风机的起源

第一章风机的起源1.1概述风能作为一种可再生能源越来越受到世界各国政府的重视。

与此同时，对风力发电技术和装备的研究开发也日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。

本文对风力发电机的主体—机械部分中的变桨系统及偏航系统进行了一定的研究、分析。

由于风力发电机工作环境的恶劣性，这就要求其各个部件的维护周期要长，从而便于降低维护费用，延长工作时间。

首先，采用叶素理论建立了风电机组变桨距调节原理。

设计了一套新型变距传动机构——电动变桨距传动机构。

构建了基于CAXA的三维实体模型，施以正弦运动律，其动态仿真结果验证了该变桨模型建立的有效性和准确性，进一步为风力机变桨距系统的优化设计奠定了基础。

其次，针对风力发电机偏航时的要求设计了偏航控制器，改以前的遮掩式角度传感器为绝对式数字角度传感器，增加了系统的灵敏性。

1.2风机鼻祖出神州在我国古代也就是在商代、西周之前，就发明了一种强制送风的工具，名叫鼓风器，主要用于冶铸业。

公元前14至前ll世纪的殷代时期，已开始运用了退火处理的热处理技术。

在商代中朝，公元前14世纪，我国用陨铁制造武器，已采用了加热锻造工艺，所有这些工艺技术的发明、创造和用之于生产，都和送风工具鼓风器分不开的。

在战国时期或者更早些时，我国出现了多橐并联或串联的装置，汉代称之为“排橐”。

北宁时期又发明了木风扇。

从元代王祯于1313年所著《农书》中的卧式水排图和《熬波图》来看，它的外形好像一个木箱，是利甩箱盖启闭来实现鼓风的。

在1634年明代宋应星著的古代科技名著《天工开物》中记载有木风箱，它是古老的活塞式鼓风器，一直沿用至今，可称之为现代往复式压缩机的鼻祖。

木风箱两端各设有一个进风口，口上设有活瓣。

箱侧设有一风道，风道侧端各设一个出风口，口上亦装有活瓣。

通过伸出箱外的杆，驱动活塞往复运动，促使活瓣一启一闭，以达到鼓风的目的。

木风箱的动力有人力和水力等。

“水排”是古代以水力推动的冶铸鼓风装置。

相传是东汉(公元25～221年)初年南阳太守杜诗所发明的。

在他之前，像冶铸炉鼓风的动力主要是人力和畜力。

水排工作部件随着时代的不同经历了皮囊、木风扇、木风箱阶段。

元代水排分卧轮式和主轮式两种，是依靠连把旋转运动变成直线往复运动的一种机构。

欧洲水力鼓风大约发明于12世纪，对l4世纪欧洲生铁的出现起到了促进作用，但比起我国却晚了很多年。

也不知公元前多少年，我国祖先就发明了简单的木制砻谷风车，在南方沿用至今。

它有一个等宽像现代多叶离心通风机机壳那样的木板风箱，上面有可放进谷子的方形口，左水平前面有方口，木轮子置于风箱中，轮子木轴伸出，装有摇把，靠摇把下侧设有斜口，轮子前后与风箱均有空隙可进空气。

当手摇动轮子时，将谷子由上口倒进，由于轮子对由轮子与风箱之空隙进去的空气做功，提高了气体压力，将谷壳和稻草末由前方口吹送出去，谷子因为比重大，就由左下侧斜口流到谷袋里。

这种木质砻谷风车也就是现代离心通风机、鼓风机和压缩机的鼻祖。

还有，螺旋桨式风车在我国古代也早有创造和应用，它又是轴流式风机的鼻祖。

1.3发达国家风机登先尽管我国古代是风机鼻祖的发源地，但由于长期的封建统治，人们的智慧受到抑制，工农业受到阻滞。

工业生产的落后带来的是科学技术的落后，鼓风机械也就由盛而衰了。

18世纪，欧洲发生工业革命，蒸汽机车的出现，钢铁工业、煤炭工业的突飞猛进，通风机、鼓风机、压缩机也就随波逐流地发展起来了。

有的国家的风机产品随着钢铁产量的起落而起落；有的国家的风机产品则又随着石油、石油化工产品的产量的升降而升降。

1862年，英国T·圭贝尔发明了离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片,效率为40％左右，主要用于矿山通风。

1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳和后向弯曲叶片的离心通风机，结构比较完善。

1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国广泛采用。

19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但压力仅为100～300Pa，效率仅为15%～25％。

这种通风机，直到20世纪40年代以后才得到较快的发展。

1935年，德国首先采用轴流等压通风机作为锅炉通风机和引风机。

1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机。

对旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得发展。

离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20世纪出现了压力比为4.5的离心压缩机。

50年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。

1963年，美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受10MPa以上的压力。

70年代，美国、意大利和德国先后制成60～70MPa高压筒型压缩机，筒体壁厚280mm。

80年代初排气压力已达80MPa。

离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到25000转以上。

所需功率可达几万千瓦，流量已达10000m 3 /min。

离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。

轴流压缩机也是在欧洲首先出现的。

19世纪末，英国人C·A·帕森斯让多级反动式汽轮机反向旋转，作为试验用轴流压缩，但由于效率很低而不能实用。

20世纪初，英国制造出第一台轴流压缩机，效率仍不高。

一直到30年代，由于航空事业的发展，开展了对轴流压缩机气体动力学理论研究和试验研究，效率才有显著提高。

亚音速级(气流速度低于声速)中压力比不大，一般不超过1．3。

为了提高级的压力比和增大流量，人们研究跨声速和超声速压缩机，并已广泛应用于喷气发动机。

1.4世界风力发电现状地球上蕴藏的风力资源十分丰富，据专家们估计，地球上可接收到的太阳能大约2%转化成风能，装机容量就可达10TW，每年可发出13PW.H的电量。

如果10%的风能得到利用，那么全球的电力需求基本就能得到解决。

近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。

风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势主要呈现为以下几个特点：⑴世界风电工业高速发展根据全球风能委员会报告，2005年全世界新增风电装机容量11769兆瓦，比上年增加3562兆瓦，增长43%；新增风电总投资达120亿欧元或140亿美元。

截至2005年底，世界风电装机总容量为59322兆瓦，同比上年增长25%。

目前，已有48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。

2005年，世界风电装机容量前6位的国家，依次为德国18428兆瓦、西班牙10027兆瓦、美国9149兆瓦、印度4430兆瓦、丹麦3122兆瓦和意大利1717兆瓦。

其他一些国家包括英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的风电装机容量都达到了1000兆瓦。

2005年就新增装机容量而言，世界前6位分别为美国2431兆瓦，高居首位；其次是德国1808兆瓦；其他依次为西班牙1744兆瓦、印度1430兆瓦、葡萄牙500兆瓦和中国498兆瓦。

截至2005年底，欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量为40500兆瓦，占全世界风电总装机的69%，比上年增长18%，约提供了欧盟近3%的电力消费量，提前实现了到2010年风电装机容量达到40000兆瓦的目标。

预期到2010年，仅风能即可实现欧盟所承担《京都议定书》二氧化碳减排义务的三分之一。

全世界风力发电每年以30%左右的速度增长，据预测，到2020年风力发电将占世界电量的20%。

⑵风电成本逐年降低尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的。

随着风电技术的改进，风电机组越来越便宜和高效。

增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。

随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。

风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。

单就过去5年而言，风电的成本已经下降了20％。

在一些平均风速7m/s的地方，每千瓦装机成本为700欧元时，风电便可以与燃气发电竞争。

根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981～2002年间，风电成本由15.8欧分/kWh下降到4.04欧分/kWh，预计2010年度电成本下降至3欧分/kWh，2020年降低至2.34欧分/kWh。

随着技术设备的改善，成本还可以在目前的基础上再减少30%-50%。

⑶海上风电悄然兴起海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。

多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。

到2003年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机600MW，集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。

目前最大的海上风电场是位于丹麦南海岸的Nysted风电场，容量为165.6MW，由72台Bonus2.3MW海上风电机组组成，于2003年12月开始发电。

预计到2010年，欧洲海上风电的装机容量将达到10000MW。

1.5国内风力发电的发展风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。

中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。

随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。

2009年全球风力发电新增31%，共增加37500兆瓦新装机容量，全球总装机容量达到157900兆瓦的新高峰。

风能的持续增长，主要来源于世界主要市场积极的国家能源政策，以及许多国家政府将可再生能源作为其经济复苏计划有限考虑的一部分。

“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。

2006年，中国风电累计装机容量已经达到2600兆瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。

2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。

2008年中国新增风电装机容量达到7190兆瓦，新增装机容量增长率达到108%，累计装机容量跃过13000兆瓦大关。

内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。

2009年以来，为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。

作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截至2009年底，全国累计风电装机容量达到25800兆瓦。

中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。