科普 | 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如何設(shè)計(jì)？應(yīng)注意哪些條件

01風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、塔架和控制系統(tǒng)等部分組成。在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方案時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：風(fēng)資源評(píng)估、電力需求、風(fēng)輪選擇、塔架設(shè)計(jì)、發(fā)電機(jī)選擇和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1、風(fēng)資源評(píng)估

進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估是設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的第一步。通過選擇合適的測(cè)風(fēng)點(diǎn)，并收集風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估，以確定是否適宜建設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2、電力需求

根據(jù)實(shí)際需求和預(yù)測(cè)負(fù)荷，確定所需的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量。容量的選擇應(yīng)該在滿足電力需求的前提下，盡量避免過度建設(shè)。同時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)的可靠性和各用容量，以應(yīng)對(duì)突發(fā)負(fù)荷增加和設(shè)備故障等情況。

3、風(fēng)輪選擇

風(fēng)輪的設(shè)計(jì)和選擇是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)的核心。常見的風(fēng)輪類型有水平軸和垂直軸兩種。水平軸風(fēng)輪通常是三葉片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與風(fēng)向垂直；垂直軸風(fēng)輪則可以是多葉片或直翼葉片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與風(fēng)問平行。根據(jù)風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果，選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)輪類型和直徑。

（資料圖：中船海裝）

4、塔架設(shè)計(jì)

塔架的高度會(huì)影響到風(fēng)輪的受力和發(fā)電效率。一般情況下，塔架的高度應(yīng)該使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域能夠達(dá)到更高風(fēng)速的區(qū)域，但同時(shí)也要考慮成本和可行性。適當(dāng)?shù)乃芨叨饶軌蛱岣甙l(fā)電效率，減小受地面摩擦影響，但過高的架會(huì)增加制造和安裝成本。

5、發(fā)電機(jī)選擇

發(fā)電機(jī)通常是由風(fēng)輪帶動(dòng)的，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的發(fā)電機(jī)類型和額定功率。常見的發(fā)電機(jī)類型有同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，而異步發(fā)電機(jī)適用于小型和中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

6、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和性能至關(guān)重要。控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向和電力需求等參數(shù)，并通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和葉片角度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)電效果。同時(shí)，控制系統(tǒng)還需要具備故障檢測(cè)和保護(hù)功能，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

02風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)類型等級(jí)

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)類型等級(jí)由參考風(fēng)速、平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度等參數(shù)來規(guī)定，不同的參數(shù)確定了不同的類型等級(jí)。不同的風(fēng)電場(chǎng)符合不同的類型等級(jí)，項(xiàng)目配置就需要選擇對(duì)應(yīng)類型等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組，以確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)可以針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)類型等級(jí)或現(xiàn)場(chǎng)特定條件進(jìn)行，下表列出了風(fēng)機(jī)不同類型等級(jí)的基本參數(shù)：

Vref: 參考風(fēng)速

Vave: 平均風(fēng)速

A,B: 湍流等級(jí)

I15: 15米/秒時(shí)的湍流強(qiáng)度

a: 斜率參數(shù)

03影響風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的條件

1、風(fēng)速

進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)首要考慮的環(huán)境因素就是風(fēng)速數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)速特征數(shù)據(jù)來確定風(fēng)機(jī)類型等級(jí)。

2、尾流影響

風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組布置應(yīng)考慮到風(fēng)電機(jī)組之間尾流的影響，風(fēng)電機(jī)組之間的距離至少保證3倍的葉輪直徑，在主風(fēng)向上，風(fēng)電機(jī)組間的距離應(yīng)更大一些。氣流在經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)能量會(huì)減小，實(shí)際上，風(fēng)電機(jī)組的葉片對(duì)風(fēng)速有阻擋作用，在風(fēng)電機(jī)組的下風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生類似輪船尾流的效果，該區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的湍流，同時(shí)風(fēng)速也會(huì)降低。

3、工作溫度和海拔

工作溫度和海拔會(huì)影響目標(biāo)地區(qū)的空氣密度，空氣密度的大小會(huì)影響載荷計(jì)算和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工作溫度和海拔數(shù)據(jù)的獲得比較容易確定，可以從一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)中確定。

（資料圖：遠(yuǎn)景能源）

4、生存溫度

生存溫度是機(jī)組不會(huì)損壞的極限溫度范圍，極限溫度影響機(jī)組上各部件材料的剛度，確定機(jī)組的生存溫度，工程師才能根據(jù)這個(gè)溫度參數(shù)進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算分析，確定材料的溫度適應(yīng)性能。生存溫度一般從當(dāng)?shù)氐亩嗄隁庀髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中取得。

5、沙塵暴

目標(biāo)市場(chǎng)是否存在沙塵天氣，會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)和過濾器的設(shè)計(jì)，在有沙塵暴天氣的地區(qū)，風(fēng)機(jī)需要考慮防沙塵設(shè)計(jì)，零部件需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的沙塵過濾裝置，來保護(hù)機(jī)電部件免受沙塵的危害。

6、閃電

當(dāng)風(fēng)機(jī)遇到閃電時(shí)，若沒有設(shè)計(jì)防雷保護(hù)系統(tǒng)或防雷保護(hù)系統(tǒng)的雷電保護(hù)等級(jí)不足，風(fēng)機(jī)可能會(huì)因閃電造成葉片或機(jī)組內(nèi)部原件損壞，甚至引起火災(zāi)而造成重大損失。一般風(fēng)機(jī)會(huì)按照較高等級(jí)的防雷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防雷保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

7、地震

風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的地震歷史數(shù)據(jù)影響機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，確定了地震數(shù)據(jù)等級(jí)，才能設(shè)計(jì)滿足該等級(jí)的塔筒和基礎(chǔ)，避免設(shè)計(jì)安全系數(shù)過大成本過高，或安全系數(shù)低于目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)而引起安全問題。

8、設(shè)備腐蝕

風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)對(duì)于特定的地區(qū)，其環(huán)境對(duì)設(shè)備的腐蝕程度各有不同，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般是20年或25年，如何確保風(fēng)機(jī)能夠在這么長(zhǎng)的工作壽命期內(nèi)不因環(huán)境腐蝕而損壞。就需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)防腐要求的部件，保護(hù)風(fēng)電設(shè)備免受腐蝕的影響。

（資料圖：象山蒼南海上風(fēng)電場(chǎng)）

9、地形條件

滿足風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸條件和安裝條件。在平坦地形條件下，滿足這一原則是很容易的的。在山區(qū)，滿足這一原則經(jīng)常有難度。要根據(jù)所選機(jī)型需要的運(yùn)輸機(jī)械和安裝機(jī)械的要求，機(jī)位附近要有足夠的場(chǎng)地能夠作業(yè)和擺放葉片、塔筒，道路有足夠的坡度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑使運(yùn)輸機(jī)械能到達(dá)所選機(jī)位。

10、視覺美觀

視覺上要盡量美觀。在與主風(fēng)能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。行間平行，列距相同。行距大于列距發(fā)電量較高，但等距布置在視覺上較好。追求視覺上的美觀，會(huì)損失一定的發(fā)電量，因此在經(jīng)濟(jì)效益和美觀上，也要有一定的平衡。

11、客觀條件限制

(1) 風(fēng)電機(jī)組與村莊的距離一般要求500m以上，特殊情況至少300m。

(2) 風(fēng)電機(jī)組離110kV及以上電壓等級(jí)線路150m以上。

(3) 風(fēng)電機(jī)組要避開基本農(nóng)田、礦產(chǎn)、文物、軍事用地、自然保護(hù)區(qū)以及其他環(huán)境敏感區(qū)域。

04風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證要求 

我國(guó)風(fēng)電行業(yè)已建立起相對(duì)比較完善的風(fēng)電整機(jī)裝備及部件認(rèn)證體系，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)裝備及部件的認(rèn)證逐步成為保證風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要管理手段和方法。目前， 風(fēng)電領(lǐng)域的認(rèn)證范圍包括 ：

一、設(shè)計(jì)認(rèn)證

通過設(shè)計(jì)評(píng)估、場(chǎng)地試車（安全及功能試驗(yàn)）和生產(chǎn)質(zhì)量控制審核等，對(duì)新型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組與標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的符合性進(jìn)行評(píng)價(jià)。機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)選擇獲得行業(yè)專業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)證證書的機(jī)型。

二、型式認(rèn)證

2014年9月，國(guó)家能源局印發(fā)《關(guān)于規(guī)范風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)秩序有關(guān)要求的通知》（國(guó)能新能〔2014〕412 號(hào)），明確提出風(fēng)電行業(yè)要“加強(qiáng)檢測(cè)認(rèn)證確保風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量”。文件規(guī)定，接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組及其風(fēng)輪葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器、控制器和軸承等關(guān)鍵零部件必須進(jìn)行型式認(rèn)證。機(jī)組選型時(shí)，需要確認(rèn)機(jī)型具備相應(yīng)的機(jī)組型式認(rèn)證證書。

三、項(xiàng)目認(rèn)證

評(píng)估已通過型式認(rèn)證的風(fēng)電機(jī)組和對(duì)應(yīng)的塔基設(shè)計(jì)是否能與外界條件、可適用的構(gòu)造物和電力參數(shù)相適應(yīng)，以及是否滿足與指定場(chǎng)地有關(guān)的其他要求。項(xiàng)目認(rèn)證應(yīng)評(píng)估場(chǎng)地的風(fēng)能資源條件、其他環(huán)境條件、電網(wǎng)條件及土壤特性是否與定型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)文件和塔基設(shè)計(jì)文件中確定的參數(shù)相一致。因此，機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)選擇經(jīng)過項(xiàng)目認(rèn)證的機(jī)型。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系列產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)則如下表：