1.6　20世纪80年代的大型风力机

在20世纪80年代，政府资助和启动的风电项目已经主要趋向于组建兆瓦级的大型试验风力机。用户几乎都是著名的大型工业企业。

1.6.1　美国

1975—1987年，一系列大型试验风力机建造起来，并进行了试验。美国典型的风力机有MOD-0～MOD-5。图1-26所示为建于1987年的两叶片风力机MOD-5，其旋转直径为97m，输出功率为3.2MW。

1978年和1980年，美国能源部在风能分部主任L.V.Divone（迪翁）领导下，建造了两台大型风力机MOD-1和MOD-2。

（1）MOD-1风力机。由NASA、通用电气和波音公司制造的2000kW美国MOD-1风力机，于1979年夏天安装在北卡罗来纳州博恩德Howard’s knob山顶，如图1-27所示。

MOD-1风力机主要规格为：下风式两叶片可变桨距风轮，刚性轮毂，桁架式塔身；不锈钢叶片，翼型为NACA44××系列；弦长线性变化，叶根部位3.65m，叶尖为0.85m；扭角为11°；锥角为9°，仰角为0°；直径为61m，额定功率为2000kW；额定风速11.2m/s，起动风速为5m/s，停机风速为15.8m/s，设计最大风速为56m/s；转速为35r/min，叶尖速比为7.8；同步发电机规格为2225kW，1800r/min，4.16kV；传动比k＝51，塔高40m，轮毂高度42.5m；调向采用液压驱动，调向速率为0.25°/s；由电脑控制和液压制动器控制桨距；风轮重量为46t，机舱和风轮重量148t，钢管桁架塔身144t；预计在平均风速8m/s时，发电量为600万kW·h。

叶片采用硬壳结构，前缘用钢焊接翼梁，后缘为空气动力外形的聚酸酯泡沫塑料，外表为一层不锈钢蒙皮。承受叶片基本负载的空心钢梁，是用ASME SA 533钢板焊接而成的。叶片通过一个三排球轴承与轮毂连接，可使桨距角从顺桨位置转到105°至全功率位置。

这台风力机从运行开始未遇到严重的技术和性能方面的问题。

（2）MOD-2风力机。MOD-2风力机是当时世界上最大的风力机之一，结构如图1-28所示，安装在华盛顿州的戈尔登达尔（Goldendale）。其运行方式完全由计算机控制，采用无人值守的模式。通过装在塔身、机舱、叶片等各部位的传感器、风速表和其他仪器，随时监测不同高度的风速和其他重要的情况，如结冰、疲劳和磨损等。

来自传感器的信息输入机舱内微处理器，使风轮自动对准风向、起动发电机或停止，改变可控叶片尖部的桨距，以便在变化的风况下输出最大功率。如果风力机的任何部分发生损坏或工作不正常，微处理器将使机组立即停机，技术人员将通过控制终端了解造成停机事故的具体原因。若不需要维护人员前往修理，微处理机会得到指令重新起动风力机。

主要规格为上风式双叶片风轮；钢制叶片，通过叶尖部分的叶片变桨距来控制转速和功率；直径为91.5m；额定功率2500kW；额定风速12.5m/s，起动风速4m/s，停机风速为15.8m/s，最大设计可承受风速56m/s；额定转速17.5r/min，设计叶尖速比为6.7，同步发电机规格为2500kW，1800r/min；传动比k＝103；钢制圆柱形塔架，底部为漏斗形；塔高61m，塔底直径6.4m；塔身15～61m处直径为3.05m；机舱长度为11m，高度为2.75m；风轮重量为48t；机舱重量94t，塔重177.5t。

MOD-2风力机的设计采用了跷跷板轮毂技术，即刚性叶片通过垂直于翼梁的铰链轴与驱动轴连接。跷板式轮毂能减小叶片和传到塔身的振动载荷。

MOD-2风力机塔身设计为柔性塔。这里的柔性塔定义为，系统工作频率与塔身弯曲振动的一阶固有频率之比n～2n之间，n为风轮转速。由于塔身的固有频率离开一次强迫振动频率2n足够远，从而不发生共振。但还应注意避开高次共振频率。“柔性塔”比“钢性塔”成本低，但要求更精确的动力学分析。

1.6.2　丹麦

在丹麦，风力机开始主要由私人投资建设。图1-29所示的风力机是2MW的Tvind型大型风力机，由当地居民于1977年建造，以满足他们对电力的需求，Tvind是丹麦西海岸一个700人的村庄。

风轮的主要规格为下风式可变桨距风轮；三个玻璃钢制叶片；翼型NACA23035、NACA23024、NACA23012；每片重3.5t，锥角9°；仰角4°；直径54m，额定风速15m/s，最大风速20m/s；额定转速40r/min，叶尖速比为7.5；同步发电机2000kW，3kV，750r/min；增速比k＝19；齿轮箱重18t；混凝土塔高53m。

其后，丹麦在Nibe安装了两个型号的风力机，如图1-30所示，分别称为Nibe A风力机和Nibe B风力机。两风力机离水边150m，相互之间距离220m。两台机组的风轮设计和调速装置设计均不相同。试验目的是为将来风力发电系统决策做基础。

其主要特点如下：

（1）Nibe A风力机。三叶片，上风式，通过三个单独的叶片进行失速调节功率，风轮叶片有支撑结构。

（2）Nibe B风力机。三叶片，上风式，通过控制整个叶片桨距角来调节功率，风轮叶片直接与轮毂相连，不用辅助支撑结构。

两风力机共同的规格为：风轮直径40m；轮毂高度45m；锥角6°；仰角6°；叶片结构为钢/玻璃钢梁，玻璃钢外壳；翼型为NACA4412～4434，标准粗糙度，扭角11°；额定功率630kW，额定风速13m/s；额定转速34r/min，尖速比5.5；起动风速6m/s；异步发电机：四级，630kW，1500r/min；齿轮箱：三级齿轮，速比451；采用自动控制液压调向，调向速率约0.4°/s，预计年发电量150万kW·h；混凝土塔高41m；外部12m叶片重量0.9t。风轮B叶片重量3.5t，机舱和风力叶片总重80t。

1.6.3　德国

德国联邦政府期望利用风能为德国提供8%的电力，因而大力发展风力发电。其中有两个项目，引人关注。

第一个项目为GrowianⅠ。这台风力机于1981年在Kaiser-Wilhelm-Koog开始兴建，如图1-31所示。

该风力机的主要规格为下风式双叶片可变桨距风轮，跷板式轮毂；叶片采用钢梁玻璃钢制作；直径为100.4m，功率3000kW；额定风速11.8m/s，起始风速为6.3m/s；停机风速24m/s，叶尖速比为8.3；转速为18.5r/min左右，增速比为81；异步发电机规格为3000kW，6.3kV，1500r/min；拉索固定的钢圆筒柱塔高100m，外径3.5m；年发电量1200万kW·h；机舱重量为310t，机组运行有计算机控制；沿盛行风向距风力机500m处，竖立两个气象塔，测量风速、风向、温度和湿度。

第二个项目建造了一单叶片的大型风力机，如图1-32所示。这是一种更为先进的风力机GrowianⅡ。该风力机为下风式水平轴单叶片设计。叶片扫风面直径145m。机舱安装在拉索固定的钢塔顶部，塔高120m。设计额定功率为5000kW，额定风速为11m/s。

1.6.4　瑞典

在英格斯特鲁姆（S.Engstrom）领导下，瑞典建造了两台大型风力机。第一台是旋转直径75m、输出功率为2MW的试验风力机，于1982年安装在哥特兰岛建立；几个月后，建起了第二台输出功率为3MW的大型风力机，安装于瑞典南部沿海马尔默附近的Maglarp。

这两台风力机采用钢制或玻璃钢制的双叶片可变桨距风轮。具体的规格见表1-1。

1.6.5　加拿大

加拿大政府研究机构也在不断地探索风力发电技术，主要负责机构为国家研究委员会（National Research　Council，NRC）。加拿大研究的重点是垂直轴风力机——Darrieus型风力机。利用一些小型的试验风力机代替柴油发电机进行供电。该项目在1985年达到顶峰，最大Darrieus型风力机，其旋转半径达64m，高度为100m，额定输出功率为4MW。但由于短期试验的结果并非令人十分满意，项目被终止，风力机被拆散，相关的试验结果也很少在公开的杂志上发表。图1-33所示为由垂直轴风力机构成的风电场。