风力机研发制造方案
姓名：董训伟 时间：2010 03ANSYSANSYS在风力机设计中的应用在风力机设计中的应用一、风能简介二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所提纲提纲2060年，新能源将提供50的能源需求世界能源发展趋势世界能源发展趋势各种可再生能源发展趋势可以看出风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世 界各国的普遍重视。世界能源发展趋势世界能源发展趋势风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能 源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前 景的发电方式之一。世界上很多国家，尤其是发达国 家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污 染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。 近8年来，全世界风电装机容量年平均增长率超过30% ，成为发展最快的能源。世界能源发展趋势世界能源发展趋势风能优点：清洁无污染、蕴藏量大、可再生、分 布广、施工周期短、投资灵活、占地少、具有较好的经济效益和社会效益 等,受到世界各国政府的高度重视。风能缺点：密度低、不稳定、地区差异大等缺点不能阻挡风能开发利用快速发展的强劲势头世界能源发展趋势世界能源发展趋势提纲提纲一、风能简介二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所我国风能利用现状开发新能源是国家能源建设实施可持续发 展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环 境污染、推进技术进步的重要手段。风电以其 丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发 电成本，将成为21世纪中国重要的能源之一。我国风能的利用现状陆地 风能储量为2.53亿kW 近海 储量7.5亿kW陆地 风电年上网电量按等效满负荷2000h计，则每年可提供5000亿kWh 海上 风电年上网电量按等效满负荷2500h计，则每年可提供1.8万亿kWh合计：2.3万亿kWh(相当于05年全国的用电量)储量丰富我国风能的利用现状我国风能的利用现状我国风能市场的繁荣超过了预期，创造了又 一个记录。据全球风能委员会统计，全球风电装机再创 纪录，我国的风电开发也达到了一个新的高度：我国风能的利用现状我国风能的利用现状 发展迅速，建设规模不断扩大 国家及政府有关部门重视和支持风力发电 专业队伍和国产化水平逐渐提高我国风能的利用现状 风力发电存在的问题ü 对风能资源勘察不够全面 ü 风电设备和制造技术落后 ü 风电成本高 ü 政策扶持力度不够提纲提纲一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所风力机的分类H型垂直轴风力机型水平轴风力机风力机的分类太阳能热气流发电的例子该装置的主体部分是一个高达1000米的管道塔，底部塔身宽130米 。塔身周围是方圆7公里的温室组成，温室中装有保温材料。温室 中的保温材料是夜间为空气保温而安装的。地面空气因为受到太 阳光的照射变热后，被吸入塔中管道中。热空气沿着管道上升， 带动管道内安装的涡轮发电机，电能就产生了。澳大利亚建造了一座高1000米的热气流发电装置变速恒频风力发电系统原理框图双馈发电机电力系统风 力 机增速箱双向变流器变浆距控制变速恒频控制系统风力发电基本原理风力发电系统的基本构成风力发电基本原理三种能量形式的转换：风能风力机机械能电能发电机追求的目标： 在风速和风向不断变化的情况下如何获得最大的风能利用率和转换效率. 在风力机转速变化不定的情况下如何获得频率和电压稳定的 交流电能 所涉及的学科：涉及空气动力、机械、电机、电力、电力电子、自动控制、 通讯、计算机与化工防腐等多学科交叉的复杂科学问题。 提纲提纲一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所国内研究制造情况代表单位: 保定中航惠腾风电设备有限公司生产产品: 600KW、750KW风力机叶片产量: 年产600KW叶片200套技术来源: 引进存在的问题: 没有设计能力,研发力量不足,产品品 种单一,制造工艺、产品质量仍需提高.叶片设计制造国内研究制造情况兰州电机厂是目前风力机配套发电机的主要生产厂家,并在兆瓦级风力机配套发电机的研发方面走在国内前列山西永济电机厂是目前风力机配套发电机的主要生产厂家之一,但缺少兆瓦级风力机配套发电机研发工作。发电机设计制造国内研究制造情况国内研究制造情况Ø 国内目前中科院电工研究所在风力机的控制系统方面,做了大 量的工作.但最大控制功率不超过750KW 。Ø 兰州电机厂正在与清华大学合作研究1兆瓦以上发电机的控制 技术,目前该技术还未进入实用阶段。Ø 目前国内比较可靠的控制技术基本上采用德国西门子公司和 ABB公司的技术。风力机控制系统国内研究制造情况国内研究制造情况Ø新疆金风科技有限公司主导产品: 600KW、750KW系列机组;正在消化 1.2MW直驱机组特点: 以成套组装为主,所有零部件全部依靠外协,在 全国设有4个总装厂 (新疆、河北隆化、温州 广东惠来)，市场运作能力较强 存在的问题: 研发力量不足Ø浙江运达风力发电工程有限公司主导产品: 200KW、250KW和750KW系列机组生产特点: 以引进、消化为主 存在的问题: 研发力量不足整机国外研究制造状况国外研究制造状况国外风力机研制的特点在于其有很强的试验手段和制造 手段。 目前国外在大型风力机的研制方面走在前列的几家 代表性公司是:Ø 德国NODEX公司 最大生产3.75 MW (海面)Ø 德国GE公司 最大生产3.6 MW (海面)Ø 丹麦Vestas公司 最大生产4.5 MW (海面)Ø 西班牙Gamesa公司 最大生产2.0 MW (海面)u风轮是风力发电设备的核心部件之一 ,国内还没有完全掌握大功率风轮 的核心设计和制造技术 u目前大功率风力机主要依赖进口或与国外合作生产u大功率风力机控制系统主要依赖进口u引进国外成套机组较多,引进技术较少, 消化吸收不足 u基础研究与积累极缺,研发力量不足国内风能利用存在的问题国内外研制的状况对比，可以看出：提纲提纲一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所现代大型风力机设计是一个涉及面广泛的系统工程，而其 中的核心问题是气动设计技术。气动设计已不仅仅与风力机性能的考虑相关，还必须考虑 整机的结构布局和结构动力学问题、系统可靠性问题气动设计的最大难题是风速与风向的不稳定性和随机性， 桨叶经常运行在失速工况，使得传动系统的动力输入异常 不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍对于这种强随机性气动系统，目前还存在一些制约自主研 发能力的基础科学问题亟待解决。 风力发电急需解决的关键技术风机叶片是风电机组最关键的核心部件，它直接影响着整 个机组的性能和成本，风机叶片占整机成本的20%30%左右 风力发电急需解决的关键技术兆瓦级风力机的维护成本浙江苍南风电场浙江鹤顶山风电场u 风力机的气动模型u 叶片优化设计及气动力计算u 定常/非定常工况下的尾流、失速问题及其计算u 流固耦合及疲劳寿命计算u 高强度、轻质复合材料及其制备技术u 风力机组的运行与优化控制技术u 风力机的并网技术及其远程控制风力发电急需解决的关键技术提纲提纲一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 1. 风力机基本原理 2. 国内外研究制造情况 3. 风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所风电中风电中CAECAE的使用的使用Blade design and performanceRotor sizing and acousticsSite selection, land and seaTower design and FSIGenerator and shaft designWind farm configuration for optimal power generation风电中风电中CAECAE的使用的使用Blade design and performanceRotor sizing and acousticsSite selection, land and seaTower design and FSIGenerator and shaft designWind farm configuration for optimal power generation气动设计 推力系数, CT 叶片的结构完整性: 载荷和疲劳噪声叶片设计叶片设计挑战 在给定风速和分布下的气动效率 复杂复合材料构件的结构完整性 噪音最小化 降低高度又能保证最大推力使用CAE的益处在预研中使用虚拟样机代替风洞和 全尺寸试验 自动完成不同试验条件和风速条件 下的设计 降低设计成本Photo © José Luis Gutiérrez, graphic courtesy of IMPSA S.A., Argentina风电中风电中CAECAE的使用的使用Blade design and performanceRotor sizing and acousticsSite selection, land and seaTower design and FSIGenerator and shaft designWind farm configuration for optimal power generation结构设计 塔架和转子结构完整性和安全性能量转化效率, 安装和保养费用结构设计结构设计挑战 结构的稳定性分析 风-转子诱导的震动 地震安全和风险预测 发电机热载荷使用CAE益处 在制造前评估产品的模态行为 和非线性结构特性 获得并理解设计过程中结构间 的流固耦合Photo © Michael Utech风电中风电中CAECAE的使用的使用Blade design and performanceRotor sizing and acousticsSite selection, land and seaTower design and FSIGenerator and shaft designWind farm configuration for optimal power generation位置选择和规划 方案潜能最大化功率输出: 最大值和平均值风载: ultimate and fatigueLogistics风力机位置选择风力机位置选择挑战 风力机的位置选择以及其效率的最 大化 陡峭地形 近海区安置 变化的风速和风向下风力机之间的 阴影效应 功率输出的预测使用CAE益处 优化风力机功率输出和安置位置 复杂地形中风速的预测 预测不同风速的风向下功率输出Wind velocities over complex terrain for a proposed w
