新型风力发电机材料与结构设计研究

新型风力发电机材料与结构设计研究

彭志怀

工作单位：国家电投集团江西电力有限公司高新清洁能源分公司

摘要：近年来，随着我国社会的不断进步，大力倡导节能环保理念，风能成为重要且储量较大的清洁型能源，受到社会各界的广泛关注。风力发电是进行风能开发和利用的重要技术，科学合理采用风力发电技术和新型风机电控系统，能够提高风能的利用效率和效果，具有一定的重要意义。

关键词：风力发电机；材料；结构设计；研究

引言

随着全球经济的发展，不可再生能源消耗量与日俱增，同时导致温室效应、生态破坏与污染等世界能源问题突显。因此，全球能源绿色低碳转型进入快速发展新阶段。风能具有环境污染小、运行和维修成本低、安装灵活且较易获得等优势，是近年来应用广泛、发展迅速且有较大发展前景的可再生清洁能源之一。根据2022年国家能源局公布的数据可知，我国风力发电装机总容量约37000万kW，较2021年增长11.2%，其中陆上风电33500万kW连续13年稳居世界第一，海上风电3046万kW装机规模位居世界第一，我国已是风电能源第一大国。

1风力发电机关键组件

1.1叶片

风力发电机的叶片是直接受到风力作用的部分，因此它的设计和性能对整个系统的效率起着至关重要的作用。此外，叶片的健康和完整性也是确保风力发电机长时间高效运行的关键，因此需配备传感器和监测系统来实时检测潜在的结构问题或损伤。

1.2齿轮箱与动力传输机构

齿轮箱在风力发电机中占据了中心地位，其主要任务是将叶片捕获的风能高效转化为机械能，并进一步传递给发电机以产生电能。高负载、低噪音和长期稳定运行是设计齿轮箱的核心。动力传输机构是齿轮箱的核心部分，它确保能量从叶片流向发电机的过程是连续无缝的。随着风速的不断变化，动力传输机构能够确保输出功率的稳定性。

1.3发电机与电气系统

风力发电机的核心组件是发电机本身，它负责将从风力获得的机械能转换为电能。在电气系统方面，风力发电机必须具备优秀的控制策略以确保在各种风速和电网条件下稳定输出。这包括但不限于最大功率点跟踪、电网并联控制和保护机制。为了满足这些要求，电气系统中集成了先进的电子设备，如变频器和整流器，它们能够实时调整和优化发电机的运行状态，以实现最佳的电能转换效率和电网匹配。

2风力发电机设计和优化

2.1风力发电机的叶片设计和制造技术

风力发电机的叶片设计和制造技术是确保风力发电机高效发电并长期稳定运行的关键因素。发电机的叶片是将风能转换为电能的重要组成部分，其设计和制造需要综合考虑许多因素，包括气动性能、结构强度、材料选用、制造成本等。叶片的气动性能是影响风力发电机发电效率的关键因素。为了实现最佳气动性能，叶片需要具备低风阻系数和高升阻比，同时保证在各种风速下都能够产生稳定的扭矩。因此，设计叶片时必须充分考虑叶片的几何形状、翼型、倾角等因素，通过数值模拟和试验验证来优化设计。其次，叶片的结构强度需要保证其在各种复杂气动力的作用下不发生破坏或变形，并能够承受风力发电机的自重、入侵风、旋转惯量等作用力。因此，制造叶片时需要采用高强度复合材料或金属材料，并对其结构进行特殊设计和优化。叶片的制造成本也需要考虑整个风力发电机的经济性。现代叶片的制造通常采用模压或预浸技术，同时使用自动化设备来提高制造效率和品质，并采取材料回收和再利用等环保措施。

2.2机舱设计和风力机底盘的优化

机舱设计和风力机底盘的优化是风力发电机关键组件的设计和改进部分，有助于提高发电机的可靠性、稳定性和效率。机舱的设计要充分考虑发电机组件的尺寸、重量和散热问题，以便更好地适应各种环境条件和工作负荷。此外，为了方便维护和检修，还需要考虑机舱内的操作空间和设备间隔等因素。其次，风力机底盘的优化需要综合考虑材料、结构、制造工艺等各个方面的因素。底盘作为风力机安装的重要支撑结构，需要具备足够的强度和刚度，以承受风荷载和机组重量。此外，还需要考虑防锈防腐、减震降噪等因素，使底盘有更好的性能表现。

3新型风机电控系统控制器的合理优化

3.1基于模型的算法进行优化

（1）对风电机组进行数学建模，根据风机的特性和运行参数，建立风机的动态模型，该模型可以包括风机的机械部分、发电机部分等，以及风速和负荷的影响。

（2）根据风机的运行需求确定控制目标，如最大化发电效率、最小化机械疲劳、稳定电网等，此类目标可以根据实际情况进行设定，并考虑风机的安全性和可靠性。

（3）基于风机的动态模型和控制目标设计控制器，实现对风机的优化控制。常见的控制器包括模型预测控制器（MPC）、最优控制器等。这些控制器使用风机模型来预测未来的系统状态，并根据控制目标来计算出最优的控制策略。

（4）将计算出的控制指令传递给风电机组的执行器，调整风机的参数和工作状态，通过调节叶片角度、发电机励磁、变桨等方式来实现。

3.2基于自适应控制技术进行优化

（1）自适应控制器能够实时调整控制策略中的参数，以适应风机工作状态的变化。例如，根据风速和负荷的变化，自适应控制器可以自动调整PID控制器的参数，以保持最佳的控制效果。

（2）适应控制器能够根据实时测量的数据对风机的动态模型进行在线修正。这样可以提高模型的精度，使控制器更准确地预测风机的响应，并相应地调整控制策略。

（3）自适应控制器能够处理风机工作过程中的非线性特性，如风机的饱和效应、非线性摩擦等。通过在线辨识和建模这些非线性特性，自适应控制器可以针对性地调整控制策略，提高控制性能。

（4）自适应控制器能够根据历史数据和实时反馈，学习和优化控制策略。通过机器学习算法和智能优化方法，自适应控制器可以不断改进控制策略，以适应不同的工作条件和环境变化。

4风力发电机组的发展趋势

4.1容量大型化

随着风力发电技术的发展和市场需求的变化，风力发电机组容量大型化发展已成为必然趋势，我国风力发电机组容量已从早期的几十千瓦发展到当前的数兆瓦，容量仍在持续扩大。风力发电机组容量大型化发展能够带来诸多优势。例如，大幅提高能源转换效率，大型风力发电机组扫风面积更大和轮毂高度更高，具备在同一地理位置捕获更多风能的能力。降低单位成本和运维成本。原材料、基础、吊装、线路、土地等基础设施的投入费用都会减少，从而降低单位成本；大型化风力发电机组能够减少运行维护的平均成本。。

4.2多元化

风力发电机组多元化是风电行业的重要发展方向之一，主要表现为技术多元化、应用领域多元化、功能多元化、服务多元化等方面。首先，在风力发电技术需求变化中，涌现出多种不同类型和技术路线，如水平轴和垂直轴风力发电机组、直驱式和双馈式风力发电机组、永磁同步发电机和双馈异步发电机等，可具体根据这些发电机的特征比较优劣，从而应对不同的场景和需求。其次，风力发电机组除了可以应用于电力行业，还可以和海洋能源、交通等其他领域相结合。例如，研究海洋风能发电，制造风力发电的汽车、火车等。再次，风力发电机组的功能不仅局限于发电，与储能装置联合，能够解决能源的存储和调节问题，或者与智能电网联合，实现能源的智能调度和管理。最后，为了满足不同客户的需求，风力发电机组制造企业提供的服务也呈现多元化趋势。

结语

保障风力发电机组的质量和效能是风电产业稳定且长远发展的基本要求。风电行业发展离不开技术支撑，风力发电机组的技术革新和智能制造对全面提高风电行业效益至关重要。

参考文献

[1]丁彦超,尹秋银.风力发电技术及其新型风机电控系统的应用[J].户外装备,2021(6):127-128.

[2]曹建,张安,张利那,等.机场专用清扫车的主要功能及其结构组成[J].汽车实用技术,2021,46(1):188-191.

[3]刘剑峰.风机自调角结构设计及运行状态监测研究[D].天津:天津科技大学,2021.