风能2013:风和日丽，在芝加哥繁荣展示

5月5日至8日，在芝加哥麦考密克广场举行的2013年风能大会讨论了与风能相关的政策、技术和效益。在WindPower大会开幕式上发言的包括爱荷华州州长特里·布兰斯塔德(Terry Branstad)，他理所当然地表达了对风能的热情，因为该州拥有令人羡慕的风电装机容量第三大的地位，仅次于德克萨斯州和加利福尼亚州。爱荷华州的风电平均发电量也是美国各州中最高的，目前的风电平均发电量为24.5%。

布兰斯塔德州长是风能的长期倡导者，他提到爱荷华州约有7000个与风能相关的工作岗位，在这一类别中排名第一。布兰斯塔德仍然对风能的未来和正在取得的进展感到兴奋，但他警告说，政策的稳定性和可预测性是该行业长期成功的关键要求。

芝加哥市长Rahm Emanuel对风能与会者的欢迎辞延伸到行业话题。“这里有13家风力发电公司;伊利诺伊州有150家公司从事某种形式的风能开发，”伊曼纽尔市长说。他说芝加哥在2012年关闭了两座燃煤电厂——最后一家位于美国的一个城市——这一言论赢得了热烈的掌声。

即将上任的美国风能协会(AWEA)首席执行官汤姆·基尔南(Tom Kiernan)也在大会上向满座的听众作了简短的讲话。他还强调有必要为风力发电行业和AWEA制定一个新的长期计划。基尔南将于5月28日开始他在AWEA的任期。

www.awea.org

600年参展商;会议会议

大约有600家公司在2013年风能展上展出了产品。最突出的是大型风力涡轮机制造商，辅以一系列辅助系统、设备和服务供应商。工程社区最感兴趣的产品领域包括变速箱、发电机、变压器、逆变器、控制(电动和液压俯仰/偏航子系统、SCADA、软件)和技术服务(如操作、维护、咨询、安全和测试/认证)。

WindPower会议的主要部分包括在几个平行会议上进行的论文展示。除了科学的跟踪(资源评估);结构、动力学、载荷和控制;技术挑战)，会议主题范围广泛，从市场更新，供应链，国际场景到金融，海上，国家政策和风力发电整合。

其中一个科学会议——创新风力涡轮机组件研发，由桑迪亚国家实验室海上风电技术负责人D. Todd Griffith博士主持，重点关注涡轮机叶片、齿轮箱和声音缓解，总结如下四篇论文:

www.sandia.gov

西班牙国家可再生能源中心(CENER)的机械工程师Carlos Amezqueta在“设计和制造新型风力涡轮机叶片的先进技术”中介绍了正在开发的新技术，并将其应用于13.4米(44英尺)长的涡轮叶片，这将作为“技术示范”应用于更大的叶片。Amezqueta列举了CENER目前的发展情况:

www.cener.com/en

• 结构轻量化——通过使用混合在环氧树脂中的碳纳米纤维来改善玻璃纤维增强复合材料部件的压缩和疲劳性能。研究了纳米碳纤维在树脂中的最佳配比。
• 制造自动化-有助于减少工艺变异性，这对保持涡轮叶片质量至关重要。所使用的树脂传递成型工艺消除了粘合接头的需要，并进行了适当的监控，以获得可重复性，高质量和叶片坚固性。Amezqueta提到的工艺挑战之一是处理在放热反应中产生的热量，特别是在叶片结构的较厚部分。
• 气动性能的提升——包括在叶片尖端增加一个铝制小翼，并使用新的叶片涂层。据Amezqueta称，小翼提高了能源效率，简化了防雷，同时涂层减少了水滴(结冰)和其他大气颗粒在叶片表面的粘附，这些颗粒会导致有害的机翼几何形状变化。
• 叶片仪器-应变传感器，特别适用于应力测量的复合材料，被称为光纤布拉格光栅(FBG)传感器，嵌入在叶片根部和六个点沿叶片的跨度。FBG传感器允许实现风力涡轮机先进的控制算法，如单个叶片螺距控制和结构健康监测，以延长产品寿命。

顺便说一句，据报道，西班牙是世界上第四大风电生产国，也是欧洲最大的风电生产国。

变速箱的焦点

挪威科技大学(NTNU)博士生姜志宇发表了题为“风力发电机齿轮箱动态瞬态载荷的实验与计算研究”的论文。本文的研究基础是美国国家可再生能源实验室和NTNU齿轮箱可靠性合作项目两个机构对齿轮箱建模和试验的研究结果。

www.nrel.gov

www.ntnu.edu

其中一个项目目标是评估变速箱在现场条件下的响应。据Zhiyu Jiang介绍，目前的工作已经扩展到现场测试测量，并且在验证了之前进行的测功机测试测量之后，更加强调变速箱瞬态事件。所研究的变速箱瞬态事件有启动和紧急停止两种。

蒋志宇说:“瞬态(现场)事件会给风力涡轮机传动系统带来很大的负荷，并造成很高的潜在损害。”因此，对瞬态事件的精确模拟变得非常重要。

所研究的齿轮箱是一个三级单元，一个行星齿轮级和两个平行齿轮级。变速箱“大量”安装了测量应变和载荷的传感器;然而，他指出，只测量了行星轴承的载荷。

蒋志宇预计，变速箱多体建模技术的进一步验证将来自于变速箱内部的现场测试测量。这有望产生“更深入地了解建模需求，以预测现场负载条件下的变速箱负载”。

对风力涡轮机齿轮箱的关注继续进入下一篇论文，“一个新的国际风力涡轮机齿轮箱标准”，作者是麦克尼夫轻工业公司的老板布莱恩·麦克尼夫。经过6年的发展，风力涡轮机传动装置的国际标准已经发布。McNiff解释说，对这样一个标准的需求来自于与工业齿轮箱相比，风力涡轮机齿轮的应用环境有很大不同。他说:“还需要促进变速箱制造商和用户之间的沟通。”

新的国际电工委员会标准的正式名称是IEC 61400-4 Ed. 1.0，风力涡轮机-第4部分:风力涡轮机齿轮箱的设计要求。IEC 61400-4适用于额定功率大于500千瓦的水平轴风力涡轮机传动系统的封闭式调速齿轮箱，包括陆上或海上装置。

www.iec.ch

根据McNiff的说法，该标准的开发涉及大量的同行合作。他说:“来自12个国家的风力涡轮机、轴承、齿轮和润滑行业的70多名专家参加了17次会议。”该工作组建立在之前的美国标准ansi /AGMA/AWEA 6006-A03的基础上，该标准于2003年发布，由美国齿轮制造商协会(AGMA)和美国风能协会联合开发。

www.ansi.org

www.agma.org

“风力涡轮机齿轮箱联合工作组是IEC技术委员会88(风能)和ISO[国际标准组织技术委员会]TC60(齿轮)之间的合作，[以及]ISO TC4(轴承)和ISO TC28(润滑油)的重要参与，”McNiff补充道。

新标准中有许多变化，包括负载、测试、轴承选择和润滑等领域，这些变化可以提高齿轮箱的可靠性。IEC 61400-4中扩展的其他覆盖范围包括:

• 齿轮箱结构扩展分析
• 任何新的或改进的变速箱设计的测功机测试
• 润滑油性能建议，包括过滤和清洁度要求
• 冷却需求。

总体而言，IEC 61400-4提供了专门用于风力涡轮机应用的齿轮箱设计，性能，制造和测试的指导。

噪音较小的涡轮机

通用电气公司的工程经理Kevin Kinzie博士发表的最后一篇论文“风力涡轮机降噪的概念”，涵盖了涡轮机噪音的个人主观主题。介绍了几种常用的降噪概念。风力涡轮机的运行本身也会影响声音水平。噪音与叶片转速成正比，但降低转速可能不是一个实际的解决方案。

Kinzie指出，减少噪音必须从了解主要的声源开始。对这些声源按其对整体声级的重要性进行了审查。“叶片尾缘和叶尖噪声是如此主要的来源，”Kinzie说。因此，降噪方法主要集中在涡轮叶片的这两个区域。

缓解概念的第一部分涉及2.5 mw级风力涡轮机的几种叶片尖端几何形状的设计和噪声测试。根据Kinzie的说法，叶尖形状对叶片噪声特征有显著影响，特别是在较高的频率范围内。改进的(低噪声)叶尖形状导致5-6 dB(A)的表观声功率比基线叶尖设计低。

在第2部分的开发中，使用风洞测试筛选了各种叶片后缘降噪概念。尾缘锯齿显示出良好的前景，并被选中进行全面的现场测试。配备不同叶片尾缘设计的三个风力平台的表观声功率比原始(无锯齿)叶片低2-4 dB(A)。

总之，Kinzie提出了一种优化风力涡轮机运行的一般方法，以满足噪音水平法规，同时保持最大的能量产出。

美国风能协会全年在全国范围内开展各种项目和活动。明年的主要活动——2014年风能大会定于2014年5月5日至8日在内华达州拉斯维加斯举行。

- Frank J. Bartos, PE，是一名控制工程贡献内容专家。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net．

在线

直接驱动风力涡轮机的肌肉

美国能源部互动风能制造地图

www.windpowerexpo.org

关键概念

• 自动化设计技术有助于风力发电
• 能源优化技术有助于风力发电
• IEC 61400-4标准有助于风力涡轮机的应用

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