1.6　20世紀80年代的大型風力機

在20世紀80年代，政府資助和啟動的風電項目已經主要趨向于組建兆瓦級的大型試驗風力機。用戶幾乎都是著名的大型工業企業。

1.6.1　美國

1975—1987年，一系列大型試驗風力機建造起來，并進行了試驗。美國典型的風力機有MOD-0～MOD-5。圖1-26所示為建于1987年的兩葉片風力機MOD-5，其旋轉直徑為97m，輸出功率為3.2MW。

1978年和1980年，美國能源部在風能分部主任L.V.Divone（迪翁）領導下，建造了兩臺大型風力機MOD-1和MOD-2。

（1）MOD-1風力機。由NASA、通用電氣和波音公司制造的2000kW美國MOD-1風力機，于1979年夏天安裝在北卡羅來納州博恩德Howard’s knob山頂，如圖1-27所示。

MOD-1風力機主要規格為：下風式兩葉片可變槳距風輪，剛性輪轂，桁架式塔身；不銹鋼葉片，翼型為NACA44××系列；弦長線性變化，葉根部位3.65m，葉尖為0.85m；扭角為11°；錐角為9°，仰角為0°；直徑為61m，額定功率為2000kW；額定風速11.2m/s，起動風速為5m/s，停機風速為15.8m/s，設計最大風速為56m/s；轉速為35r/min，葉尖速比為7.8；同步發電機規格為2225kW，1800r/min，4.16kV；傳動比k＝51，塔高40m，輪轂高度42.5m；調向采用液壓驅動，調向速率為0.25°/s；由電腦控制和液壓制動器控制槳距；風輪重量為46t，機艙和風輪重量148t，鋼管桁架塔身144t；預計在平均風速8m/s時，發電量為600萬kW·h。

葉片采用硬殼結構，前緣用鋼焊接翼梁，后緣為空氣動力外形的聚酸酯泡沫塑料，外表為一層不銹鋼蒙皮。承受葉片基本負載的空心鋼梁，是用ASME SA 533鋼板焊接而成的。葉片通過一個三排球軸承與輪轂連接，可使槳距角從順槳位置轉到105°至全功率位置。

這臺風力機從運行開始未遇到嚴重的技術和性能方面的問題。

（2）MOD-2風力機。MOD-2風力機是當時世界上最大的風力機之一，結構如圖1-28所示，安裝在華盛頓州的戈爾登達爾（Goldendale）。其運行方式完全由計算機控制，采用無人值守的模式。通過裝在塔身、機艙、葉片等各部位的傳感器、風速表和其他儀器，隨時監測不同高度的風速和其他重要的情況，如結冰、疲勞和磨損等。

來自傳感器的信息輸入機艙內微處理器，使風輪自動對準風向、起動發電機或停止，改變可控葉片尖部的槳距，以便在變化的風況下輸出最大功率。如果風力機的任何部分發生損壞或工作不正常，微處理器將使機組立即停機，技術人員將通過控制終端了解造成停機事故的具體原因。若不需要維護人員前往修理，微處理機會得到指令重新起動風力機。

主要規格為上風式雙葉片風輪；鋼制葉片，通過葉尖部分的葉片變槳距來控制轉速和功率；直徑為91.5m；額定功率2500kW；額定風速12.5m/s，起動風速4m/s，停機風速為15.8m/s，最大設計可承受風速56m/s；額定轉速17.5r/min，設計葉尖速比為6.7，同步發電機規格為2500kW，1800r/min；傳動比k＝103；鋼制圓柱形塔架，底部為漏斗形；塔高61m，塔底直徑6.4m；塔身15～61m處直徑為3.05m；機艙長度為11m，高度為2.75m；風輪重量為48t；機艙重量94t，塔重177.5t。

MOD-2風力機的設計采用了蹺蹺板輪轂技術，即剛性葉片通過垂直于翼梁的鉸鏈軸與驅動軸連接。蹺板式輪轂能減小葉片和傳到塔身的振動載荷。

MOD-2風力機塔身設計為柔性塔。這里的柔性塔定義為，系統工作頻率與塔身彎曲振動的一階固有頻率之比n～2n之間，n為風輪轉速。由于塔身的固有頻率離開一次強迫振動頻率2n足夠遠，從而不發生共振。但還應注意避開高次共振頻率。“柔性塔”比“鋼性塔”成本低，但要求更精確的動力學分析。

1.6.2　丹麥

在丹麥，風力機開始主要由私人投資建設。圖1-29所示的風力機是2MW的Tvind型大型風力機，由當地居民于1977年建造，以滿足他們對電力的需求，Tvind是丹麥西海岸一個700人的村莊。

風輪的主要規格為下風式可變槳距風輪；三個玻璃鋼制葉片；翼型NACA23035、NACA23024、NACA23012；每片重3.5t，錐角9°；仰角4°；直徑54m，額定風速15m/s，最大風速20m/s；額定轉速40r/min，葉尖速比為7.5；同步發電機2000kW，3kV，750r/min；增速比k＝19；齒輪箱重18t；混凝土塔高53m。

其后，丹麥在Nibe安裝了兩個型號的風力機，如圖1-30所示，分別稱為Nibe A風力機和Nibe B風力機。兩風力機離水邊150m，相互之間距離220m。兩臺機組的風輪設計和調速裝置設計均不相同。試驗目的是為將來風力發電系統決策做基礎。

其主要特點如下：

（1）Nibe A風力機。三葉片，上風式，通過三個單獨的葉片進行失速調節功率，風輪葉片有支撐結構。

（2）Nibe B風力機。三葉片，上風式，通過控制整個葉片槳距角來調節功率，風輪葉片直接與輪轂相連，不用輔助支撐結構。

兩風力機共同的規格為：風輪直徑40m；輪轂高度45m；錐角6°；仰角6°；葉片結構為鋼/玻璃鋼梁，玻璃鋼外殼；翼型為NACA4412～4434，標準粗糙度，扭角11°；額定功率630kW，額定風速13m/s；額定轉速34r/min，尖速比5.5；起動風速6m/s；異步發電機：四級，630kW，1500r/min；齒輪箱：三級齒輪，速比451；采用自動控制液壓調向，調向速率約0.4°/s，預計年發電量150萬kW·h；混凝土塔高41m；外部12m葉片重量0.9t。風輪B葉片重量3.5t，機艙和風力葉片總重80t。

1.6.3　德國

德國聯邦政府期望利用風能為德國提供8%的電力，因而大力發展風力發電。其中有兩個項目，引人關注。

第一個項目為GrowianⅠ。這臺風力機于1981年在Kaiser-Wilhelm-Koog開始興建，如圖1-31所示。

該風力機的主要規格為下風式雙葉片可變槳距風輪，蹺板式輪轂；葉片采用鋼梁玻璃鋼制作；直徑為100.4m，功率3000kW；額定風速11.8m/s，起始風速為6.3m/s；停機風速24m/s，葉尖速比為8.3；轉速為18.5r/min左右，增速比為81；異步發電機規格為3000kW，6.3kV，1500r/min；拉索固定的鋼圓筒柱塔高100m，外徑3.5m；年發電量1200萬kW·h；機艙重量為310t，機組運行有計算機控制；沿盛行風向距風力機500m處，豎立兩個氣象塔，測量風速、風向、溫度和濕度。

第二個項目建造了一單葉片的大型風力機，如圖1-32所示。這是一種更為先進的風力機GrowianⅡ。該風力機為下風式水平軸單葉片設計。葉片掃風面直徑145m。機艙安裝在拉索固定的鋼塔頂部，塔高120m。設計額定功率為5000kW，額定風速為11m/s。

1.6.4　瑞典

在英格斯特魯姆（S.Engstrom）領導下，瑞典建造了兩臺大型風力機。第一臺是旋轉直徑75m、輸出功率為2MW的試驗風力機，于1982年安裝在哥特蘭島建立；幾個月后，建起了第二臺輸出功率為3MW的大型風力機，安裝于瑞典南部沿海馬爾默附近的Maglarp。

這兩臺風力機采用鋼制或玻璃鋼制的雙葉片可變槳距風輪。具體的規格見表1-1。

1.6.5　加拿大

加拿大政府研究機構也在不斷地探索風力發電技術，主要負責機構為國家研究委員會（National Research　Council，NRC）。加拿大研究的重點是垂直軸風力機——Darrieus型風力機。利用一些小型的試驗風力機代替柴油發電機進行供電。該項目在1985年達到頂峰，最大Darrieus型風力機，其旋轉半徑達64m，高度為100m，額定輸出功率為4MW。但由于短期試驗的結果并非令人十分滿意，項目被終止，風力機被拆散，相關的試驗結果也很少在公開的雜志上發表。圖1-33所示為由垂直軸風力機構成的風電場。