新能源的迅猛發(fā)展，依靠的是不斷進(jìn)步的技術(shù)。在風(fēng)電領(lǐng)域，海上風(fēng)電的漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝等極有可能成為未來的主流技術(shù)。

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)愈加成熟，單機容量持續(xù)增加，風(fēng)電機組技術(shù)也隨著發(fā)生重大變革，從失速調(diào)節(jié)發(fā)展到變槳調(diào)節(jié)，從定速運行發(fā)展到變速運行，從齒輪箱傳動發(fā)展到無齒輪箱直驅(qū)技術(shù)。風(fēng)電機組的發(fā)電效率和可靠性不斷增加，運行維護(hù)成本也得到顯著降低。

部件構(gòu)成及工作原理

風(fēng)電是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能進(jìn)而機械能再轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)力發(fā)電有橫軸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和垂直軸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩種。

目前商用大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機，它由風(fēng)輪（包括葉片和輪轂）、傳動鏈（包括軸、齒輪箱（直驅(qū)式不含有齒輪箱）、制動器和發(fā)電機）、偏航裝臵、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風(fēng)輪和傳動系統(tǒng)是風(fēng)電系統(tǒng)中的核心部件。

典型現(xiàn)代水平帶齒輪裝臵的風(fēng)電機系統(tǒng)部件構(gòu)成風(fēng)電系統(tǒng)的工作原理是風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下，使得整個風(fēng)輪形成了扭轉(zhuǎn)、傾覆和偏轉(zhuǎn)運動。扭轉(zhuǎn)的主軸（低速軸）將會傳遞風(fēng)輪扭矩到齒輪箱的一級行星齒輪上，而一級行星齒輪將通過二級平行軸齒輪傳遞扭轉(zhuǎn)，使得低轉(zhuǎn)速大扭矩的載荷轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速低扭矩的載荷，便于發(fā)電機的吸收；最后電機軸（高速軸）上的扭矩將通過切割電磁形成電能，完成風(fēng)能—機械能—電能的轉(zhuǎn)化。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝臵，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風(fēng)。

關(guān)鍵技術(shù)

風(fēng)輪

風(fēng)輪是風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，占機組總體成本的 20%。影響風(fēng)電性能的因素主要有風(fēng)輪直徑、結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片材料、葉片制造工藝等。

1. 過去10年風(fēng)輪直徑增長迅速，捕風(fēng)能力增強。

風(fēng)輪直徑影響掃風(fēng)面積，也就決定了捕風(fēng)能力。近幾年，為滿足低風(fēng)速地區(qū)和海上風(fēng)電的開發(fā)需求，葉片的長度不斷增長。中國 2014 和 2015 年安裝和投運的機組中，風(fēng)輪直徑在 93 米及以上的 1.5MW 機組占絕大多數(shù)，而 2008 年以前，是以 70 米以下風(fēng)輪直徑的 1.5MW 型機組為主。近三年，風(fēng)輪直徑為 100-121米的 2MW 機組陸續(xù)問世，并相繼成為主流機型。2008 年之前，風(fēng)輪直徑?jīng)]有超過 100 米的，但從 2009 年以后，美國大葉片占據(jù)市場的主導(dǎo)地位，到 2012 年，47%的新增裝機的風(fēng)輪直徑超過100 米，到 2014 年，80%的新增裝機的風(fēng)輪直徑是 110 米或者更長。

目前，全球最長的風(fēng)輪直徑是 190 米，是美國能源技術(shù)公司設(shè)計的 SeaTitan 10MW 的風(fēng)電機組（樣機正在制造中），其次是三星功率為 7MW 的 S7.0-171，風(fēng)輪直徑是 171 米。

未來風(fēng)電機組將繼續(xù)向大功率、大葉片的方向發(fā)展。根據(jù)歐盟資助項目 UPWIND 研究表明，開發(fā) 20MW 的風(fēng)力發(fā)電機，葉片長度 120 米是可行的。

2. 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，性能不斷提高

結(jié)構(gòu)設(shè)計是在保證強度、剛度以及氣動性能的前提下,對材料做出選擇,對葉片截面的尺寸、形狀進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化,以獲取性能好而重量輕的葉片。

第一，在風(fēng)電機組根部、迎風(fēng)面等位臵黏貼組件，可以改善葉片的氣動性能、抑制失速，提高風(fēng)能利用系數(shù)，減少噪音等。 通過添加渦流發(fā)生器可阻止面內(nèi)流動分離和穩(wěn)定面外流動，抑制葉片表面氣流失速現(xiàn)象；格尼襟翼調(diào)節(jié)葉片特殊運行條件下的載荷并獲得更高發(fā)電量；在葉尖下添加小翼可提升發(fā)電量并減少噪音；或者在后緣加上鋸齒設(shè)計可改變尾渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少噪音。

第二，為了方便WMW級葉片的運輸和方便生產(chǎn)，部分企業(yè)已研究出葉片分段技術(shù)。 現(xiàn)階段，大部分企業(yè)分段葉片主要是 2 段，西班牙 Gamesa 公司和德國 Enercon 公司已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)兩段葉片，美國的 Modular 風(fēng)電公司 3 段葉片技術(shù)設(shè)計完成。

3. 增強材料以玻璃纖維為主，高成本限制碳纖維的使用。 目前的風(fēng)電葉片的原材料主要使用環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等與玻璃纖維、玻璃/碳纖維混合等增強材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成。

對于同一種基脂來講，采用玻璃纖維增強的復(fù)合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復(fù)合材料制造的葉片的性能，并且碳纖維的葉片重量較輕，但是，碳纖維的價格是玻璃纖維的 10 左右。由于價格的因素，碳纖維應(yīng)用較少。隨著葉片長度不斷增加，為保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，風(fēng)機葉片也采用玻璃/碳纖維混合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維材料。

**目前，世界上主要機型選用的葉片材料主要是以玻璃纖維為主，相應(yīng)長度采用玻璃/ / 碳纖維混合材料的葉片重量比玻璃纖維輕約 20% 以上。**世界上最大的三個機型的葉片主要選用的是玻璃/碳纖維混合增強材料，碳纖維主要應(yīng)用在葉片前后邊緣和橫梁蓋上。 **但是，現(xiàn)在有些廠商在減少碳纖維的應(yīng)用。**如丹麥葉片獨立供應(yīng)商 LM Glassfiber 公司新開發(fā)的 73.5 米的長葉片就未應(yīng)用碳纖維,而西班牙 Gamesa 公司暢銷全球的G114-2.0MW 風(fēng)機則改用玻璃纖維，而上一款 G97-2.0MW則選用了玻璃/碳纖維混合材料。

4. 葉片制造主要 采 用真空灌注和預(yù)浸料工藝。

目前葉片制造工藝方面，主要工藝是預(yù)浸料工藝與真空灌注工藝，手糊制造工藝已基本被取代。 傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機葉片多采用手糊工藝（Hand Lay-up）制造。手糊工藝的主要特點是生產(chǎn)效率低、樹脂固化程度偏低，適合產(chǎn)品批量較小、質(zhì)量均勻性要求較低復(fù)合材料的生產(chǎn)。此葉片在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。

盡管真空灌注和預(yù)浸料工藝都適用于常見設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)，但預(yù)浸料主要用于箱式梁的葉片結(jié)構(gòu)。 真空灌注工藝是真空導(dǎo)入成型方法是先將纖維織物等增強材料鋪放在模腔里進(jìn)行抽真空作業(yè)，此時樹脂基體在真空壓力的作用下被導(dǎo)入模腔來浸漬增強材料。真空導(dǎo)入工藝是閉模成型的，這種工藝污染小、生產(chǎn)效率高，并且制作的葉片產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，有助于提高產(chǎn)品的性能、降低制造成本，M LM 公司等大多數(shù)廠商使用此工藝。預(yù)浸料成型方法是按設(shè)計要求的鋪層順序先將預(yù)浸料鋪放在模具內(nèi)，然后用真空袋將尚未成型的制件密封，抽真空，以排除在鋪層內(nèi)的氣泡、揮發(fā)分和袋內(nèi)的空氣，按最佳的固化工藝參數(shù)在熱壓罐內(nèi)固化成型葉片。預(yù)浸料成型法可以提高葉片性能、降低葉片質(zhì)量，對于40m 以上的葉片，丹麥維斯塔斯集團(tuán)（VESTAS）和西班牙 GAMESA使用預(yù)浸料工藝。

傳動鏈

傳動鏈（包括軸、齒輪箱（直驅(qū)式不含有齒輪箱）、制動器和發(fā)電機）作為風(fēng)電機組最核心的系統(tǒng)之一，在設(shè)計、布局、應(yīng)用分析和安裝維護(hù)等方面有著極其重大的影響。目前，風(fēng)電的傳動系統(tǒng)根據(jù)不同屬性分類不同。

典型的風(fēng)電發(fā)電機根據(jù)傳動方式主要分為： 1、 高速齒輪傳動，是目前最為流行的方式，通常通過 3-4 級齒輪箱連接發(fā)電機；**2、**中速齒輪傳動（混合型），20 世紀(jì) 90 年代末提出，通常由 1-2級齒輪箱組成，傳動比最高可達(dá) 1:30，最低為 1:5； 3、 低速無齒輪傳動（直驅(qū)式），是一種風(fēng)力直驅(qū)發(fā)電機，免去齒輪箱。

1. 風(fēng)電機組功率不斷增大

全球新增發(fā)電單機功率呈逐年上升態(tài)勢，最大機組單機功率為8MW。目前主要是以 1.5MW 到 3MW 以下的機組為主，多兆瓦（≥3MW）發(fā)電裝機在不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015 年，1.5MW 以下的發(fā)電機組所占市場份額比 2014 年減少 1.4 個百分點，1.5-2MW 的發(fā)電機組占比減少 12 個百分點。而 2-3MW 之間的發(fā)電機組市場份額大幅增加，增加了 10 個百分點，多兆瓦的發(fā)電機組比例也增加了 3 個百分點。

中國新增風(fēng)電裝機主要是W1.5MW 和 2MW 風(fēng)電機組占據(jù)主體地位W, 2MW 機組增加顯著。 中國風(fēng)電的單機功率已從 2005 年的750～850kW,增加到 2012 年的 1.5～2.0MW，而從 2013 年開始，3MW 及以上型機組數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢。2014 年，中國新增裝機的風(fēng)電機組平均功率增長 2.81%。在新增風(fēng)電機組中，1.5MW 和 2MW風(fēng)電機組占據(jù)主體地位，占全國新增裝機容量的 87% ，1.5MW 機組市場份額同比下降5%，而 2MW 機組上升 10%。此外，3MW 及以24上機組占到 4%，比 2013年增加了約1%。

2. 高速齒輪傳動為主流

市場中最流行的傳動鏈主要是以高速齒輪傳動為主，1998- -4 2014 年間發(fā)布的風(fēng)電機中有 70% 的傳動鏈?zhǔn)歉咚冽X輪傳動系統(tǒng)。直驅(qū)式是 1993 年由德國 Enercon 公司研制成功的。2004年，另一家德國公司 Aerodyn 發(fā)布了第一個中速齒輪傳動系統(tǒng)。

目前，世界上最大的可商業(yè)化生產(chǎn)的高速、中速、和低速傳動鏈的發(fā)電機分別是德國 Senvion 的 6.2M126(6.2MW),丹麥 Vestas的V164-8.0MW 和德國 Enercon的 E-126/7580 （7.58MW）。

3. 以雙饋異步發(fā)電機和直驅(qū)式的永磁同步發(fā)電機為主

目前，高速齒輪傳動與雙饋異步發(fā)電機構(gòu)建的發(fā)電系統(tǒng)主要被廣泛應(yīng)用到功率為 1.5MW-3.5MW；中速主要應(yīng)用在大型的發(fā)電機中，平均功率為 4MW；直驅(qū)式的永磁同步發(fā)電機被廣泛應(yīng)用到功率在 1.5MW-6MW 之間。

海上風(fēng)電

1、風(fēng)電機組

現(xiàn)有海上風(fēng)電所安裝的風(fēng)電機組基本上是由陸上風(fēng)電機組改裝而來,早起的海上風(fēng)電場使用的是中小型的風(fēng)電機組,單機容量為 220-600kw。近期的大型海上風(fēng)電示范工程主要采用多兆瓦級風(fēng)電機組,兆瓦級風(fēng)電機組在尺寸、功率和風(fēng)的捕獲能力等方面都有很大的增加。全球在建項目的風(fēng)電機組單機容量主要是以 4MW 以上為主要機型，單機容量最高的是英國 Burbo 銀行海上風(fēng)電場和 Walney Island 海上風(fēng)電場項目，都使用 Vestas V164風(fēng)電機組，單機容量為 8MW，風(fēng)輪直徑為 164 米。中國在建項目單機容量最高的是申能投資建設(shè)的臨港海上風(fēng)電一期示范項目，采用的華銳的 SL128，單機容量為 6MW，風(fēng)輪直徑為 128 米。

2. 海上風(fēng)機基礎(chǔ)

基礎(chǔ)是風(fēng)電機組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺，是海上風(fēng)電場的重要組成部分，目前基礎(chǔ)的施工和運維費用約占海上風(fēng)電總投資的 15% -25%。按照基礎(chǔ)是否與海床直接接觸，可將現(xiàn)有的海上風(fēng)電基礎(chǔ)分為著床式和漂浮式兩種結(jié)構(gòu)形式。其中， 著床式基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電類似，該基礎(chǔ)適用于近海區(qū)域(水深小于 50 m)， 已被大量應(yīng)用于目前已建成的海上風(fēng)電場，技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富。而 漂浮式基礎(chǔ)的概念來源于深海油氣開發(fā)平臺， 目前主要處于研發(fā)和示范階段， 但適應(yīng)性較強，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運維成本低，因此在發(fā)展 海上 風(fēng)電具有良好的應(yīng)用前景。

3. 機組安裝

機組安裝技術(shù)包括安裝平臺和安裝方式兩個部分。目前大部分海上風(fēng)電機組的運輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺進(jìn)行。隨著離岸距離越來越遠(yuǎn)及機組功率越來越大，近年來已陸續(xù)出現(xiàn)新建或改裝的專業(yè)化海上風(fēng)機吊裝平臺，主要包括傳統(tǒng)起重船(自航非自升)、起重安裝平臺(自升非自航)和自航自升起重船 3 種類型。

海上風(fēng)電機組的安裝主要包括兩種方式：分體安裝和整體安裝。分體安裝施工方法與陸上風(fēng)電場類似，適用于潮間帶及近海區(qū)域， 目前運行的多數(shù)風(fēng)電場均按該方法建造;而整體安裝則是在岸邊將機組各部件裝配成一個整體，豎直放臵于運輸船運送并安放至目標(biāo)地點，以減少海況對裝配精度的影響，作業(yè)費用較低，這種施工方法是近年發(fā)展起來的，也已有成功案例。

4. 發(fā)展趨勢

從目前開發(fā)趨勢來看，未來幾年海上風(fēng)電場的離岸距離將增加到 50km 以上，因此現(xiàn)有的機組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢必不能滿足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺極有可能成為未來的主流技術(shù)。

最新型技術(shù)

高空風(fēng)機

高空風(fēng)力發(fā)電機，是利用地球在距地面大約 480 米至 12000米的高空風(fēng)力來發(fā)電的裝臵。目前主要有兩種高空風(fēng)電的構(gòu)架方式：第一種是利用氦氣球等升力作用，在空中建造發(fā)電站，高空發(fā)電，然后通過電纜輸送到地面；第二種類似“放風(fēng)箏”，即通過拉伸產(chǎn)生機械能輸送到地面，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。目前，高空風(fēng)能發(fā)電公司全球已經(jīng)有 50 家，歐美知名公司主要有WidLift、Makai Power、Altaeroseergies、KiteGen 等幾家，中國有廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司。Makani Power 最新的風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電功率為 600 千瓦，Altaerosenergies 公司研發(fā)的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動渦輪”(BAT)發(fā)電功率為 100 千瓦，廣東車載式高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)位于蕪湖的首個地面型電站—2.5MW試驗電站項目目前廠房建設(shè)、設(shè)備安裝基本完成，作為 400MW 項目的前期試驗機組。

無葉機風(fēng)機

西班牙公司 Vortex Bladeless 造出了一種新的風(fēng)機Vortex，完全不需要任何可見的風(fēng)機扇葉就能發(fā)電。Vortex 渦度發(fā)電機的原理，在遇到旋渦狀的空氣流動時，由纖維玻璃和碳纖維制成的機體將會發(fā)生振動。不同方向的震動，可以帶動風(fēng)機底部的發(fā)電機組產(chǎn)生運動，進(jìn)而將動能轉(zhuǎn)化為電能。Vortex 除了占地小，對環(huán)境的安全影響較低之外，還對風(fēng)向沒有限制。這種風(fēng)機能夠被安裝在更小的空間里，迷你型的無葉片風(fēng)機有12.5米高，4kW，可專為住宅和小型風(fēng)力能源使用；大型風(fēng)機有 1MW的機型，可用于大規(guī)模發(fā)電。

超導(dǎo)發(fā)電機

超導(dǎo)風(fēng)機被認(rèn)為是風(fēng)電技術(shù)通往 10MW 級別及以上的風(fēng)電機組的唯一路徑。由于超導(dǎo)體的零電阻特性解決了散熱問題，提升了功率密度。超導(dǎo)技術(shù)成功應(yīng)用于風(fēng)機行業(yè)后，對風(fēng)電領(lǐng)域來說，將是一種非線性的顛覆式改變，這一應(yīng)用將大幅度提高發(fā)電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，預(yù)計比傳統(tǒng)永磁發(fā)電機提高至少 50%，風(fēng)電度電成本有望下降 30%。

可折疊模塊化風(fēng)機葉片

美國一個聯(lián)合科研團(tuán)隊公布了一種可折疊，模塊化的風(fēng)機葉輪設(shè)計，被稱為“分段超輕變形風(fēng)輪”(Segmented UltralightMorphing Rotor，SUMR)，這種葉片按照下風(fēng)向進(jìn)行安裝，在危險的天氣條件下可以像棕櫚樹葉一樣折疊起來，應(yīng)用這種設(shè)計的葉片能夠在實現(xiàn)最大葉片長度的同時實現(xiàn)輕量化，分段設(shè)計可讓葉片在現(xiàn)場進(jìn)行安裝。當(dāng)折疊式葉片達(dá)到最大長度時，在海面的強大風(fēng)力吹動下可以發(fā)出 50MW 的功率峰值。

風(fēng)透鏡風(fēng)機

這種風(fēng)透鏡風(fēng)機的設(shè)計概念由日本九州大學(xué)提出，可像一個透鏡聚焦光線一樣聚焦氣流，圓向內(nèi)彎曲的圓環(huán)包圍著風(fēng)機葉片，可加速空氣流動并引導(dǎo)氣流方向。

垂直城市風(fēng)機

專為城市設(shè)計的垂直風(fēng)機，周身白色，形似抽象派雕塑并且沒有任何旋轉(zhuǎn)葉片。一臺 2.0kW 的風(fēng)機，高 9 米、寬 1.2 米，在5m/s 的風(fēng)速下年產(chǎn)能為 4250kWh，而噪聲不及一部普通洗碗機。