直接驱动风力涡轮机的肌肉
一种不同的传动系统设计消除了涡轮机转子和发电机之间的齿轮箱，这吸引了风力涡轮机制造商，他们寻求更高的功率输出，提高海上可靠性，并在系统的生命周期内节省潜在成本。查看照片，图表，链接。
风力涡轮机叶片的宏伟低速旋转，通常是我们看到风力发电场的第一眼，这在很大程度上是由物理定律决定的——需要限制叶片长度为50米或以上的有害的高叶尖速度。然而，为了发电，传统的风力涡轮机设计必须在涡轮机的转子(转速为4-20转/分)和要求更高转速的标准发电机之间引入变速箱(或增速器)。齿轮传动比是100:1或更多。
一种新的用于公用事业规模风力涡轮机的技术通过使用低速永磁发电机来消除齿轮箱，正如术语“直接驱动”所暗示的那样。除了简化涡轮的传动系统，直接驱动(DD)还降低了系统重量，由于部件更少，可能具有更高的可靠性，并减少了维护。越来越多的风力涡轮机制造商生产DD机器，目前专注于更高的额定功率和海上应用。
DD和齿轮传动风力发电机从控制角度来看差别不大。任何一种方法都采用了单独叶片的俯仰控制和机舱相对于风向的偏航控制。发电机的输出由电源变换器和变压器调节到电网的电压和频率要求。涡轮控制器处理系统功能，并与用于多个涡轮风力发电场的监督控制进行交互。(有关风力涡轮机控制的更多信息，请参阅在线参考文献1。)
几乎所有的直接驱动风力涡轮机供应商也提供齿轮传动涡轮机，预计将在可预见的未来保持竞争力，由于其庞大的安装基础和优秀的整体性能。(参见在线制造商表。)齿轮传动和DD风力涡轮机的最终应用领域将由进一步的运行经验和系统成本决定。
“直驱技术的优势是随着尺寸的增加而增加。因此，齿轮传动涡轮机很可能在低功率值下仍具有竞争力，”西门子风力发电的CTO Henrik Stiesdal说。与此同时，供应商对两种设计方法的发电成本和系统可靠性数据守口如瓶。
没有变速箱=少12吨
取消齿轮箱，在涡轮机舱最重的元件，提供了明确的重量优势。
Stiesdal指出:“使用相同的101米转子，西门子3.0兆瓦(MW)直驱涡轮机的机舱比西门子2.3兆瓦齿轮传动涡轮机轻12吨。”直接驱动风力涡轮机(SWT-3.0-101)显示在西门子照片。变速箱的可靠性是业界关注的问题。高动态负载环境和大量的活动部件需要主动监控和维护。虽然最近有一些变速箱故障的报道，但风力涡轮机制造商坚定地支持产品的可靠性。
Stiesdal解释说:“西门子齿轮传动式涡轮机目前正在为风电行业设定[可靠性]基准，要在这一点上进行改进并不容易。”“然而，从原则上讲，直驱式涡轮机的活动部件数量要少得多，部件数量也减少了50%，因此可靠性应该会有一点提高。”
传动系统效率的一些提高来自于移除变速箱。此外，涡轮短舱长度明显变短。在2010年苏黎世汽车峰会上，瑞士MagnetDrives AG公司的一份报告显示了效率的提高和其他好处。(欲了解更多关于汽车峰会的信息，请参阅在线参考文献2。)
MagnetDrives的负责人Stefan Berchten博士比较了2兆瓦无齿轮和齿轮风力涡轮机的设计，结果显示DD的重量减轻了5吨，系统效率为94%和92.4%。对于额外的5%的直接驱动项目投资，Berchten预测在7年的投资回复期中，维护成本、能源和总成本将大幅节省。
低速发电机
为了在低转速下发电，需要一种不同的发电机设计。永磁(PM)同步发电机提供了最有效的需求，对于直接驱动，它们采用“甜甜圈”配置，而不是传统发电机的圆柱形。一个大得多的直径发电机是必要的，以增加有效旋转运动的pm相对于定子线圈，以便所需的高扭矩可以发展。
Switch Controls & Converters公司是一家兆瓦级PM发电机和全功率转换器包的供应商，该公司注意到PM同步发电机在DD涡轮机中的优势效率。The Switch公司副总裁兼总经理安德斯·特罗德森(Anders Troedson)解释说，重要的是，即使在部分负荷下(由于风力不一致，涡轮机必须经常运行)，PM发电机的效率仍然很高，接近标称值。例如，一台功率为2.2兆瓦、转速为18转(见图)的发电机，满载效率为94.4%，而在25%负载时，效率高达92.9%。类似的值，甚至略高于25%的负载效率，适用于该公司的其他DD发电机型号。
此外，与双馈感应发电机(DFIGs)相比，PM发电机不需要单独的励磁、滑环和转子绕组，并且需要更少的维护。虽然在役的发电机数量最多，但由于功率因数限制和缺乏故障穿越能力等原因，dfig不适用于DD操作。据报道，超过20年的涡轮寿命，PM发电机也更具有成本效益。
Troedson说:“直接驱动发电机的设计需要特殊的磁铁形状和布局来匹配特定的风力条件并优化效率。”另一个特点是获得专利的定子结构，有几个独立的部分，由不同的转换器控制，这意味着驱动器冗余。他说:“在其中一个部分出现小故障的情况下，涡轮机甚至可以保持运行。”
至于其他类型的发电机，“单独励磁同步发电机是一种可行的，但效率较低的发电机类型，可用于直接驱动，”Troedson补充道。这项技术的最大用户是德国风力涡轮机制造商Enercon。除了低速发电机，Switch还提供优化的中高速机组，可与全功率转换器高效可靠地工作。
更多的电力来自海上和陆上
DD发电机用于更高的功率输出，包括海上应用，它依赖于稀土PM材料，通常是钕铁硼(Nd-Fe-B)。然而，科技不能提供免费的午餐。取消变速箱的代价是需要大量这种昂贵的磁铁材料，而这些材料正面临供应短缺的问题。据西门子称，每兆瓦风力涡轮机容量大约需要650公斤的pm，其中25%-30%是稀土磁铁材料。
“这些材料的成本已经体现在直接驱动概念的竞争性价格中。”Stiesdal初步指出。最近稀土pm的战略采购问题已经导致用户公司考虑替代方案。
Stiesdal补充说:“发电机目前使用的是含有钕和镝元素的永磁体。”“在这些稀土元素短缺的情况下，一种不使用稀土磁铁的系统磁化的变体设计将可用。(更多关于稀土磁体的供应和成本问题，请参阅在线文章扩展。)
DD风力涡轮机不断增长的功率输出反映在最近的介绍和公告中。据报道，通用电气能源公司是美国领先的风力涡轮机制造商，也是全球第二大风力涡轮机制造商，该公司于2011年3月推出了一款4mw风力涡轮机，专为海上使用而优化。4.1-113型直接驱动涡轮的设计据说具有内置冗余和主要部件的部分运行能力。DD技术的重点是“保持涡轮机在海上可靠运行……并依赖于模块化方法，最大限度地进行现场维修，减少对大型维修船的需求。”
4.1-113的额定风速为14米/秒(31.3英里/小时)，转子直径为113米。它建立在GE 3.5 MW DD涡轮机的发展基础上，其基础设计自2005年以来一直在挪威沿海地区的高风速和高湍流环境中运行。该涡轮机将于2011年下半年由瑞典Göteborg Energi公司在哥德堡港安装。
通用电气最近还宣布投资3.4亿欧元，在德国、挪威、瑞典和英国的工厂生产4兆瓦的无齿轮风力涡轮机，用于2012年的海上使用。2009年，该公司收购了挪威的ScanWind公司，提升了DD技术专长。
西门子能源(Siemens Energy)和阿尔斯通(Alstom)等公司也宣布了大型DD风力涡轮机。2011年6月，西门子在丹麦安装了采用DD转子技术的最新海上涡轮机原型机。转子直径120米的6兆瓦机组已开始试运行。
与此同时，阿尔斯通公司6兆瓦海上汽轮机原型机也已开始生产(见图)。第一台原型机将于2011年年底前安装在法国西海岸。西门子和阿尔斯通都预计他们的风力涡轮机将在2014年实现量产。(这些进展在网上有进一步报道。)
相比之下，丹麦的维斯塔斯公司(vestas)以建造了最多的风力涡轮机而闻名，在2011年早些时候宣布的7兆瓦海上涡轮机原型选择了齿轮设计。然而，转子直径为164米的样机预计要到2012年第四季度才能生产出来。
并非所有应用程序都适用
虽然更高的功率现在是DD风力涡轮机的“最佳点”，但纯粹的物理尺寸可能会施加机械限制。
Troedson表示:“当直接驱动系统的功率接近8 - 10兆瓦时，我们面临着一些挑战。“由于高扭矩要求，发电机会迅速变得更大、更重。”除了材料强度、制造公差和轴承要求等设计限制外，Troedson还提到了以下限制:
- 发电机的重量和尺寸必须限制，以避免升级塔结构来处理更高的机舱重量
- 气隙设计-处理磁通密度要求，防止转子-定子在所有操作条件下摩擦
- 动态短路力-必须在最小气隙的限度内容纳。
Troedson解释说，其中一些因素可能变得过于重要，影响发电机的选择。他说:“单级变速箱可以使发电机更小、更轻，并且仍然具有与直接驱动发电机相同的一些优势。”“因此，我们看到一些大型发电机的客户更喜欢单级变速箱而不是直接驱动。”
鉴于上述情况，Troedson强调了发电机和涡轮设计人员工作的必要性共同优化整个涡轮设计，而不是某个特定部件。
对于风力涡轮机技术来说，激动人心的时代似乎就在前面。
弗兰克·j·巴托斯，体育，是控制工程贡献内容专家。联系他的邮箱是braunbart@sbcglobal.net
www.alstom.com/power/renewables
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