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风电设备技术背景解析(zt)
1、整机
1x@Fg#s1b&I4b8\(~ 随着装备制造技术的不断提升，风电机组的性能不断提高，技术上体现如下一些特点：Xu~}9S,| y
（1）单机容量继续稳步上升。\t8U Lfvu$u$f
20 世纪80 年代生产的旧式机组单机容量仅为20kW～60kW，而今天在风电市场上销售的
%Q f.C.@;ZP 商业化机组容量一般为600kW～2,500kW。目前单机容量最大的风电机组是由德国Repower^a-Xx%|;F9c_
公司生产的，容量为5MW，叶轮直径达130m，安装在120m 高的塔架上。预计2010 年将开发
o]&Mv\U _c 出10MW 的风电机组。
g@{2b%[ h*A&P （2）机组结构日趋多样化\&\J-LM!YqCV
目前大型水平轴风力机主要有定桨距失速型和变速变桨距型。对变速变桨距型风电机F2Clj@"A3V5?
组，从风轮到发电机的驱动方式又可分为3 种：一种是通过多级增速箱驱动双馈异步发电机，*P"x9HT mG ]H6K
简称为双馈式。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式（或无齿轮箱式）。
/g q1e P8w8X#u 直驱式风力机具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越
'u/x1ivO]8rs 来越大的份额。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术，简称为混合式。混合式设计
(V&[d(fM*nHu#kT2G 旨在融合双馈式和直驱式机组的优点而避免其缺点。芬兰WinWind 公司已开发出容量1.1MW， y'm1n u `3F'~
叶轮直径56 米的混合式风电机组。xmOoi qu0~
（3）功率调节方式多变]b1s-IWo$u
大型风电机组的功率调节方式主要有失速调节和变桨距调节两种。失速调节是在转速基D8k(f.g7U9f
本不变的条件下，风速超过额定值后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围。失速调TR!V Uvl+}6CU
节的优点是叶片与轮毂之间没有运动部件，不需要复杂的控制程序；其缺点是风电机组的性
Sd#o)BVVgU 能受叶片失速性能的限制，起动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需:w%|B~|8r#t(e
要叶尖刹车装置。*N bgW[%x?
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮能量吸收，以保持一定的输出功率。变'i.VV`g/mI @o
桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点
d0r#W(m.JNJ]4} Y,U~ 是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。
K(r1p3h'^j.?1O/uxe 两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，变~N]S{D&M `
桨距调节方式将逐渐取代失速调节方式。
-Ntq/c6`|+k2s M （4）运行控制方式灵活
3N*bK S3t ] z-b 目前市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构（4 极/6 极）的异步发电机，双速运
-ct,s$^nN 行。在高风速段，发电机运行在较高转速上，4 极电机工作；在低风速段，发电机运行较低 N j:P-oe M?8|
转速上，6 极电机工作。双速运行的好处是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，
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而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数（Cp）较低的点上，风能得不到充分
Ghq4YQHq%L 利用。;LLiJ MWD6rS6V
变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通
7];VQ Rzk 过功率变换器（一般为双PWM 交直交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机
6Iw7[A fV$W6Y 容量的1/3，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机的定子侧通过
@mSr0]z6J7] 功率变换器连接到电网。该功率变换器的容量要大于等于电机的容量。_6T9^$d7?T'v(?f
变速运行风电机组通过调节发电机转速跟随风速变化，能使风力机的叶尖速比接近最佳
I0L5H`A`{T 值，从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率。
8A/M8p6ap4M?o 2、叶片 zG;z@;F
叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能8H;^tKmU
是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：比F)V#jK'l;K
重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶)ys r5t2| A&m'Ow
片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性 SQj4J)oau:z9d
好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。C,Ud ^ H q
风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，其重量的90%以上由复合材料组成，Rr0}@+n t~
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。叶片在结构上分三个
0D2d/Ro9i N;dX&Il 部分。（1）根部：材料一般为金属结构；（2）外壳：一般为玻璃钢；（3）龙骨(加强筋或
r `%m)G PO3X@ 加强框)：一般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。叶尖类型多种多样，有尖
z_ZP[3p 头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。叶片主要制造工艺主要包括：阳模→翻阴模→铺层→加
+C$IHCu:tc'B 热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。叶片设计难点包括：（1）叶型的空气动力学设计；（2）
0FN:Fh"v#K1Qi8@ 强度、疲劳、噪声设计；（3）复合材料铺层设计。在制造叶片的过程中主要工艺难点主要
/i hRi }Xu 包括：（1）阳模加工；（2）阴模翻制；（3）树脂系统选用。Z;qJg0f5q&f\
对于风力发电机而言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如22m 长)选用量-P2o0GN+?I K
大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而U4M4t8d%Mn-Z
较大型的叶片(如42m 以上)一般采用CFRP 或CF 与GF 的混杂复合材料，树脂基体以环氧为-G"}s b D.N"Lsr
主。
s(aXe;H 为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性，降2\6V,UdJ @#cr
低成本。叶片长度从1980 年的4.5m 发展到今天的61.5m，容量从当初的55kW 发展到今天
^'QeO.s p 的5MW。1970 年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增 ccYM d b v1qE
强塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料的开发顺应了叶片大
|I(Y"g9]X'`{u 型化和轻量化的方向发展。
;|X|m0?b 目前使用较多的叶片材料有：~;@ e$Y HN b _1U'c
（1）木制叶片及布蒙皮叶片
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近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中
5WKMg7Ct 型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承v[!Ml U1]/B\f7q5P
担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。
z Dpq.@0z （2）钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
y? _r'o]*w7b!c 叶片在近代采用钢管或D 型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的`&X4}*xK*T
结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D 型型钢从叶根至叶尖的截面
\8w'y|ca vz&mPC%P y 应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。
\6H0W(@-?4q)Kd/y （3）铝合金等弦长挤压成型叶片
ky.B3L*L"sc(TIF1Ws 用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭 B8s(eGo6z f {4?4_Bn
曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易
q6D {@QN 于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。
m?@,gA+A （4）玻璃钢叶片
,E%a"H ?.` 所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树(~o[x3}N[#por
脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、
4B^H g7L0L-o:qd 耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可
-d7a(d ud} o8n 以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM 玻璃纤维公司现致力于开发长达54m 的全玻纤yUwc/~/O-J
叶片，其单位kWh 成本较低。w.QY)Pmc
（5）玻璃钢复合叶片"?Cm[-ShF-\'}
上世纪末，世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片，基本上采用型钢纵梁、
&`6EYZ[xi 夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。风力发电转子叶片用的材
@h6Xc:~3rB%?'Re 料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、
7|!n@E+^1w%Z[k? 玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉2{,HS\yY!wgh
积去涂覆E-玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低能Qp ^mY M
实际上导致损害的纤维间微振磨损。LM 玻璃纤维公司进一步开发以玻璃钢为主，在横梁和6k"q5i U+~E~qO
叶片端部只少量选用碳纤维的61m 大型叶片，以发展5MW 的风力机。
OxKRU0I （6）碳纤维复合叶片
L#Q%PB%rM5E k?o 随着发电单机功率的增大，要求叶片长度不断增加，其在风力发电上的应用也将会不断
b#`/W#a U 扩大。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维(carbon fiber，简zj\ [)Be&|4w
称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优
g%o0mn0y-o_+Wj 于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。因此，全球各大I)\7?)IE
复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。8E1d0e Wg,?o lR
此外，国内有企业计划使用国内资源丰富的毛竹材料来制作风机叶片。天奇股份与英国s mVM)m{
瑞尔科技有限公司合资共同设立无锡竹风科技有限公司，共同研制开发竹质复合材料风力发
6` gBEt 电机叶片制造技术。
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丹麦的LM Clasfiber 公司是全球领先的变浆距风机叶片的生产商。它生产的风机叶片
;FY$QL [0p~9p3y;T 大约占全球市场的45%。它的11 家制造厂分布在丹麦、西班牙、印度、中国以及美国。丹,XAnbK3pS x_Q
麦的LM 公司2001 年在天津投资成立了专门生产风力发电机叶片的独资企业—艾尔姆玻璃Kbe!Gz'}
纤维制品（天津）有限公司，作为中国第一家跨国叶片制造工厂。伴随近两年来中国风能市
#hZ7LvN(QCN.R+x.` 场的急剧发展和实际需求，LM 公司对天津工厂追加了投资，其叶片规格由原来的最长34 米4SI*Db-M9I p _y
调整到37 米，主要用于中国未来主流机型1.5 兆瓦风力发电机的装配。
XB?X%?;] 风力发电设备领域世界第一的丹麦Vestas 集团在天津泰达开发区设立风机叶片生产
$^b,V$F I-D;S 厂。该工厂投资额约3000 万美元，生产长度为39 米的V80 型2 兆瓦风机叶片。p } ec7X?)FX!t
Enercon 是德国的风力机组整机制造商，其制造的大型风力机E-112，容量4.5 兆瓦，$y4F^ iV9O
叶片长54 米，重20 吨。目前，该公司也有意进入中国风力机组及叶片市场。
6B'_nQS 此外，西班牙的GAMESA 公司也是国际著名的风力设备和叶片生产商，目前也已决定在/U3e/z8oGPp;uR
中国设厂，包括叶片制造。;f4Qtd:]M*Z} T A
位于河北保定市的中航（保定）惠腾风电设备有限公司是一家中美合资经营的企业，由e R#j{2f;w
保定惠阳航空螺旋桨制造厂、中国航空工业燃机动力（集团）公司和美国美腾能源集团三方)xo_3~K1D4\z
投资兴建。该公司主要开发、制造风机叶片以及风机相关的玻璃纤维增强复合材料（GRP）。
1^5vLA-t8mf 惠腾成立于2001 年，年生产规模可达300 套600KW 风机叶片和200 套750KW 风机叶片。
h jp C6iC*eR 目前，公司开发的1.2MW 风机叶片模型已经下线，不久将运往风电场投入试用。1.3MW 的
(?ut-h4_ D4M 风机叶片的开发已完成，并且首批叶片模型已经下线。K:A Y8]T `2bv7U
此外，上海玻璃钢研究所也与国外先进设计技术结合，准备进入风能工业。
k }^+W&x:@ H 从国际市场来看，叶片仍存在较大的市场需求。例如美国计划未来两年内装机500 万千
:T {T5@9zj 瓦，日本和澳大利亚也有与中国规模相当的市场规划。由于在中国生产的叶片运到美国西海
F3NX(f&MD pC 岸以后，仍比在美国生产的叶片便宜。故以中国市场为基础，公司产品亦可扩展到海外市场。
[)S0J"?~#~+`8d } 3、发电机wg kG/g
新一代的直驱动式风机可以省略齿轮箱。这种直驱式风机的特点是使用永磁发电机，这%~x%RW K9]
需要铁酸盐和稀土磁体的供应，进而带动钕铁硼磁体等相关上游产业的发展。
_ w%xkE u8jX].m2V!| 除了直接的驱动器，风机的发电机在功能和设计上最接近于常规的发电机。发电机用铁C"h*}Y*NY
心硅钢、铜和绝缘材料制造，每台风机也有一台符合整个电力行业标准的变压器。
-Ff&\K@ 失速型风电机组一般采用双绕组结构（4 极/6 极）的异步发电机，双速运行。而变速运;j"M7`"Ik,I'`t5}
行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。U#[Bb/Aj+NA
我国现有电机厂已有能力开发高效、高可靠性的风力发电机。
cN8f_$q\!O 4、偏航系统
轩辕无极 2007-2-2 12:57
风力发电机组的偏航系统的作用是对准风向，一般由两到三套对风伺服装置加上电控组
[+L(C6p_'zL 成。无论风力发电机组功率多大，其偏航系统的原理和要求基本一致。目前国内许多企业具/?4C M#[.FnO0W#?
有偏航系统的生产能力。*] QT[[I `mb
5、齿轮箱
ug;oe+RuA:p 对风电产业来说，机舱内的齿轮箱是定制的，包括钢性箱体、轴承、齿轮和转轴。风力8?dU`.dk:@.h
发电机组对齿轮箱的要求比较高，一般齿轮箱很难满足风力发电机组的要求。主要表现为：
h8z%j2B;h3`I1u/Z （1）长寿命，一般要求无检修寿命大于10 万小时；
4q8U-t^g （2）低噪音，1 米处的噪音的声功率不得大于75 分贝；-T&C#M)w,o
（3）动载系数大。
iX4Z!s"`N 欧洲最大的齿轮箱供应商Winergy（前身为Flender）目前专为风电产业服务。2005 年f'ECno;L&}d
6 月，Winergy 被西门子收购，在此之前西门子已经收购了丹麦风机制造商Bonus 公司。风'X8lsX i{*m#b4E
机齿轮箱的其他主要供应商还包括Hansen、Moventas（前身为Metso）、M`,E%yQj
Lohermann&Stolterfoht 和Eickhoff。除了西门子，另外两家风机制造商西班牙的Gamesa
S5`!|$hS0i| 和日本的三菱重工，都能自行生产齿轮箱。QDS:{ZCS
我国现有重庆齿轮箱有限责任公司、南京高速齿轮箱厂、杭州前进齿轮箱集团有限公司
a)z/E1K OUB#k o`;X 等在开发生产风机齿轮箱，目前已经具备600-1000KW 风机齿轮箱的生产能力。在国家863
OI#N!`D5?Cwe { 计划的支持下，重庆齿轮箱有限责任公司一直在进行1.3、1.5MW 齿轮箱的开发。
b+W"r`)h&f 6、电控i'v_| QCT3M W`/@([
目前，我国完全掌握了定桨距调节的大型风力发电机（包括600KW、750KW）的控制系p[9P2yd7{
统的设计与制造。同时，新疆金风、中科院电工所开发成功基于工控机和PLC 的600KW 风
g-W2`,{W-l-^v 力发电机组的控制器并已批量生产。!kR/q)W1^#N!_0b
但我国企业对变桨距风力发电机组和变速恒频控制器的设计生产尚在技术开发阶段，尤h*CfT idZ
其是基于IGBT 的变频技术，尚需引进、消化、吸收及自主创新。v5S2V.aJs(u2Q)z9{#?q
7、塔架等结构件r#SSn'CWxS.^7o(R
风力发电机的金属结构件主要有：机舱、塔架、主轴、偏航系统和轮毂等。我国许多厂k6{:FwWe7o5o
家均能生产这些部件。现在已参与生产这些部件的厂家有：青岛电站辅机厂、沈阳重型机械
+oc {}"y 厂、浙江泰胜电力工程机械有限公司等，这些企业不仅满足了我国主机厂的需求，还大量为
9HO\cK{ 国外主机厂配套出口。由于技术门槛不高，国内在钢结构和重型装备领域的企业都可能进入。f#d^1l MJ
该领域的利润空间不大。
轩辕无极 2007-2-2 12:58
风电设备制造业未来三年呈现跳跃式增长
Kj aWp 中国风电设备制造业发展经历了三个阶段：一是1985-1996 年期间，通过建6uq:q/F8X"n:Npn1L&~5p
设运营风电场，中国开始学习国外风力发电设备制造技术；二是1996-2000 年期Mh+X/?]^0D@d
间，中国通过引进技术实现本地化风电机组制造；三是2000 年至今，中国正在K/sXC9v Wi
进行风电设备产业化生产、兆瓦级风电机组的研发工作。4Hp2qv4Vv~ J
通过运用中外合资、技术引进、自主开发、外商独资等不同发展模式，中国
*k(c!tbM+V$D5wiXmPf 风电设备制造业已初步形成包括齿轮箱、叶片、发电机、偏航系统、电控系统、
$L)lbOy!] 钢结构件及整机制造厂在内的制造资源。
5t l` V;H|)~8p 20 多年的努力，中国风电设备制造取得了一定成果。全行业整机制造企业5N*@4_] ~ B4f g
近三年来保持了年均100％以上的增长速度。而且，我们预计，随着可再生能源
.v~8hA-Z k nI:} 政策的落实，未来三年我国风电设备制造业将连续呈现出跳跃式增长态势，年均
9L+n.Tk{5y%g&\3L'|+wm 复合增长率将超过100％。到2008 年，国内将有超过400 万千瓦的风机生产能
6p`w8ws5l+{l-b9I1A 力。目前，由于需求十分旺盛，国内大型风机制造企业如金风科技，订单十分饱
:MK#BKvP7F)} Pc 满，目前订单金额已达到90 亿元之多，生产能力严重不足。Q/RIY9s wXr

ST{ H"Z#R2a} o 9K,F-hP7W6c/u
风电设备行业市场容量将加速上升
UjW,c x\6Z 2020 年风电规模达3000 万千瓦，以2005 年126 万千瓦计，未来15 年内年2I I_,JjM
均新增装机容量达192 万千瓦，以每千瓦8000 元的造价，国产设备率达到70％`,Q)Y5_;?
计算，到2020 年风电设备需求总规模达1800 亿元，预计届时的装机容量将远超}c}DS
过3000 万千瓦，风电设备制造行业将享受这一巨大需求的蛋糕。而对风力发电
-M;Z o;A{ 行业来说，以风电价格0.50 元/千瓦时，年均发电小时达2000 小时计，2005 年
Z#OCoZ 风力装机容量126 万千瓦、预测2006 年风力装机容量263 万千瓦、预测2007
_ _*ndfN 年装机容量466 万千瓦计，近3 年风力发电的收入分别为：11.7 亿元、28.3 亿h?,w7N2s7|
元、46.6 亿元；远不及设备行业的收入。考虑到风场运营的建设投入要远高于S2c my@
风电设备制造业，成本回收周期也更长，故短期内我们仍旧看好风电设备制造业。