式呼之欲出，称为“分散式风电”。
一、分散式风电集控系统的概述
分散式发电特点为：总装机的容量低，风机切入切出对微电网冲击很小；规模偏小，输电距离比较短，普遍运用风场把附近电网的变电站及输送线路；发出来的电能于地面快速消化，经济效益比较高，但风电也因分散的特点，也成了阻碍运行管理的主要因素，从而对风电相关技术要求越来越严格。
现代信息技术可以实现对风电场的远程监测控制。风电集控系统的主要内容包括平时对风电场设备运行状态和当地的风力状况进行监测；通过集中控制协调各个风机发电入网；在监测到设备故障时做出处理对策，及时解决保障系统平稳运行。
二、分散式风电集控设计方案
（1）集控设计的总体思路是利用调度和集中控制两个系统的协同运作来实现对分散的风电场运行状态的监测。
（2）风电集中控制的第一步是监测。监测的主要内容包括三部分：风场各位置风机的运行状态及运行中产生的各种数据；风场的监控录像数据；风场其他电力设备的状态数据。
（3）集控系统中监测系统的组成：发电风机的数据收集和监视控制系统，录像监视系统和主要电力设备，比如风场开关站的数据收集和监视控制系统。
（4）为了保障系统的安全可靠，需要在设计中进行冗余设计。
（5）为了提高系统的运行速度和监测的灵敏度，需要对集控系统进行分区。为了叙述方便，把对直接参与发电过程的设备进行监控的实时控制区命名为A区；虽然也随系统运行，但是不参与实时控制的非控制生产区为B区，另外一部分就是生产管理区，用C区表示。
三、分散式风场集中监控系统的网络设计
（一）风场端的网络设计
因为风场内数据安稳定性、安全性等方面要求各不同，设计上报方式也跟着不同。例如视频数据独立组网，直接接入光端机上报。无功补偿信息、开关站信息本身是IEC103报文，就可选择远动装置进行采集。对于气象测风信息、电能质量在线监测信息、电能量信息、风机监控信息，要进行规约转换装置转换为IEC103报文之后由远动装置进行采集。再运用远动装置将数据分类处理转换为IEC104报文经过路由器及纵向加密一并送往调度与监控中心。
（二）远程通信的网络设计
租用电力公司使用的通信通道是各风场及监控中心都设置有三个2M的独立数字通道。租用电力公司使用的通信通道是由离风场最近的变电站接入，再最远离监控中心的变电站接出。三个2M的通道供给视频信息、风机信息与远动信息进行使用。
（三）监控中心内网设计
监控中心内采用的设计为双网设计，有3个安全区。其中一个区是实时控制区，由1个分机数据服务器、2个监控工作站、1个AGC服务器、1个AVC服务器和1个GPS、2个数据采集服务器、2个风机操作员站组成。历史数据储存、安全监控、人机交互及网络管理功能及4座电场运行界面显示，从而达到风电场无需人值班的理想状态；达到对各风场设备情况有效监控的目的；提高对特殊状况下的判断能力；各风电场能安全的进行操作；各个风电场运行管理的进一步提高；也做到有效监控其他分析系统及满足应用的需要。
四、分散式风电集控的实际应用
（一）风功率的预测的实施
用物理模型分析及统计模型为基础的预测过程称为风功率预测，风电场未来的输出功率是依据数值天气预报数据及结合风力发电机组运行的情况预测分析出来的。而风功率预测子系统是依据风场实时有功无功数据与气象部门的数值天气预报数据、测风塔实测气象数据，要对未来某一时段风电场的发电情况进行分析预测是采用的是支持向量机、神经网络等多种计算法，并要及时报予电力调度部门。
（二）风场AGC的应用
当电网频率发生偏差较大时，为了使联络线的交换功率和系统频率能有效维持，各个控制地区应依据本区域内的控制误差来调控本地区内风力发电机组的出力，协调好电网从而进行调频。其电力系统调度依据风功率预测系统发布的风力发电场当前尽可能的最大出力，调度信息要充分考虑到经济能力、运行的安全性等制定出相应的控制发电对策，最后发送风场出力目标值到风机服务器。风机服务器再依据机组的实时运行工况及控制特性进行目标出力在风机上的分配，使风场功率调整和跟踪得到实现。
（三）风场AVC的应用
如风场离负荷中心远，又接入末端电网的情况下，由于受负荷变化和受风力资源的影响，因而电压有较大波动，造成了风场发电大时电压低和发电小时的电压高的问题越发严峻，电网的安全运行得不到保障。因而实现对无功的自动控制与系统的电压十分迫切。以电力调度下发的控制电压目标值为根据风场实时运行工况及结合设备的安全因素、电网，利用控制算法产生单台风机的无功输出目标值及场内SVG的无功输出目标值，最后转发到风机服务器、SVG控制器执行、开关站SCADA服务器，实现风场电压自动调整功能的整个过程就是风场AVC子系统运行的表现。
五、结束语
随着风电产业的的不断的发展，面对越来越庞大的风场监控的数据量，想要提高系统运行能力其控制系统相应的就要有更好更强大的硬件。要达到对统计点某时间段内的原始数据或者统计数据进行统计运的目的，系统也应能提供通用统计的功能，这样广大的用户就可通过自由选择统计算法。还应针对越来越复杂的风场特点，制定出一体化的控制系统设计的解决方案。其控制系统能有效处理相关数据，风功率预测、AGC、AVC等系统不再是孤立存在的，而是在同个数据服务、同个平台进行高效的应用。
参考文獻
[1]韩强，谭宇阳，张正中，马进.智能型风力发电调管控一体化综合应用平台设计[J].陕西电力.2012（06）.
[2]王剑彬，潘树军，白志深，谢芝东.电压自动控制系统在风电场的应用[J].内蒙古电力技术.2011（05）.
风电机组塔架优化设计系统分析 篇7
1 风电机组塔架优化设计系统结构分析
根据操作需求和功能的不同, 可以将整个风电机组塔架优化设计系统分为三个层面, 其分别是系统用户界面层、系统应用服务层以及系统数据存储层。
1.1 系统用户界面层
系统用户界面层相当于是整个系统的窗门, 在该层面的用户可以通过相关操作对整个系统的运行进行控制。同时, 系统也会将自身的运行情况和数据信息通过窗口的形式展现给用户, 使用户能够对整个系统的运行情况进行详细了解, 进而确保整个系统的高效、精确运行。
1.2 系统应用服务层
在该层, 用户可以对整个系统的具体运行情况和操作进行控制, 进而实现对风电机组塔架进行快速设计, 并对设计进行进一步优化。在该层面, 对Pro/E5.0软件系统的交互集成, 主要是通过Pro/Toolkit API来实现。
1.3 系统数据存储层
在整个优化设计系统中, 数据存储层是最重要的组层部分, 是整个系统得以实现运行和操作的基础。数据存储层的主要作用, 就是对系统运行过程中的相关数据进行存储。按照存储数据的不同, 可以将整个数据存储层细分为四个数据库, 分别是参数库、实例库、规则库以及模板库。
1.3.1 参数库
参数库, 顾名思义, 其主要作用就是对风电机组塔架的设计参数进行存储, 其中, 主要包括风电机组本身的技术参数、塔架设计的基本参数、塔架材料参数、零部件几何参数以及塔架设计优化参数等。
1.3.2 规则库
规则库所存储的主要是风电机组塔架优化设计中的装配约束关系, 而这些装配约束关系数据, 都是以固定的规则格式存储在规则库中, 当系统运行需要时, 直接对其进行调用。
1.3.3 实例库
该数据库内存储的主要是已经设计成功的风电机组塔架设计优化案例, 详细包括了整个塔架设计过程中所涉及到的相关数据、规则以及零部件配置信息等, 主要作用是为了给风电机组塔架设计优化提供可供参考的设计依据。
1.3.4 模板库
该数据库的主要作用是对塔架优化设计的模板文件进行存储, 通过这些模板文件能够直接对塔架的整体骨架进行快速组装和设计。而这些模板文件都存储在指定目录之下, 当系统设计需要时可以直接通过目录进行调用。
2 风电机组塔架优化设计系统功能分析
在风电机组塔架优化设计系统中, 按照系统功能的不同, 可以将整个优化设计系统分为四个功能模块, 其分别是结构配置模块、分析优化模块、参数化设计模块和设计输出模块。
2.1 结构配置模块
结构配置模块的主要作用是对整个塔架的总体结构进行详细设计和对塔架中零部件的结构组成配置进行设定。通过结构配置模块, 设计人员能够对的整个塔架的结构进行初步设定, 并根据优化设计需求对塔架所需零部件进行合理选择。
首先, 设计人员要在对风电机组塔架设计具体需求的基础上, 对整个风电机组塔架的总体结构进行初步设计, 并由企业管理人员对初步设计方案进行审查, 确定设计方案满足要求之后存储方案继续进行下一设计环节。其次, 在完成塔架总体结构设计之后, 设计人员应该在塔架总体结构初步设计的基础上对整个塔架的零部件进行选择, 同时, 为了确保选择的合理性, 设计人员应该从现有结构模型中进行选择, 以确定所选零部件的性能属性能够满足塔架优化设计要求, 确定没有问题之后, 、对零部件选择方案进行存储。
在此过程中设计人员还应该注意, 不论是在接下来的设计中发现塔架总体结构设计中出现问题, 还是企业要对塔架设计进行适当调整, 设计人员都应该在原有设计方案之下对塔架的总体设计进行调整和修改, 并将修改之后的方案进行存储。
2.2 分析优化模块
该功能模块的主要作用是对塔架总体结构的设计进行分析, 并对分析结果进行优化处理。在该功能模块, 设计者需要先从结构配置模块中取出塔架总体结构设计的主要数据, 并针对结构数据对初始参数进行准确设定。然后, 再利用有限元分析软件建立起有限元分析模型, 病通过求解器对塔架总体结构的静态强度和模拟形态进行详细计算和分析, 得出优化结果。最后, 根据优化结果对塔架总体结构进行优化设计, 并再次将优化结果存储。
2.3 参数化设计模块
在通过以上两个模块对整个风电机组塔架总体设计进行确定之后, 就需要通过参数化设计模块对塔架总体结构的相关设计参数进行提出分析和构建零件三维模型。通过参数化设计模块, 设计人员可以在对塔架总体设计结构的相关参数进行提出之后, 利用Pro/E二次开发接口将所得参数层输送到参数化程序中, 由该程序对整个塔架的总体结构进行计算分析和参数化, 然后生成塔架零件的三维模型, 为塔架零件的选择和构造提供科学有效的参考依据。
2.4 设计输出模块
设计输出模块的主要作用是将确定整体设计塔架的结构转化成二维工程图进行输出, 附带详细的总体结构图、部件图和零件图, 并注明详细尺寸和材料具体要求, 以确保整个塔架优化设计的顺利实现。
3 结束语
风电机组塔架优化设计系统, 是当前对风电机组塔架进行优化设计效率最高的一种设计方式, 但是由于该系统在塔架优化设计中应用的时间并不是很长, 所以多数设计人员对其并不是很了解, 也无法进行高效利用。因此, 作为设计人员, 应该不断加强学习, 加深对优化设计系统的了解和掌握, 进而不断提升自身的设计水平和设计效率。
摘要：风电机组塔架优化设计系统是当前应用较为广泛的一种设计方式, 设计效率较高。文中从风电机组塔架优化设计系统结构和风电机组塔架优化设计系统功能两个主要方面对系统进行了详细分析, 旨在加强设计人员对系统的了解, 进一步提高设计效率。
关键词：风电机组,塔架设计,优化设计,设计系统
参考文献
[1]矜岳亮.风电机组发电机的技术发展和展望[J].电力与能源, 2011 (02) .
风电机组的照明配电系统设计 篇8
关键词：风力发电机组,照明配电,照度,正常照明,应急照明
0 引言
风能是目前最具备规模开发条件的可再生洁净能源,随着现代科学技术的迅猛发展,风电机组的单机容量越来越大,为了能吸收更多的能量,机组的安装高度不断增加,叶轮直径加大[1]。而机组内的照明配电系统,对整机安全运行和设备检修有着不可或缺的作用。风电机组的照明系统主要是分为机舱照明和塔筒照明两部分。
照明配电系统的设计跟风力发电机组安装地点的自然条件和周围环境有关,存在不确定性,需要具体问题具体分析,本研究针对风电机组的照明配电系统进行分析与设计。
1 机组结构简述
水平轴风力发电机组示意图如图1所示。
1—风轮;2—机舱;3—塔架上段;4—塔架中段;5—塔架下段;6—电器控制柜;7—基础
1.1 机舱
机舱包括机舱座和机舱罩两部份[2]。机舱内有足够的空间用于维护,并配有相应的照明系统,即使在恶劣的天气条件下也可以不打开机舱罩进行维护,具有可靠的防雨、防霜、防雪、防沙尘等性能。
1.2 塔筒
风力发电机组的塔架为圆锥形钢结构焊接构件,是风力发电机组的主要承重构件。塔筒通常分为上段、中段、下段和基础段等四部分,各部分采用高强度螺栓连接,塔筒的空间较小,无窗口而呈封闭状态。根据安装高度的不同,塔筒内部的照明设备布置也有所不同。
以WD750型风力发电机组为例,不同轮毂高度的塔架各段的外形尺寸数据如表1所示。
2 照明配电系统设计目的
照明配电系统的设计目的:(1)优化照明设计,节约电能;(2)选择合理的照度标准;(3)合理采用电光源、电气附件等;(4)优化照明控制。
风力发电机组的照明通常分为正常照明、局部照明和应急照明:
(1)正常照明。保证风力发电机组稳定安全运行,方便维护人员日常工作要求,一般由市电供电。
(2)局部照明。为临时性电源供电,以满足机组运行过程中监控和检修设备之需要。可在机舱和塔筒内部主要设备的安装处,设置若干备用电源插座。
(3)应急照明。一般为安全照明和疏散指示标志照明,安全照明为正常照明的一部分。当正常照明因故失电时,无论应急照明的控制开关处于何种状态(开、闭),都应自动点亮。
本研究结合风电机组的结构特点和安装地区的自然环境,进行了照明配电系统的优化设计,实现绿色照明。在塔筒和塔架透光性较差的情况下,通过电气照明实现光过渡,使得由于机组内、外亮度对比变化引起的“黑洞”效应降至最低,设置了应急照明,采用UPS或EPS电源供电,在紧急情况下维持约30 min的供电能力,以便维护人员进行特殊环境下的照明要求和安全撤离,并保障机组的安全运行。照明控制方式根据运行需要,可集中控制、分组控制或单独控制。
3 照度计算
3.1 机组最小照度值
目前,尚未有风力发电机组的统一照明标准,可以根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008关于“电梯井道的照度不小于50 lx”的要求,或根据业主对照度的要求,选择最小照度值[3]。正常照明时,塔筒的最低照度为50 lx,机舱的最低照度为100 lx;局部照明时,按照度300 lx以上来选择和配置灯具;安全照明时,光照度维持在10 lx以上。
3.2 几点假定
由于风电机组结构的特殊性,为简化计算起见,本研究作如下的假定:
3.2.1 塔架
本研究以WD750风电机组65 m高的塔架为例进行照度的计算。
假定在塔筒的内壁表面涂浅灰色油漆,并设置检修用铁扶梯,如图2(a)所示。
由于塔筒的空间较小,无窗口呈封闭状态,相当于一条竖立的狭长的走廊。以铁扶梯为假想光照工作面,在其对面的塔壁上安装照明灯具,每一安装高度设置照明灯具。两种不同间距的照明灯具的均匀布置方案如图2(b)、图2(c)所示,采用不同的光源,对上、中、下各段分别进行照度计算。
由于塔筒截面为圆形,本研究用等效正方形断面来进行照度计算。各段塔筒的尺寸示意图如图3所示。设塔筒的平均直径为d,等效正方形边长为a,则:
具体计算数据如表2所示。
3.2.2 机舱
WD750风电机组的机舱外形尺寸为6 600×2 930×2 730 mm,两种不同的照明灯具布置方案如图4所示。机舱的照明灯具可依机舱的具体结构进行布置,以高出机组底部安装平面的0.65 mm处为光照工作面。
3.3 计算步骤
3.3.1 计算公式
利用系数法适用于灯具均匀布置的一般照明及利用周围墙、天花板作为反射面的场所。每一个灯具内灯泡的光通量:
最小照度值:
式中:K—减光补偿系数;S—房间面积,m2;N—灯具数量;η—光通利用系数;Z—最小照度系数(平均照度与最小照度之比)。
式(3)是当要求最小照度为E时,每一个灯具所应发出的光通量(lm);如果只需保证平均照度时,则不必乘以最小照度系数Z,一般是按照最小照度计算的。
3.3.2 计算步骤
(1)将所选灯具布置好,确定合适的计算高度。
(2)根据灯具的计算高度h及房间尺寸a、b确定室形指数i(i=a·b/[h·(a+b)],a·b=S)。
(3)根据所选灯具的型号和墙壁、天花板与地面的反射系数以及室形指数i,查得相应的光通系数η。
(4)确定系数Z值和K值。
(5)根据规定的最小照度,按式(1)计算每只灯具所必须的光通量。
(6)根据计算的光通量选择灯泡的功率。
(7)按式(2)验算实际的最小照度。
3.4 计算数据处理
3.4.1 正常照明时的照度计算
本研究选择照明灯具为普通白炽灯(PZ220-100、PZ220-60)和电子节能灯(YPZ220/35、YPZ220/65、YPZ220/85),在上、下层灯具的不同间距或不同的灯具数量的情况下,分别进行照度计算,选择较好的布置方案。
塔筒内,照明灯具为垂直安装:
(1)图2(b)方案,上、下层的灯具间距为5 m,每一安装高度分别安装2盏和1盏灯具,计算数据如表3、表4所示。
(2)图2(c)方案,上、下层的灯具间距为3.5 m,每一安装高度分别安装2盏和1盏灯具,计算数据如表5、表6所示。
机舱内照明灯具水平安装。计算数据如表7所示。
3.4.2 局部照明时的照度计算
在机舱和塔筒内部,局部照明作为正常照明的补充,局部照明的照度保证在300 lx以上,可利用临时移动照明灯具来实现。
3.4.3 应急(安全)照明时的照度计算
应急照明灯具的布置情况如图2(b)、图2(c)、图4所示,其光照度为:
(1)塔筒,不同间距时的计算数据如表8、表9所示。
(2)机舱,不同间距时的计算数据如表10所示。
4 照明灯具的选择与布置
4.1 概述
照明设计应对光源的各种性能(例如技术性和经济性)进行综合对比。光源的种类大概分为:白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯及LED灯[4]。各光源的技术指标如表11所示。为节约电能,应积极推广使用高光效、长寿命光源[5]。就风力发电机组而言,塔筒和机舱照明基本要求:
(1)保证足够的照度和必要的照明质量,包括良好的颜色显现,合理地限制眩光等。确保使用安全,包括防止照明系统运行引起火灾和电击事故,以及发生意外事故时保证人员安全疏散所必需的照明。
(2)尽可能选用寿命长、安全可靠、维护简单方便且有防潮、防溅、防污性能的照明灯具;光源品种尽可能少,以减少维护工作量;照明灯具要合理布置,有效发挥灯具作用。
(3)实现绿色照明,节约电能。
(4)考虑灯具的投资成本。
4.2 塔筒
塔筒的空间较小呈封闭状态,通风条件极差。塔筒内部潮湿,在运行过程中,电气元件的电磁线圈等散发的热量和空气中大量水汽,常在各种电气元件表面凝露,严重时使电气元件绝缘损坏和电气短路。因此,照明灯具应具有防潮、防溅、防污的性能,并且透烟雾性能好,以及寿命长、易启动、高效节能等特点。
照明灯具的安装位置视电气和机械设备的布置情况灵活安排。光线不宜被机械和电气设备或电缆等物件遮挡。同时应保证各段塔筒有足够的亮度,避免产生眩光或有不舒适的感觉。由于发电机组至控制屏之间,连接着许多电力电缆、控制电缆和通信电缆,它们或悬挂敷设,或沿塔架内壁敷设,施工时应尽量避免灯具与电力电缆安装在同一侧。不同安装高度的灯具,其安装位置应予适当的调整,或对临近敷设的电缆采取固紧措施。
为了便于机组的运行检修,本研究在塔筒底部的配电控制间设置局部照明,选用手提式、移动式照明灯具,电气连接线选用橡皮电力电缆,易于移动和避免损伤。照明电源由备用单相电源插座引出。为了便于机组检修时的临时用电,设置若干三相电源插座箱。
关于上、下层灯具的间距问题,应按最低照度的要求来确定。
4.3 机舱
机舱通风条件比塔筒好,但常有表面凝露的现象,灯具应具有防潮、防溅、防污的性能,同样要易于维护和更换,如选用矿用安全灯、防水防潮灯或平面灯等,照明光源选用白炽灯或裸钨灯等。需要临时观察设备的局部照明,其实施方法与塔筒相同。
4.4 其他
(1)在塔筒的门框上方,设置自充电式应急疏散指示标志灯,提供安全出口标记;
(2)宜在机舱顶部设置航空障碍灯。
5 供电系统
5.1 概述
(1)由于机组输出电压为3Φ～690 V,而照明配电系统输入电压为3Φ～400 V,需要通过自偶变压器或电力变压器进行电压变换。
(2)风力发电机组的照明配电系统为TN-S制或TN-C-S制,电气中性线(N)与保护零线(PE)分开敷设,以利人身安全[6]。
(3)照明配电系统为放射式配电系统,塔筒和机舱内的照明灯具分别实行就地集中控制。为了满足应急照明的要求,供电系统内设置EPS电源或UPS电源,由专用电源供电;照明配电回路应满足正常照明和应急照明的自动切换;工作照明回路和应急照明回路可共同安装在同一配电箱内。
(4)各照明配电支路在电气布线时增设PE线,选用漏电式保护自动开关。
(5)设置备用电源,内含三相和单相电源,以利于检修和维护。
5.2 用电负荷计算
机组照明设备的配置情况,如表12所示。
5.2.1 计算公式
低压用电设备的电气负荷计算采用需要系数法,按用电设备的性质进行分类。同类单组用电设备的计算公式为[7]:
或:
三相电源,且Ue.x=380 V时:
单相电源,且Ue.Φ=220 V时:
式中:Pjs、Qjs、Sjs、Ijs—该用电设备组的有功、无功、视在计算负荷和计算电流;Pe—该用电设备组的设备容量总和,但不包括备用设备容量;Ue.x—额定线电压;Ue.Ф—额定相电压;tgφ—与运行功率因数相对应的正切值;Kx—该用电设备组的需用系数。
5.2.2 计算数据处理
照明灯具(以图2和图4为例)选用PZ220-100型白炽灯为例,进行用电设备的负荷计算。
(1)正常照明容量估算,如表13所示。
(2)应急照明容量估算,如表14所示。
5.3 配电系统设计
由表13～14知,虽然用电容量不大,但考虑到日常的电气维修,本研究采用三相四线电源(3Ф380/220 V)供电。整台风力发电机组在配电间设置总照明配电箱,在机舱设置分照明配电箱。照明灯具以集中控制为主,应急照明作为正常照明的一部分并与此同时使用,考虑由同一单相电源供电。
6 应急照明的电源及其控制
6.1 应急照明切换时间
应急照明由EPS电源供电。EPS的电气原理方框图如图5所示。系统主要包括整流器、充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置等部分。其中,逆变器是核心。整流器的作用是将交流电变成直流电,充电器对蓄电池及逆变器模块供电。逆变器的作用则是将直流电变成交流电,给负载稳定持续地供电,互投装置保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换[8]。在市电供电正常时,EPS是通过它的交流旁路向负载供电。在市电故障时,EPS必须瞬间切换至蓄电池组侧供电,要求转换时间≤250 ms。即在市电供电中断或市电电压超限(±15%或±20%额定输入电压)时,由EPS中的逆变器来供电。
6.2 EPS的装机容量
应急照明对EPS的应急供电时间按工艺要求来决定,但要保证应急照明的照度值不低于正常照度值的5%。
EPS的带负载能力,不仅需要考虑逆变器在不同功率因数时的额定输出特性,还需要根据所使用的不同型号的应急照明灯具来选配EPS的输出功率和机型。同时,EPS的输出功率需考虑留有50%～100%的余量。若带有感性负荷,输出功率应留有更大的余量。
(1)当应急照明采用白炽灯时,EPS的满载输出功率为:
式中:S—EPS满载输出的视在功率,kVA;P—应急照明灯具的总安装容量,kW;功率因数取0.8(因EPS逆变器的输出功率按CosΦ=0.8时的视在功率标注的)。
(2)当应急照明采用荧光灯时,实际选用EPS的满载输出功率为:
其中:系数取(1.3～1.5),其原因是荧光灯启动时,存在较大的浪涌电流,故容量应增大。
6.3 EPS电池配置方案
原则上,EPS可以带具有各种不同功率因数的负载。EPS为应急照明系统供电,要求持续工作时间不宜≤30 min。
应急电源采用单体逆变技术,集充电器、蓄电池、逆变器及控制器于一体。系统内部设计了电池检测、分路检测回路。
(1)基本公式:
式中:S—EPS容量,VA;Cosφ—功率因数;Emin—电池放电终止电压,V;η—逆变器效率;Imax—最大放电电流。
(2)EPS技术参数:
电池供电标称为192 VAC时,正常电压220 VAC,放电终止电压165 VAC;
逆变器效率0.92;每只为12 V的电池,放电终止电压按10.3 V计算。
(3)计算举例:
由表12知,应急电源的计算容量P=2.9 kW,EPS的计算容量为:
选取S=4 kVA,则:
应急时间为30 min,蓄电池的安时为10.86 Ah(21.71×0.5)。本研究选择一组16节12 V/17 Ah(NP17-12型)蓄电池。
6.4 逆变器及整流器容量计算
如图5所示,则:
C点逆变器输出功率为:4×0.8=3.2 kW;
B点直流侧(DC)功率为:3.2/0.92=3.48 kW;
直流侧(DC)电压:额定192 V,最低值165 V;
EPS由电池供电之低电压点为3.2×103/192=16.67 A(额定值),3.2×103/165=19.39 A(最大值)。
6.5 控制
在进行应急照明供电设计时,本研究可采取“应急照明作为正常照明的一部分并与此同时使用”的这一形式,并设有单独的控制开关及配电线路,没有必要将全部应急照明灯都选用带蓄电池的照明灯具。
7 现场应用情况
该照明配电系统已应用于WD750型风电机组,从现场实际使用情况来看,该照明配电系统合理地分配了光源降低了“黑洞”效应,又兼顾各类照明的要求。在现场出外电网因故障突然断电时,风电机组的应急照明系统能迅速投入,保证临时的紧急照明需要,为风电机组的正常维护和临时应急照明提供了保障。
8 结束语
本研究就照明配电系统、照明灯具的选择、照度的选择与确定、应急电源的计算与选择等问题进行了分析与研究,并在风电场现场实际使用。现场使用情况良好,既方便实用又增加了风电机组的安全性。目前已批量推广使用。
参考文献
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[5]田长虹.关于对大中型商业建筑照明的浅析[J],电工技术,2004(7):43-44.
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[7]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.
某风电场基桩设计探讨 篇9
关键词：风电工程,基桩,抗拔桩,设计探讨
1 工程概述
上海某风电场,采用国产某型号风机,单机容量2.0 MW,轮毂高度80 m。场址地势平坦,处于河口、沙嘴、沙岛地貌与潮坪地貌两种地貌类型的交汇过度地段。地质勘察资料表明,该地段土层的埋深、厚度与土性较为稳定。
由于风力电机塔架高,基础面积小,加之受风力影响,为防止塔身倾斜,因此对基础要求深入土层以保证其稳定可靠,天然地基不能提供相应的抗拔、抗倾覆等力,需采用桩基础。从揭露的土层来看,地基土主要由②3a层砂质粉土、②3b层砂质粉土,④层淤泥质黏土,⑤1层粉质黏土,⑥层黏土,⑦1a层砂质粉土、⑦1b层粉砂及⑦2层粉砂组成。②3a层砂质粉土与②3b层砂质粉土,稍密～中密,中等压缩性,土质尚可,但埋深浅,不能作为本工程风机塔基的桩端持力层,但对本工程桩基有利。④层淤泥质黏土和⑤1层粉质黏土为软土,软塑～流塑状,高压缩性,承载力低,土性差,埋深浅,不能作为本工程的桩端持力层。⑥层黏土,性状较好,中等压缩性,可塑～硬塑,但厚度较小,埋深浅,不能满足抗拔、抗倾覆等要求,不能作为本工程的桩端持力层。⑦1a层砂质粉土、⑦1b层粉砂与⑦2层粉砂性状好,中等～低压缩性,中密～密实,埋深与厚度合适,均可作为本工程的桩端持力层。⑦1a层砂质粉土与⑦1b层粉砂可优先考虑作为本工程的桩端持力层。
2 桩顶作用效应计算
2.1 按现行国家标准规定计算
根据FD003-2007风电机组地基基础设计规定7.2.2条规定,荷载效应采用标准组合,厂家提供的荷载标准值应修正为荷载修正标准值,荷载修正安全系数取为1.35。基础结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1。
初步确定风机基础形式和尺寸为:桩基承台分为上下两部分,上部为圆台体,下部为圆柱体。根据风机塔架荷载特点,在承台底部分别沿半径R1=8.0 m和R2=3.0 m的两圈圆周均匀布置16根和4根直径0.8 m的钻孔灌注桩,共20根。
根据GB 50007-2002建筑地基基础设计规范、FD003-2007风电机组地基基础设计规定和JGJ 94-2008建筑桩基技术规范的有关规定,计算桩顶作用效应,结果见表1。
2.2 按上海地方标准规定计算
由于本工程位于上海市,故除采用国家现行行业规范进行设计计算外,还应采用上海市工程建设规范DGJ 08-11-1999地基基础设计规范对桩基础进行设计计算。
根据FD003-2007风电机组地基基础设计规定和DGJ 08-11-1999地基基础设计规范6.2.1条的规定,计算时所用到的荷载设计值=荷载分项系数×荷载修正安全系数×厂家提供的荷载标准值。计算结果见表2。
2.3 结果分析
上述计算结果的差异,是由于相应规范中设计表达式的不一致引起的。设计表达式包括现行国家标准GB 50153工程结构设计可靠性统一标准、各行业结构设计统一标准、国家各工程领域的设计标准与行业规范以及各地的地基基础地方规范在内的各类规范,情况各不相同(见表3)。
正是由于表3所表示的差别,使得计算结果有较大的差别,在无法确定何种规范起控制作用时,应在设计工作中同时予以考虑。
3 试桩力计算与分析
按国家标准计算,单桩极限抗压承载力标准值为2 392×2.0=4 784 kN,试桩下压力应不低于4 784 kN;单桩极限抗拔承载力标准值为702×2.0=1 404 kN,试桩上拔力应不低于1 404 kN。
按上海规范计算,单桩极限抗压承载力标准值为3 601×1.6=5 762 kN,试桩下压力应不低于5 762 kN;单桩极限抗拔承载力标准值为1 511×1.6=2 418 kN,试桩上拔力应不低于2 418 kN。
按照国家标准计算的试桩下压力为按上海规范计算的83.0%,而上拔力却只有58.1%。为什么上拔力计算结果如此悬殊,原因在于风电工程荷载的特殊性。
表4是风电机组制造商提供的一组极端工况荷载标准值。表4中的扭矩、水平力及水平弯矩均为活载,恒载只有竖向力。
对比JGJ 94-2008建筑桩基技术规范公式5.1.1-2和上海工程建设规范DGJ 08-11-1999地基基础设计规范公式6.2.1-3,可知结果差异在于后者存在荷载分项系数及结构重要性系数。按照FD003-2007风电机组地基基础设计规定的规定,活荷载分项系数=1.5(极端和正常运行荷载工况的水平合力、水平合弯矩、扭矩。 结构重要性系数取1.1),恒荷载分项系数=1.0(极端和正常运行荷载工况的竖向力、承台和上覆土重。对上拔桩不利,结构重要性系数取1.0),1.2(极端和正常运行荷载工况的竖向力承台和上覆土重。对下压桩不利,结构重要性系数取1.1)。
JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中计算单桩竖向极限承载力标准值的安全系数K=2.0,而DGJ 08-11-1999地基基础设计规范中相应的参数单桩竖向承载力分项系数γR=1.6。一般工程中,总荷载中恒载占较大比例。因此按照恒载分项系数1.2和活载分项系数1.4～1.5来加权平均,约等于1.25～1.30,正好与K/γR=1.25接近,使得一般工程使用两种规范的计算结果不会有太大的偏差。但是对于风电工程,由于风力等活载引起的荷载对单桩竖向受力计算结果的比重较大,使得加权平均后的荷载分项系数接近于1.50,并且承载能力基本状态下的基本组合需要考虑结构重要性系数,使得使用两种规范的计算结果偏差过大。
4结论和建议
1)由于风电工程荷载的特殊性,分别按照国家标准和上海地方标准计算得到的单桩竖向受力及试桩力偏差较大,主要原因是活载占总荷载中的比重过大。2)在无法确定何种规范起控制作用时,应在设计工作中同时予以考虑。
参考文献
[1]JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].
[2]FD003-2007,风电机组地基基础设计规定(试行)[S].
[3]GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].
[4]DGJ 08-11-1999,地基基础设计规范[S].
风电产品设计 篇10
1 TRIZ理论介绍
TRIZ是由发明家阿奇舒勒创立的, 包含发明问题解决理论的意思。1946年, 阿奇舒勒和一批研究人员通过分析世界近250万份高水平的发明专利, 总结出各种技术发展进化遵循的规律模式, 以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则, 建立了一个由解决技术问题, 实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系, 并综合多学科领域的原理和法则, 建立起TRIZ理论体系。TRIZ理论是基于知识的、面向设计者创新问题的解决系统化方法学, 适用于各行业[1]。
TRIZ理论体系以辩证法、系统论和认识论为哲学指导, 以自然科学、系统科学和思维科学的分析和研究成果为根基和支柱, 以技术系统进化法则为理论基础和核心思想, 包括了解决工程矛盾问题和复杂发明问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程[2]。
2 TRIZ的矛盾理论及矛盾分析解决过程
在产品设计和改进过程中, 首先需要保证或提高产品的某些性能, 这可能会导致产品的其他性能受到影响。如果由于设计和改进而产生的影响是负面的影响, 则设计改进过程就出现了矛盾。因此可以说产品设计改进的重点就是解决设计改进过程中出现的各种矛盾。
TRIZ理论解决问题的根本就是消除矛盾, 矛盾的消失意味着问题的解决, 其本质是在解决问题过程中, 为得到理想结果, 找到问题中的关键矛盾并克服矛盾得到创新性解决方案的方法论。TRIZ理论认为在一般产品设计改进中存在两种矛盾:技术矛盾和物理矛盾, 对这两种矛盾的解决是TRIZ理论研究的重点。下面对这两种矛盾及解决原理分别进行介绍。
2.1 技术矛盾及其解决原理
技术矛盾是指在一个技术系统中两个参数之间的矛盾。为了改善技术系统中某个参数, 导致该技术系统的另一个参数恶化, 因而这两个参数之间产生了矛盾。TRIZ用数学上比较常见的矩阵方式来简单地表述找到解决办法的途径。TRIZ理论的发明者通过研究总结出一般技术问题中39个系统矛盾对立的技术参数, 并且提炼出了解决矛盾的40个标准方法, 进而由39个矛盾对立的技术参数和40个标准解组成了矛盾矩阵。在阿奇舒勒的矛盾矩阵中, 将39个通用工程参数横向、纵向顺次排列, 横向代表恶化的参数, 纵向代表改善的参数, 在工程参数纵横交叉的方格内的数字代表建议使用的40个发明原理的序号, 39个通用工程参数和40个发明原理可参考文献[3]。
利用TRIZ矛盾矩阵表 (见表1) , 将特定的问题准确地描述后, 应用39个技术参数, 使其变为一般性质的问题;从表中的40个解中找到解决问题的一般方法;结合实际工程情况, 形成特定的解决方法。
2.2 物理矛盾及其解决原理
物理矛盾是指在一个技术系统中同一个参数的矛盾。采用分离原理是解决物理矛盾的有效手段, 包括时间分离、空间分离、条件分离、整体与部分分离 (系统级别分离) 。各个分离原理与多种发明原理对应, 可结合工程实例帮助设计人员尽快确定新的设计方法。
2.3 矛盾分析及解决过程
对于产品设计改进中出现的无论是技术矛盾还是物理矛盾, TRIZ理论采用一系列的分析工具, 先将特定的产品设计改进问题抽象为标准的或一般的问题, 即找出矛盾的类型, 然后采用技术矛盾或物理矛盾的解决原理找出标准的解决方法, 最后结合问题实际得到特定的解。
利用TRIZ矛盾理论分析解决步骤为:对具体问题进行分析;提取问题中出现的通用工程参数 (39个) , 形成技术矛盾或提取问题中出现的问题参数, 形成物理矛盾, 将问题转换为标准的或一般的问题;应用矛盾矩阵或分离原理分析问题;通过矛盾矩阵或根据分离原理找到相符合的发明创新原理;以创新原理作为指导和启示, 结合实际问题得到具体解决方案。
3 TRIZ的矛盾理论在风电产品设计上的应用
近些年, 风电行业迅速发展, 为快速响应市场需求, 提高产品竞争力, 风电企业必须不断提高产品性能, 降低设计成本。应用TRIZ理论, 则可以高效快速地进行产品设计, 提高产品竞争力。在具体工程实际问题中, TRIZ的矛盾理论应用最为广泛。下面是在风电产品具体设计中利用TRIZ矛盾理论解决产品设计问题、提高产品性能、降低产品成本的2个应用实例。
3.1 应用实例1的问题描述与提取矛盾
1) 问题描述。在某兆瓦级风力发电机组主传动系统设计中, 锁定盘与主轴通过螺栓连接, 以实现对轴承内圈的预紧和叶轮的锁定。现有设计方案为锁定盘通过直径φ2020节圆上均匀分布的60个螺栓与主轴连接, 经计算该设计方案中连接螺栓对轴承内圈的预紧不够, 需要增大螺栓预紧力。
2) 提取矛盾。增大螺栓预紧力的主要措施是:增大螺纹直径和长度;增加螺栓数量;增大螺栓分布节圆直径。因其他结构设计要求, 螺纹直径和长度不能增加;考虑扳手空间, 螺栓数量不能增加, 故只能通过增大螺栓分布节圆直径的措施增大预紧力。该锁定盘结构若增大60个螺栓均匀分布节圆直径, 则会与加强筋干涉, 连接螺栓数量只能设计为24个, 预紧力反而会降低。
根据问题描述, 首先从39个通用工程技术参数中选取并确定一对技术矛盾:预改善的参数:力 (10) ;恶化的参数:物质或事物的数量 (26) 。对照矛盾矩阵, TRIZ矛盾理论建议的发明原理序号为:35, 14, 3, 对应的发明原理为35为参数变化, 14为曲面化, 3为局部质量。
3) 发明原理应用。利用局部质量的发明原理, 使组成物体的不同部分实现不同的功能, 使组成物体的每一部分都最大限度地发挥作用。结合该问题实际, 解决方案为:在直径φ2020圆上均匀分布36个螺栓孔, 在直径φ2420圆上均匀分布24个螺栓孔, 经分析计算, 该方案可满足连接螺栓对轴承内圈的预紧力要求。
3.2 应用实例2的问题描述与提取矛盾
1) 问题描述。某大兆瓦级风力发电机组机舱部分整体尺寸为15 m×7 m×7 m, 重量约245 t, 整体发运至吊装现场存在超高、超重等问题, 故需分体发运, 其中前机架部分的运输是难点, 需制作相应的运输支架, 满足运输要求。在风机机舱各部分发运至现场后又需整机安装支架进行现场装配, 完成整机装配后再进行整机吊装工作。前机架的运输支架约6 t, 现场安装支架约14 t, 如果运输支架和安装支架有部分可以通用、互换使用, 则可减低设计制造成本, 提高利用率。
2) 提取矛盾。首先建立矛盾模型, 前机架指分体运输中需要专门制作运输支架的主要部分, 机舱指现场装配的机舱整体部分, 支架既指运输支架, 亦指安装支架。
运输支架设计要求在保证不超过运输尺寸的情况下, 重心尽可能地接近地面;安装支架要求现场安装的各零部件与支架、地面之间互不干涉, 且可进行安装的空间尽可能大。故该问题的矛盾为物理矛盾:支架在运输时高度分析尺寸尽可能低, 在用于安装时尽可能高。
3) 解决方案。基于以上对该技术问题矛盾的分析, 运输时要求支架低, 安装时要求支架高。利用实用TRIZ理论的空间分离、时间分离法对矛盾进行分析, 结合工程问题实际解决方案为:将该机舱运输安装支架设计为底座和法兰筒体两部分, 底座高度为640 mm, 法兰筒体高度为440 mm, 底座用于机舱运输, 将法兰筒体通过螺栓连接在底座上, 用于机舱现场安装, 支架用于安装时总高度为1 080 mm, 机舱各部分装配与支架、底面不存在干涉。底座约10.9 t, 法兰筒体约3.4 t, 用于机舱运输安装的支架总重14.3 t, 实现了运输支架和安装支架的部分通用性和互换性, 同时降低了重量。
4 结论
经过实践的检验, 应用TRIZ理论已为风电产品设计提供了很多有效的创新方法和创新思路, 大大提高了设计效率, 降低了设计成本, 提高了产品竞争力。如今TRIZ理论已在全世界广泛应用, 经过半个多世纪的发展, TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系, 是有效的创新方法与技术手段。为此, 各企业单位和研发机构应大力推广TRIZ理论在产品设计中的应用, 为企业获得更大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]刘尚明, 刘东亮, 郭伟.TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用[J].现代制造与设备, 2007 (3) :43-44, 84.
[2]郭青山.TRIZ理论及其在现代机械产品创新设计的应用[J].商业经济, 2012 (2) :35-37.
华锐风电:参与爱尔兰风电场项目 篇11
记者连线：华锐风电证券部工作人员称，的确有这回事，但公司只是跟爱尔兰方面签订了框架协议，合作的一些细节还有待讨论和确认，所以目前公司没有发公告。等有了一定的进展，公司会依照要求进行披露。
据爱尔兰媒体爆出，该国企业Mainstream Renewable Energy同中国公司华锐风电和国家开发银行达成一项协议，将在有关爱尔兰风能项目上投资15亿欧元(21亿美元)。Mainstream执行长表示，该项目将包括五年之内建设总发电能力为1000MW的风力发电场。
据悉，爱尔兰项目是华锐风电的第一个海外项目，其一期风电装机容量将为50兆瓦（在今年开工），第二阶段则是150兆瓦（明年开工），随后3年内总计将装机容量为800兆瓦。华锐风电将不仅是风电设备的提供商，同时也将对该风电场进行投资。此外，国家开发银行将作为爱尔兰项目的融资方，但具体融资额度和方式尚不清楚。
去年9月，国开行与华锐风电在京签署《开发性金融规划发展与战略合作协议》。根据协议，国开行将为华锐风电提供总额为65亿美元的融资合作额度，以中长期融资支持风电龙头企业迈向国际化。
风电机组塔筒设计和优化 篇12
风电机组塔架的作用是支撑机舱和风轮至合适的高度，使风轮获得较高且稳定的风速以捕获尽可能多的风能。塔架承受机组自重以及风作用下的推力、弯矩、扭矩，对于保证机组安全运行至关重要[1]。大型风电机组普遍采用钢制锥形塔筒，其一阶固有频率位于风轮旋转频率的1～3倍之间，可称为“半刚性塔”，本文主要介绍该型塔筒的设计和优化过程。
1 塔筒设计的主要技术问题及其受力分析
1.1 主要技术问题
塔筒设计的主要技术条件有风资源情况、叶片长度、载荷、寿命、环境温度、基础型式、制造运输限制等，对应的主要技术问题如下：(1)结构问题，即外形尺寸限制；(2)动力学问题，主要指塔筒固有频率的选择；(3)静强度问题，即极限载荷作用下的承载能力；(4)疲劳强度问题，即交变载荷作用下塔筒的疲劳寿命；(5)稳定性问题，主要指轴向力（产生弯矩）和横向力作用下的屈曲稳定性；(6)螺栓强度问题，主要包括各法兰螺栓连接强度；(7)内件设计，即人机工程。
1.2 塔筒受力分析
塔筒受力简图如图1所示，塔筒载荷主要包括推力、竖向力和弯（扭）矩。图1中，m1为叶轮和机舱自重；m2为塔筒自重；F1为风对叶轮和机舱的水平合成推力，该力对塔筒强度影响最大；F2为风对塔筒的水平推力；F3为风电机组对塔筒的竖向力；H、L分别为塔筒高度和轮毂中心高度；D1、D2分别为塔筒底径和顶径。
2 塔筒设计计算的基本原则
2.1 外形尺寸
高度是整机和塔筒设计的基础参数，其高度可按0.8～1.2倍风轮直径初定，考虑地形地貌因素的最低塔筒高度可用下式计算：
其中：h为风电机组附近障碍物高度；C为风轮扫掠最低点到障碍物顶部的距离；D为风轮直径。通常安装于海上、沿海滩涂、草原等平坦区域的风电机组可以采用相对较低的高度。
直径对塔筒强度和刚度有较大影响，塔顶直径由偏航轴承确定，塔底直径按运输限高确定，对大型机组越大越好。
2.2 强度计算
塔筒设计必须在各种工况下对塔筒进行静强度分析，判断塔筒能否承受极限载荷，即塔筒静载荷下的最大应力必须低于结构的许用应力。同时还需要对塔筒进行疲劳分析，可采用基于Miner线性累积损伤理论的等效常域谱简化疲劳分析方法。另外，塔筒最大变形量也必须满足一定要求。
塔筒强度取决于材料性能及各截面尺寸，一般根据环境温度按照GB/T 1591选择Q345C/D/E低合金高强度结构钢。塔顶壁厚大约取直径的0.5%，塔底壁厚考虑门框应力集中可适当加大，中间壁厚可采用插值法渐变。为了达到塔筒整体等强度效果以节约重量，可采用锥形渐变截面形状。
根据中国船级社规范，取塔筒金属材料局部安全系数γm=1.1，重要失效局部安全系数γm=1.3（按三类构件考虑），故静载荷应力安全系数为1.43，疲劳载荷安全系数为1.265。
高耸结构设计规范对高耸结构正常使用极限状态下的水平变形限值为H/75，约为1.33%。塔筒作为一种特殊的高耸钢结构形式，其顶部存在较大质量和集中载荷，为确保风电机组正常运行，建议将塔顶最大变形量即许用挠度控制在总高度H的0.5%～0.8%，在极端工况下，塔顶最大变形量可放宽至H的1%以上。
2.3 模态分析
根据风电机组设计要求，为防止出现共振，在机组工作转速范围内，塔筒固有频率必须与激振频率保持不低于10%的间隔[2]。因此设计风电机组及其塔筒时，必须进行动力学设计，分析塔筒的固有频率和振型。
影响塔筒固有频率的主要因素包括塔筒高度、截面尺寸、风电机组自重、材料性能等。通常，对塔筒频率影响最显著的参数为高度，其次是塔底直径。图2和图3分别为某机型塔筒的频率与塔筒高度及顶部质量（风轮和机舱）关系曲线。
2.4 屈曲稳定性分析
塔筒是一种长径比较大的薄壁圆筒结构，作用在塔顶的轴向压力对塔筒各截面产生弯矩，当外载荷达到一定程度时，将会使塔筒某一截面应力超出其屈服极限，产生局部失稳而导致塔筒发生破坏。研究稳定性的目的在于确定塔筒的临界载荷及其相应的失稳模态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。
2.5 螺栓连接强度
各段塔筒法兰之间采用高强度螺栓连接，由于受力复杂且恶劣，塔筒连接螺栓容易松动、失效。为了提高机组运行安全性，需要对连接螺栓进行强度计算。建议采用有限元方法或基于VDI＿2230体系进行精确计算。
3 塔筒设计的经济因素
塔筒重量占风电机组总重的一半以上，其成本占总成本的15%～20%（高度越大，比例越高），作为风电机组的重要组成部分，其设计必须考虑整机的经济性能。
3.1 高度对整机成本的影响
风电机组吸收风能的能力与风速三次方成正比，而根据公式（2）可知高度越大，风速越高，因此增加塔筒高度可以提升风电机组发电量。高度Zn处的风速vn(m/s）按下式计算：
其中：vi为Zi高度的风速，m/s；α为风切变指数。
随着高度的增加，塔筒载荷近似线性增加，而刚度及频率下降，为保持塔筒强度与刚度不变，就需要额外增加塔筒的直径和壁厚，使得塔筒重量增加幅度大于高度增加幅度。再考虑到塔筒运输和吊装成本增加，动力电缆加长，增加的总成本往往也较为可观。图4为统计得到的某型2 MW风电机组塔筒高度与成本的关系（假定70m高度塔筒成本100万元），可见，随着高度增加，成本近似呈指数增长，因此，是否增加塔筒高度应取决于风电机组发电量增量与塔筒成本增量的效费比。
3.2 其他影响因素
塔筒一般设计为若干分段，各段长度主要取决于制造和运输成本，如山区出于路况限制，往往要求控制单段长度和重量。但是在运输条件较好的地区，适当减少塔筒分段则可以减少高成本法兰的使用。筒节的高度主要考虑钢板采购成本，建议展开宽度为2m～3m，此规格的板材价格低且运输便利。
塔筒各截面承载能力主要取决于其直径和壁厚，一般可在适当增大直径的同时减小壁厚，从而达到足够的抗弯模量和惯性矩，并能够尽量减小截面面积，也即塔筒重量。
传统上各段塔筒采用锻造法兰连接，近年来反向平衡法兰技术也逐渐得到推广应用，该型法兰重量轻、易加工、连接螺栓维护工作量小，可以降低造价[3]。
4 设计实例
某型风电机组初始设计塔筒高度100m，模态分析发现塔筒一阶固有频率为0.29 Hz，而风轮切入转速的3倍频为0.302Hz，二者相差约4%，不满足设计规范要求。为达到适当强度和一定频率间隔以保证机组安全，且尽量提高风电机组总体收益水平，本文根据该项目所在地风资源等实际情况，提出了多个塔筒设计方案，结合有限元计算，对比分析了95m～110m高度、5.5m～6.5m底部直径范围内的多种塔筒结构参数组合，综合考虑技术和经济因素影响，从中选择出最优配置。
图5为该机组坎贝尔图。由图5可见，塔筒一阶固有频率0.270Hz在风轮转频1～3倍之间，符合半刚性塔筒的特征，在风轮转速为6.1r/min时，风轮3倍频为0.303Hz，与塔筒固有频率相差12.2%；风轮转速为10.1r/min时，风轮1倍频为0.168Hz，与塔筒频率相差37.8%。满足风力发电机组规范要求，整个机组在运行过程中是稳定的。
图6、图7分别为塔筒变形云图和等效应力云图。
由图6可知，塔筒顶部最大变形为995mm，变形幅度约为塔筒高度的0.98%。塔筒材料为Q345钢，40mm～63mm厚度板材的许用应力为227.3 MPa。由图7可知，塔筒等效应力最大值位于塔筒与门框连接过渡圆角处及塔筒根部，最大值为219.3MPa，低于许用应力值。
图8为该机组5年运行期内风切变指数与新增发电量收益关系曲线，可见随着风切变的提高，风电机组新增发电量收益越显著。由于本项目风切变一般，若大幅增加塔筒高度（10 m及以上），其5年～10年内的净收益低于增高5m的设计方案，因此设计优化为105m高度塔筒是更好的选择。
5 结束语
塔筒是风电机组的重要组成部分，本文基于风电机组整机性能匹配和降低塔筒重量、提升收益水平，介绍了半刚性塔筒设计的一般流程，总结了塔筒设计的技术和经济影响因素，为塔筒优化设计提供了依据。
参考文献
[1]芮晓明.风力发电机组设计[M].北京:机械工业出版社,2010.
[2]中国船级社.风力发电机组规范[M].北京:人民交通出版社,2008.