[00110336]风力发电多齿轮增速发电装置

　　风力发电多齿轮增速发电装置简介 　　一.技术现状 　　风力发电是除水力发电之外，现今世界技术上最成熟、最具规模开发和有商业化发展前景的发电技术，现今中国已是风力发电大国。 　　然而现今建造风力发电的造价昂贵，运行可靠性也并不令人满意。其主要是因风电增速器是高精度的复杂的重型设备所致，为了确保风力发电机可靠，国家相关部门制订了风电增速器严格的国家标准，这一来既大幅增加了制造难度，又必须大幅提高制造成本，中国的大型风力发电机型发展也正被此弊端困扰着。 　　现今大型的流行的风力发电装置的结构原理是风力推动风叶轮低速旋转，经风电增速器增速后带动发电及高速旋转而发电。由于风电增速器输入的扭矩在几十吨米以上，为了降低轮齿面接触应力，人们采取多套传动路线共同承担负荷从而使每套传动路线的轮齿面接触应力减少为几分之一的称呼为分流法传动。在各分流法增速后又其汇合在一起由一轴输出带动发电机发电。欧洲诸多国家的风力发电的齿轮增速装置采用这种技术路线及中国的风力发电齿轮增速装置均属于这种方式；这种传动虽然可降低齿面接触应力，但各分流的传动链间必须严格同步，整个风电增速器增速就必然变成为高精度的复杂的重型设备。 　　在中国重型机械研究院赵玉良、葛延、王有飞的《风力发电增速箱的类型及新进展》一文中指出：“2）底座式多输出轴齿轮增速箱，美国CLIPPER公司推出的多输出轴式齿轮增速箱采用底座式结构，两级增速传动，且输出轴可多至2~10个，并直接与中速发电机相连。例如其2.5MW的风力发电机组，采用了4个输出轴，分别与4个660KW的中速发电机直接相接。底座式齿轮增速箱的优点体现在下述几个方面，首先是零部件重量可减轻，整体重量及尺寸也明显减小，易于进行安装、维护及检修。另外座式齿轮箱也更易于设计成在机舱内易于拆装的结构，便于处理齿轮箱的故障及更换损坏的零部件。多输出轴式齿轮增速箱的采用，也可使得风电机组的整体尺寸大大减少，重量明显减轻，这对近海或不便运输的偏远地区的风电机组尤其适用。” 　　二．新型风力增速发电装置的特点 　　1．解决轮齿间超负荷的困难。 　　与欧洲式齿轮增速箱及美国CLIPPER公司推出的多输出轴式齿轮增速箱相比新型风力增速发电装置采用了新型结构及新的齿轮技术，其单级齿轮增速比可达10以上，分流数可达60以上，从根本上解决大型风力发电机传动轮齿间超负荷的困难，即使风力发电机发电功率在万千瓦以上，均可使轮齿在轻载或中等载苻下运行，对于大型或超大风力发电机应用此新型风力增速发电装置，正好克服了传统技术的弊端而发挥出其独特技术优势。 　　2．减少了发电并网的困难及有利发电机的制造。 　　感应发电并网不像同步发电繁杂，其缺点是并网有较大冲击，本新型风力增速发电装置的结构特殊性可使感应发电机的转差率允许取值较大，使并网电网免受较大冲击，这对减少风力发电固有的功率波动以及风力机频受冲击的机械应力是特有好处。 　　3．极易实现零部件标准化及模块化设计。 　　新型风力增速发电装置结构并不复杂，但在一台风力发电机内有许多简单的相同的零部件，在不同规格的发电机间也有有许多相同的零部件，因此极易实现零部件标准化及模块化设计，这对于推广应用及标准化批量生产极为有利。 　　4．不苛求高精度易于制造成本低 　　传统风力增速发电装置的制造精度外齿轮5级内齿轮6级，新型风力增速发电装置的齿轮制造精度7至8级精度。制造精度外齿轮5级内齿轮6级需要大型高精度齿轮机床，拥有大型高精度齿轮机在全国只有屈指可数的几家，高精度的齿轮制造工艺过程复杂，制造成本与精度呈指数关系增加，新型风力增速发电装置的齿轮并不一定需要很大，齿轮制造精度7至8级精度属于普通精度，全国拥有普通齿轮加工能力的厂家比比皆是，其制造工艺过程简单，制造成本低廉。一台1.5Mw风力增速箱需在大型机滚齿机上滚齿淬火磨齿，其售价在一百几十万，而新型风力增速发电装置只需普通滚齿，总售价约为几十万元。 　　５. 采用新型风力增速发电装置同时也使具体设计易于结构优化、紧凑，大大地改善了零件工作状态。例如：主轴、主轴承等的结构更合理，受载变轻了，无需主轴联轴节了等。 　　6.对增速发电装置稍作改造，即增加加刹车装置便可在发电超过设置转速时，便可自动刹车，从而省去复杂的油压刹车系统。 　　7．运行可靠使用寿命长 　　传统风力增速箱传动链间承载着超重负荷，制造精度稍有不慎或润滑不佳，风力增速箱便会发生故障而难于确保使用寿命；新型风力增速发电装置的传动链间承载着的负荷不大，不会发生运行故障，使用寿命很长。 　　8．易于拆装及维护零部件 　　传统风力增速箱因零部件尺寸大又重，而风力发电地处荒野或海上高空，一次吊装便需花费几十万元；新型风力增速发电装置无大尺寸及大重量零部件，仅需简易吊装工具便能实施搬运，设备需要安装精度不太高，结构简单涉及相关部件少，拆装及维护零部件工作简单易行。 　　9．对于叶轮轴水平或竖直或者比叶轮更先进的风力发电设备将来都具有采用价值。 　　三．应用前景 　　新型风力增速发电装置适用大中小型发电机型，精度要求并不太高，制造容易，运输方便，尤其是对于海上风力发电的大型机更显其突出优势；零部件标准化及模块化设计使其易于标准化系列化产品此，可迅速广泛地应用。在国内外将有巨大而长远的市场。 　　四．专利受理号: 　　2010105029489，2010205562489 　　新型风力增速发电装置价值 　　传统风力增速发电装置的制造精度外齿轮5级内齿轮6级，新型风力增速发电装置的齿轮制造精度7至8级精度。制造精度外齿轮5级内齿轮6级需要大型高精度齿轮机床，拥有大型高精度齿轮机在全国只有屈指可数的几家，高精度的齿轮制造工艺过程复杂，制造成本与精度呈指数关系增加，新型风力增速发电装置的齿轮并不一定需要很大，齿轮制造精度7至8级精度属于普通精度，全国拥有普通齿轮加工能力的厂家比比皆是，其制造工艺过程简单，制造成本低廉。一台1.5Mw风力增速箱需在大型机滚齿机上滚齿淬火磨齿，其售价在一百几十万，而新型风力增速发电装置只需普通滚齿，总售价约为几十万元。2010年某厂生产1.5Mw风力增速箱2000台,该厂原为三线工厂,拥有国宝级的大型高精度机床,据厂方说其售价为每台120万,若估算一台1.5Mw风力增速箱采用新型风力增速发电装置造价为40万,则每台可节省80万元,总计2000台可节省16亿元。 　　中国有家风力发电企业2006年入选福布斯“2007中国潜力100”排行榜，位列第7名，评为中国最具发展潜力的公司之一，2011年2月，被权威的美国麻省理工学院《技术评论》评选为“年度全球最具创新力企业50强”，该企业是这次唯一一家入选的亚洲风电企业。2010年，2.5兆瓦和3.0兆瓦风电机组开始批量生产，6MW正在研发当中。若在开发大型风力发电机中采用《风力发电多齿轮增速发电装置》，6MW或更大发电功率的发电机的开发工作的难度将大幅减少，所需成本大幅下降。因为采用新型风力多齿轮增速发电装置所带来的不单是齿轮增速箱的节省，同时还带来刹车、轴承、电机及发电并网等多方面的技术进步。 　　海上风力发电的功率都是大功率，可装机量更大，其机组安装维护及检修比陆地更困难。采用《风力发电多齿轮增速发电装置》也正是对症下药好技术。 　　风力发电比核发电安全便宜。在风力发电的总成本向低于燃气、燃煤发电成本发展过程中，《风力发电多齿轮增速发电装置》已经可以克服在此发展过程中的主要难点。 　　风力发电多齿轮增速发电装置》授权后，获得了《中国发展战略学研究会人才战略专业委员会》、《中国高新技术企业》期刊社创新成果栏目组会、国家发展和改革委委刊的《中国经贸导刊》、《建设低碳中国主题活动组委会》、中国企业报的《全国优秀专利技术与产品推展工程》、大型爱国主义文献（科研创新卷）的《中华丰碑?时代先锋人物》等多多家单位的赞誉，并来函通知为入编及推举重点项目，《中国管理科学研究院科技进步研究所》的项目经评审组委会评审确认该项入选为《民间百强节能环保项目》 　　 《风力发电多齿轮增速发电装置》的工程经济效果 　　一．中国风力发电的概况 　　在过去的5年里，中国的风电连续5年翻番增长，至今累计装机总量已超4200万千瓦，跃居全球第一，形成了一个由弱到盛的全新产业风力发电是环保可再生的安全能源。然而中国的风力发电机的实际运行状况并不佳，其根本原因在于风机的制造成本太高，运行故障率高。虽然通过市场竞争发电成本从1.5元/度电下降到了0.51元/度电，但仍然远高于火电的价格不过0.3元～0.4元/度电，这使得本应再加速发展的风电事业又面临着工程经济不佳而无法顺利发展。 　　二．现有风力发电机存在的具体弊端 　　在风电叶轮转动使发电机的增速过程中，为解决传动轮齿间的接触应力过大的问题，欧洲公司采用了设置几个分流传动和提高精度并大型化的增速系统、以润滑油膜传递接近于极限大的触应力的技术路线，显然其设备造价是昂贵的，维持高运行率是需严格条件的。现今中国的风力发电机来源于欧洲型风机。因此设备固有的高成本及低运行率导致了风电价远高于煤电价的困境，而不能迅速发展。 　　三．风力发电多齿增速装置的特点 　　针对欧洲式齿轮增速箱及美国CLIPPER公司推出的多输出轴式齿轮增速箱的弊端及不足，产生了以造价低廉而运行可靠分流数众多增速用中小型发电机的解决方略，此即专利《风力发电多齿增速装置》。其特征为：1.其分流数可远多于12以上，在低转速的最大扭矩级齿轮增速比可达10以上，从根本上解决大型风力发电机传动轮齿间超负荷及增速比小的困难，而获得使用可靠、耐用。不管使风力发电机发电的总功率有彗大，全增速传动链也在轻载或中等载苻下运行。2．减少了发电并网的困难。感应发电并网不像同步发电并网繁杂，其缺点是并网有较大冲击，本《风力发电多齿轮增速发电装置》各发电机功率并不大，其转差率允许取值较大，且各发电机发电可依序并网，对电网冲击比与它们功率总和相等功率的一大型异步发电机是冲击要小；风力发电固有的功率波动以及风力机频受冲击的机械应力变得很小，虽然多台小型异步发电机的总造价略高于同等功率的一台大发电机的造价，但并网产生的冲击电流的减小，配套的电器件承压不高，又使得并网总造价低和可靠。3．在一台风力发电机内有多个相同的零部件，不同规格的发电机间也有多个相同的零部件，因此极易实现零部件标准化及模块化设计，使得批量生产成本低、使得研制开发新型功率风机成为选用标准模块的组合工作，免除了艰难的研制开发工作。4．传统风力增速发电装置的制造精度外齿轮5级内齿轮6级，制造工艺复杂，需要大型高精度机床，其制造成本与精度呈指数关系增加。而《风力发电多齿轮增速发电装置》的齿轮制造精度7至8级精度。具备普通齿轮箱加工能力的厂家比比皆是，制造成本低廉。５.结构易于优化、紧凑，大大地改善了零件受力及工作状态。对于主轴、主轴承等承受几十个相同的平衡力作用，实际荷载减小到只现有结构的几十分之一，从根本上解决轴承易损而只能信赖进口的难处。6.在各个发电机的轴上设置电磁刹车装置，可选的刹车标准件，结构简单可靠造价低廉，并省去现有的复杂庞大的油压刹车系统。7．现今风力增速箱传动链间承载着超重负荷，制造过程稍有不慎或润滑稍有不佳，风力增速箱便会发生故障而缩短使用寿命；而《风力发电多齿轮增速发电装置》的传动链间承载着的负荷不大，无此麻烦却可靠耐用。8．易于拆装及维护零部件。传统风力增速箱因零部件尺寸大又重，而风力发电地处荒野或海上高空，一次吊装便需花费几十万元；风力发电多齿轮增速发电装置采用组合结构，无大尺寸及大重量零部件，能在风机的塔筒内实施搬运，可方便地拆装及维护零部件工作。９．由于每个发电机功率不大，易于实现无刷双馈异步发电机变速恒频发电。10．已建的风力发电运转率不高，在不久的将来定会报废，利用《风力发电多齿轮增速发电装置》可进行改造更新高效风力发电。 　　四．风力发电多齿增速装置的工程经济效果分析及市场前景 　　为了克服风力发电机中因齿轮增速所产生的种种弊端，在国内、外曾研制出了使风机叶轮轴直接驱动高压发电机的机型。这种机型避免了齿轮增速箱的弊端、省去升压变压器；然而这种发电机的极数需要200至400极或更多，需用大量的永磁材料，同时对永磁材料的稳定性要求高，其造价与齿轮增速箱相当。早在上世纪70年代为了克服水泥磨减速器弊端的外国公司也研制了极数众多的直接驱动磨筒的低速电动机，由于低速电动机的造价比减速器高，致使各水泥磨宁愿采用机械减速器而不用低速电动机。如今这种多极低速发电机实质是步了７０年代研制低速电动机的后程，其高造价正是与降低风力发电成本目标背道而驰。 　　已有的三种1500千瓦国产风力发电机的齿轮增速发电装置及按《风力发电多齿轮增速发电装置》专利而设计的齿轮增速发电装置的基本参数如下：第一种增速箱数据为：速比i=67，功率N=1500kw，总重w=15000kg，体积3.1×1.92×2.3=13.7立方米。内齿精度6级，外齿精度5级。第二种增速箱数据为：速比i=67，功率N=1500kw，内齿精度6级，外齿精度5级。总重w=1300kg。第三种增速箱数据为：速比i=67, 功率N=1500KW, 总重W=17000kg, 体积3.1×2.1×1.9=12立方米, 造价约120万元，内齿精度6级，外齿精度5级。而按《风力发电多齿轮增速发电装置》专利所设计的增速箱数据为：对于一个与风叶轮轴固联的大齿轮，采取16个分流齿轮增速发电装置，每个分流装置所构成的总速比i=65-80，各分流装置的发电机功率均为N=100KW，总计功率为N=1600KW，总重W=15500kg，体积φ2.9×1.37=12立方米，带发电机及刹车增速箱体积φ2.9×4.2=27.7立方米。制造精度为8级，造价约30-35万元。此处刹车装置至少节省5万元。由此不难看出按专利设计的具有诸多的优势，造价节省90万元，折合风力发电的每千瓦造价节省600元。现今中国1.5兆瓦的风机报价已经从每千瓦8000元降到了每千瓦3500元甚至更低。电价已从1.5元/度电降低为每千瓦时0.61元、0.58元、0.54元和0.51元。而《风力发电多齿轮增速发电装置》是2011年6月底才获准专利授权，也就是说此前每千瓦3500元的造价中并没有采用此专利技术。假若1.5兆瓦风机制造中采用《风力发电多齿轮增速发电装置》则每千瓦的造价可降为2900元。又若风机每千瓦年发电量为2000度，每度电价为0.3元，其年发电收入为600元，这样５年就可收回风力发电的投资，风机的使用寿命为20年，则有15年的发电收入总计为每千瓦9000元。仅此就会使现今的风力发电赔钱转化为风力发电赚钱吗？除了以外，实际上采用《风力发电多齿轮增速发电装置》所产生的增益多方面的。采用16个100千瓦的发电机替代1500千瓦的发电机总造价节省约8万元。原增速轮齿间依靠油膜传递扭矩，为此运行中及润滑油过滤器耗费并不少，但并不能保证增速箱高运行率，运行率的低下又带来发电量的减少，而多齿轮增速发电装置分流数众多，每条增速链上的负荷很轻，在润滑油并不充分的条件下，增速链运行仍然正常，这使得风力发电机运行费很低且发电收入又增加。分流数众多使得运行中齿轮和轴承所受的径向和周向的合力很小且交变幅度也很小，这就使得无需采用昂贵的进口轴承而采用低价的国产轴承却能确保使用寿命而不因轴承损坏停机。风力发电机的零部件的标准化后可以批量生产将使得制造成本大幅下降；将与风叶轮轴固联的大齿轮增加到2个，则可有32个增速发电装置，风机的发电功率就是3000千瓦，大齿轮增加到4个，则可有64个增速发电装置，风机的发电功率就是6400千瓦，大齿轮增加到6个，则可有96个增速发电装置，风机的发电功率就是9600千瓦。如此一来，开发研制新的大的风力发电这一复杂工作就变了增加增速发电装置模块的数量的简单工作。风力发电多齿轮增速发电装置的零部件采取组合结构，所有的零部件尺寸不大，重量较轻，可在风机的柱形塔架内搬动，这给机件拆装维修带来方便节省费用。应用此技术将来还可对现今已风力发电进行改造以使旧机新生。还有采用多个小型发电机发电，可减少并网冲击、改善了供电质量；低电压及小电流工况还带来电器元件的低成本和长使用寿命。实施《风力发电多齿轮增速发电装置》只需常规的机床及工艺，除了需对现今的风力发电机总体设计进行改进外，实际研制所需费只不过几十万而已。 　　总之采用《风力发电多齿轮增速发电装置》可以从总体上降低设备制造成本，减少发电运行成本、高效长使用寿命工作，使风力发电成本低于燃煤发电成本。 　　中国的大地及海上有无尽的风能，应用《风力发电多齿轮增速发电装置》可以高效地低成本地发电；国外风电市场《风力发电多齿轮增速发电装置》有着强劲竞争优势。 现有增速器与多齿轮增速发电装置机型性能简表 机型号 项目 FL1500 FD1500 FZ1500 多齿轮增速发电装置机型 额定功率 1500 1500 1610 1600 增速比 67 67.056 67 65~80 制造精度 5-6 5-6 5-6 8 分流数 3 3 3 16 箱体尺寸 (立方米) 3.1×2.1×1.9=12 3.088×2.025×1.73=10.82 φ3.1×1.37=12 增速器总重kg 1700 14500 13000 15449 增速器造价(万元) 120 25~35 发电机台数 1 1 1 16 估算发电机造价(万元) ~40 ~40 ~40 19.2~30 电器总造价 高 高 高 中等 并网复杂度 中等 中等 中等 容易 供电质量 一般 一般 一般 较好 所需轴承质量 高 高 高 一般 对润滑要求 高 高 高 一般 零部件标准化 低低 低 低 高 设计模块化 低 低 低 高 安装维修难易 难 难 难 易 设备运行率 低 低 低 高 对发电成本影响 增高 增高 增高 显著降低