风力发电设备研究开发技术序.docx
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风力发电设备研究开发技术序
风机在线监测系统
研发工程计划书
1．序
2．风力发电的现状
3．风力发电的问题
4．开发工程
5．研发现状
6．研发内容
7．成果
8．研发体系
9．研发工程
10.研发预算
11.未来构想
12.事业规划
1．序
全球的环境问题日益严重，为此新能源的利用日渐增长。
其中，风电是利用风力能源转化为电能的一种发电方式，目前为止主要在欧洲得到了一定的应用。
随着全球能源结构的不断向新能源领域倾斜，风力发电的规模在全球范围内得到了迅速的发展。
据最新的调查结果１全世界风里发电市场到2015年将会达到14兆日元、到2020年将会达到24兆日元。
风机的装机容量虽然还以欧洲为主，但是亚太地区也会有飞速的增长。
特别是像一些风力资源丰富，国土面积比较大的国家，还有很大的开发余地。
虽然在CO2排放和环境污染方面风力发电有着巨大的优势，但是由于风力状况，落雷，暴风雨等自然条件的影响，风力发电一般都设置与较为偏僻和第西鞥较为复杂的地区。
由于日常的检修维护十分复杂，故障频发，造成了运营率不高的现状。
在风机设备中大量的使用了轴承和齿轮等零部件设备，如果能及时监测类似旋转设备的异常状况，并能及时加以修理，将会大大降低故障率并能降低检修成本。
另外，通过监视风机设置场所的风力状况，可以根据风向及时调整风车的方向和叶片的角度，提高运行效率。
本计划书就是基于以上的观点，从设备利用率的提升和检修维护成本的降低出发，做了一份翔实的‘风力发电设备优化系统企划书’。
2．风力发电的现状
（１）设备容量与运行率
风力发电被认为是对环境不会造成污染，并且取之不尽的新能源发电之一，在近年的普及率得到很大的提高。
按照国家设备装机容量来看，欧美占据了大量的份额，但是近几年新兴国家取得了很大的增长。
尤其是中国已经超过日本，风机装机容量成为世界第8位，装机容量达到1,219MW。
根据预测，到2020年将会达到100,000MW，在世界中的份额也会超过15%。
（図-1、2）。
但是风力发电设备装机容量的提升，并没有带动运营率的提升。
像図―3中表示，发电设备的盈盈率作为维持在20%左右。
主要原因是风力变化和风机设备故障引起所致。
に
図-１ 风力发电、太阳能发电的世界市场潜力预测图
予測利用率2）
図-２ 风力发电、太陽光発電の
中国市場予測2）
図-３ 风力发电设备的设备利用率3）
（２）故障及事故事例
关于风机故障及事故的报告比较少，德国的新能源产业技术综合开发机构（NEDO）做过一次2005～2009年故障报告书。
根据相关报告，主要的故障内容作了以下介绍。
4
1）故障及事故发生数量
根据报告提供的数据，以下是做的基本的信息图表。
虽然故障在逐步减少，但是故障的发生率还是维持在10～15%的较高区间内。
表-1 调查的风机数量和故障次数
工程
2006年
2007年
2008年
2009年
风机数量
769
898
926
1025
故障次数
164
112
97
125
故障频率（％）
21.3
12.5
10.5
13.9
运行中的风机总数
924
1050
1050
1268
2）故障原因
故障的主要原因如表-２所示。
原因中的比例中自然现象和不明原因分别占据了1/3（34.5%、34.7%）。
自然现象虽然属于不可抗力，但不明原因的分析还是不够，今后的调查如果是通过状态监测进行分析的话，可以进一步解读故障原因和降低事故频率。
另外风车内故障占据1/4（26.5%），人为原因（主要是检修维护不到位）占据了3.4%。
由此可以断言通过进行运行状态的在线监测，可以降低故障的发生概率。
故障原因的统计结果如表-３所示。
自然现象虽然是不可抗拒的原因，但是由于长期遭受暴风，对流，和冰冻的侵袭，造成设备老化，并由此产生故障的可能性也是很大的。
为此，通过对运行中机器设备的监测，对机器设备的老化进程进行准确的把握，并及时对相关零部件进行维修和改进，可以延长设备寿命，降低故障发生的概率。
表-2故障原因（2006～2009）
故障原因
发生次数
所占比例（％）
自然现象
172
34.5
风车内故障
132
26.5
人为原因
17
3.4
系统故障
4
0.8
不明原因
173
34.7
总计
498
100.0
表-３ 故障原因的具体分析（2006～2009）
故障原因
原因细节
发生次数
所占比例（％）
自然现象
暴风
26
5.2
落雷
123
24.7
乱流
10
2.0
冰冻
4
0.8
其他
9
1.8
风车故障
设计不良
65
13.1
制造不良
54
10.8
施工不良
13
2.6
人为原因
检修不到位
17
3.4
系统故障
系统故障
4
0.8
不明原因
不明原因（含调查中原因）
173
34.7
合计
498
100.0
3）故障发生部位
故障部位的统计结果如表-４所示。
其中控制装置15.7%）、风向及风速测定仪器（11.3%）、叶片（10.6%）、电气设备（10.0%）、叶片螺距控制系统（9.8%）的发生概率比较高。
其产生的原因主要是由于自然原因所致。
另外旋转机械（轴承，齿轮）中经常用到的主軸轴承，变速箱，以及发电机的故障发生率也达到了9.9%。
为此，通过对运行中机器设备的监测可以明确故障产生的原因，降低故障产生的概率。
4）设置地点（地形）
由于风机所在的地形的不同，造成的的故障概率由表-5所表示。
设置地形中丘陵・山峰约占1/2（44.9%）、发生的次数也占到1/2（40.0%）。
沿海及岛屿占到了约沿1/2（45.2%），其中岛屿中也包含了离岛部分。
丘陵・山峰与岛屿中设置的风机占据了绝对多数，不能很好的进行检修维护是存在的一个重要的问题。
这些都可能直接造成故障的产生。
运行状态的集中管理，尤其是通过在控制室的远程监测，可以降低故障发生的概率。
表-4故障发生部位（2006～2009）
故障部位
发生次数
所占比例（％）
全部
5
0.8
叶片
63
10.6
叶片轮壳
4
0.7
空气制动
2
0.3
机械制动
8
1.4
叶片螺距控制
58
9.8
主轴轴承
9
1.5
变速箱
12
2.0
发电机
38
6.4
偏航控制装置
28
4.7
风向及风速计
67
11.3
控制装置
93
15.7
电气装置
59
10.0
油压装置
27
4.6
感知装置
22
3.7
基础系统
2
0.3
系统关联装置
12
2.0
其他
84
14.2
合计
593
100.0
表-5设置地形与故障产生的关联表（2009）
地形
设置数量
调查数量
故障次数
（台）
比例（％）
（台）
比例（％）
（台）
比例（％）
丘陵・山岳
569
44.9
508
49.6
50
40.0
内陆平地
126
9.9
73
7.1
16
12.8
沿岸・岛屿
573
45.2
444
43.3
59
47.2
合计
1268
100.0
1025
100.0
125
100.0
5）故障周期
根据表6的相关数据，在事故发生的时间在运转时间2～５年和5～10年的占据了大部分，一般在运转初期和末期容易产生事故発生（故障率曲线）。
如果将设计寿命设置为20年的话，一般在运装周期的末期容易产故障。
从设备的经济型考虑，也应该做大限度降低运行中的故障率。
为此可以灵活运用在线监测等有效的手段。
表-6运行期间故障概率（2009年）
运行时间
设置台数
调查台数
故障次数
（台）
比例（％）
（台）
比例（％）
（台）
比例（％）
1年未到
104
8.2
61
6.0
1
0.8
1～2年
159
12.5
144
14.0
9
7.2
2～5年
558
44.0
460
44.9
54
43.2
5～10年
408
32.2
330
32.2
59
47.2
10年以上
39
3.1
30
2.9
2
1.6
合计
1268
100.0
1025
100.0
125
100.0
6）故障停止时间
因故障造成的停止运转的时间如表-7所示。
其中1/4（26.7%）的风机在1周以内完成修理，继续运转。
但是1/3（32.1%）的风机停止了一个月以上。
造成长期停运的主要原因是自然现象，但是原因不明也占据了很大比例，同托对这些不明原因的解读，可以缩短运行停止时间。
表-7因故障停止运行时间（2006～2009）
停止时间
发生次数
比例（％）
3日～7日以内
133
26.7
7日～14日以内
94
18.9
14日～30日以内
111
22.3
30日～90日以内
92
18.4
90日以上
68
13.7
合计
498
100.0
另外根据在北海道设置的192台风机在2年间发生的240件的相关报告，其中偶发原因（落雷意外：
116件48.3%）和设备老化磨损（54件（23%））占据了大部分。
为此，通过状态监测也可以最大限度降低事故发生的概率。
在具体的故障维修中，轴承8件，齿轮3件，耦合5件。
从中可以看出状态监测也可以降低故障发生的概率。
表-8故障原因
发生原因
件数
比率（％）
偶发原因（包含落雷）
159
66
落雷
（43）
（18）
老化磨损
54
23
初期故障
21
9
其他
６
2
合计
240
100
（３）状态监测的效果
通过以上分析，一下总结了风机故障与状态监测的关系。
可以通过状态监测，来降低故障发生的概率。
1）由于风造成的故障主要是由于对流引起的轴承及齿轮受损。
这主要是由于对流天气造成主轴的推力负重及负重变化引起。
为此，在设计阶段就应该充分考虑到推力负重及负重变化情况，并通过对设备老化和磨损的评估，在配以在线监测等远程监测系统，可以将故障降低到最小程度。
2）发电机的故障为0.045件/（台・年），故障原因主要由于固定卷线绝缘层的损伤造成的接地及轴承损伤。
另外，对发电机进行冷却的风扇也是故障原因之一。
为此，随时监测旋转机器的轴承和风扇等主要设备的运行状况，及时排除故障，对提高运行效率有很大帮助。
3）加速机的故障率为0.022件/（台・年）。
小齿轮和轴承的事故较多。
为此，随时监测旋转机器的轴承和风扇等主要设备的运行状况，及时排除故障，对提高运行效率有很大帮助。
4）主轴轴承的故障较多，主要原因是转动面的磨损和脱落。
故障生成系统虽然还没有完全清晰。
为此通过对主轴轴承的运行监测，可以解读故障原因，防止事故的发生。
5）故障的存在是有持续性的，对新的故障进行数据收集和及时分析，以及及时排除，将会变得越来越重要。
在机器设备中对信息的收集和分析以及综合管理运用，可以降低故障发生的频率，提高运行的效率。
３ 风力发电的课题
３．１ 概述
风力发电中主要存在以下课题。
（1）发电成本过高
降低发电成本将是一个持久性的话题，通过降低设备故障发生的频率，可以提高设备的利用率。
另外通过最优化的检修，也可以提高设备运行效率。
为开发出高性能的风机，掌握风力状况和合理配置风机变得十分重要。
（2）风力发电功率稳定性差，在与电网连接时，会给电网系统在电压及周波等方面造成影响，影响配送电质量。
未解决这一难题，需要发电方和送电方共同努力。
（3）设置范围的扩大
为普及风力发电，应加大在海洋和山间的建设力度。
在山间由于地形复杂，需要建立起成熟的风力预测模式。
另外在海上建设风机，不仅要注意天气条件和海洋条件，还要将彼此的关联和对风力发电的影响作出准确的分析。
（4）强化与环境的协调
风车的造影，机鸟相撞的危害以及海洋生物的影响等，都是制约风力发电的负面因素。
要从技术上对次类与环境不适应的因素排除。
提高风力发电与环境的适应性。
本计划着力改善的工程
风力发电存在的主要课题及解决方法
主要课题
解决方法
（1）降低发电成本
降低设备费用
量产技术，规模化生产
降低建设成本
运送及安装技术的提高
风机部件的轻量化小型化
耐久性的提高
新材料的开发
降低运行及检修费用
提高监测系统
设计寿命预测及评估方法的精细化
增加发电量
提高设备运行率，防止故障产生
迅速检修提高运行效率
提高控制系系统技术
风力发电场的优化技术
低风速发电系统
高性能风机及部件的开发
（2）系统对策
電力の安定化
功率的稳定性问题
大规模集合式控制系统
高精度发电量预测技术
提高蓄电池性能
（3）扩大设置范围
山间地形
复杂地形风力预测系统
海洋
复合振动解读技术
气象・海洋预测仿真技术
海洋变电站
（4）环境协调性
控制风车噪音
低噪音风力发电系统
降低对生态环境的影响
鸟类及海洋生物监测系统
风力发电用的优化系统将会在第4部分《开发工程》和第6部分《开发内容》做一详细介绍。
通过对风机运行健全性，风力情况，和发电量的集中监测，灵活运用风机检修和发电管理的相关信息和技术，实现发电设备的最优化配置及管理。
风力发电中的重要课题有
（1）发电成本的降低
（2）系统一体化对策。
发电设备的最优化系统将为解决这些课题提出方案。
12.事业规划
本工程将以日本NEC株式会社和东京大学教授所在的公司为基础，在中国合作伙伴的协助下，逐步展开。
根据NEC的推算，本计划有很大的盈利空间。
１）中国现有３５０００台风机，本醒目提供的相关设备一台售价在570万日元左右，假设能在中国销售3500台的话，营业额将会达到200亿日元。
２）故障检测装置和功率优化装置的使用，将会提高５％的运行效率。
可以帮助电力公司每年提高１３８亿日元的收入。
200亿日元的投资在一年半就可以收回投资。
３）现在是以3500台作为基数进行的计算，如果数量提升的话，还可以提高营业额。
希望在3年内实现产品销售，技术主要依托于NEC技术和东大教授组所指导的IIU公司技术。
４）为此，希望融资规模3年间共计10亿日元。
利润回报将会与投资方协商。
暂定考虑在15亿到20亿之间。
利润回报时间在产品销售后5年到10年以内。
具体可以协商。
５）为实现上述目标，将会在中国成立合资公司。
以此为契机，可以将销售范围扩到到欧美和其他国家。
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