第五节 用“价值工程”设计实现用调向系统达到调向和调速两个功能

笔者设计，制造了一台风力发电机组，利用“价值工程”设计，去掉了单独调速系统，让调向系统实现调向和调速两个功能。

这台样机的示范作用在于，可将水平轴并网风力发电机的置于轮毂内的齿轮驱动变桨距调速系统或液压驱动变桨距调速系统去掉，让水平轴并网风力发电机组的调向系统完成调向和调速两个功能。省去了叶片转动轴承和驱动叶片转动变桨距的齿轮驱动系统或是液压驱动系统，使风力发电机结构进一步简化，从而降低了水平轴并网风力发电机组的制造成本、用户使用成本并提高了风力发电机组的使用寿命，同时也避开了重达几吨的叶片这个惯性体绕叶片轴线转动变桨距的困难。

让调向系统实现调向和调速两个功能的过程是这样的：当风速在额定风速以内时，调向系统只起调向作用。风向传感器将风向信息传给计算机，计算机指令调向驱动电动机驱动机舱转动使风轮对准风向让发电机发出在这个风速下的最大功率。当风速超过额定风速时，发电机电流频率超过某一设定值，风速仪将风速信息传给计算机，计算机指令调向系统驱动机舱向风轮旋转方向转动一定角度，使风轮偏离风向一定角度，也就是减少风轮接受风能的面积以达到调速的目的，使风力发电机组维持在这个风速下稳定的额定功率输出。

当风速再增大时，发电机电流频率又超过某一设定的频率范围，风速仪将风速信息传给计算机，计算机指令调向系统再驱动机舱向风轮转动方向转一定角度，再次进行调速，使风轮再偏离风向一定角度，风轮再次减小接受风能面积，维护风力发电机组稳定的额定功率输出……，当风速达到切出风速时，风速仪传给计算机的信息是切出风速的信息，计算机指令调向系统驱动机舱转动到风轮旋转平面与风向相同的方向停止，此时风轮顺桨，风力发电机解列，机械制动刹车。

当风速低于切出风速而大于额定风速时，计算机可以根据发电机电流频率和风速仪的风速信息指令调向系统驱动机舱向风轮转动的相反方向转动一定角度，增加风轮的接受风能的面积，达到调速的目的。反过来，风速由大变小，控制过程相反。

用“价值工程”设计调向系统实现其具有调向和调速两个功能。那么什么是“价值工程”呢？

“价值工程”简称VE（Value Engineering），又称“价值分析”，简称VA（Value Analy-sisy）。它是美国设计工程师麦尔斯（L·D·Miles）专门论述如何提高产品功能，降低产品成本，实现产品结构简单，易于控制，维护方便，达到物美价廉，使用户满意又能提高生产企业经济效益的一种技术经济分析方法。实践证明价值工程可以达到节约制造成本10%～30%的显著效果，为生产企业和用户带来巨大的经济效益。

所谓“价值工程”是以功能分析、功能评价为手段，以最低的制造和使用成本，以可靠地实现产品（或劳务）的必要功能为目的而进行的有组织的一种综合技术经济分析方法。

现以某一大型水平轴并网风力发电机组去掉其独立的齿轮驱动变桨距系统，以调向系统实现调向和调速两个功能为例进行价值分析和成本比较。

这台水平轴并网风力发电机组有独立的变桨距调速系统（即变桨距功率调节系统）和独立的调向系统。

变桨距调速系统由安装在叶根上的可以使叶片转动的轴承，安装在轴承下面叶根上的大内齿圈，与大内齿圈啮合的经减速器减速的小齿轮和角度传感器等组成。变桨距调速由减速机小齿轮驱动叶根的大齿圈使叶片转动改变叶片迎角来实现的。变桨距调速系统的功能是调速（也就是调节功率）。

独立调向系统是由安装在塔架顶端的大齿轮和调向轴承，与大齿轮相啮合的安装在机舱上的2～4个减速机驱动的小齿轮、阻尼器和制动器等组成的。调向系统的功能是调向，是使风轮对准风向。当风向传感器将风向信息传给计算机后，计算机发出指令令调向系统的减速机驱动机舱转动使风轮对准风向，达到调向的目的。

现将置于轮毂内的变桨距齿轮驱动系统去掉，使叶片成为定桨距，将变桨距调速功能合并到调向系统，使调向系统具有调向和调速两个功能。

1）调向功能

当风速在额定风速以内时，风向传感器及风速仪传给计算机风向和风速的信息，计算机根据风向信息指令调向系统驱动机舱转动使风轮对准风向，以使风力发电机组达到最佳的功率输出。

2）调速功能

当风速超过额定风速时，发电机的电流频率超过某一设定值，风速仪将风速信息传给计算机，计算机发出指令使调向系统驱动机舱向风轮旋转方向转动一定角度，使风轮偏离风向一定角度以减少风轮接受风能的面积，达到调速的目的，实现调速功能，使风力发电机组输出额定功率。

其调速功能上面已经叙述，不再赘述。

1.具有独立变桨距调速功能、独立调向功能的风力发电机组与具有调向和调速两项功能的风力发电机组的功能的比较

（1）两种风力发电机组制造成本的比较

具有独立变桨距调速系统和独立调向系统的风力发电机组与单独调向系统实现调速和调向两个功能的风力发电机组的制造成本的比较见表6-2。

表6-2 制造成本的比较

（2）制造成本和使用成本的比较

按20年的使用寿命计算，具有独立变桨距和独立调向系统的风力发电机组的独立变桨距调速系统制造成本为33万元，年均摊入使用成本为1.65万元；独立调向系统制造成本为9万元，年均摊入使用成本为0.45万元。除变桨距调速和调向系统之外的诸如增速器、发电机等部分结构相同，年使用费用也相同，因而不在比较之内。关于制造成本和使用成本的比较见表6-3和表6-4。

表6-3 C1∶具有独立变桨距调速和独立调向功能的年制造成本和使用成本

表6-4 C2：利用调向系统实现调速和调向功能的年制造成本和使用成本

（3）功能比较

表6-5是具有独立变桨距调速和独立调向功能与调向系统具有调速和调向两个功能的风力发电机组的功能比较。

表6-5 功能表（功能评价积分）

（4）价值比较

价值由下式给出。

式中 V——价值；

C——制造和使用成本；

F——功能。

价值就是单位制造和使用成本所具有的功能。价值越高则说明单位制造和使用成本的功能越多，在设计时应力求一个部件或一个系统具有多种功能，这样才能使风力发电机组结构简单，易于操作，制造和使用成本低。

1）具有独立变桨距调速系统和独立调向系统在调向和调速方面的价值。

2）用调向系统实现调向和调速两项功能的价值。

3）用调向系统实现调向和调速两项功能的价值与具有独立变桨距调速和独立调向系统的价值的比较。

4）用调向系统实现调向和调速两项功能的风力发电机组在相同功率的情况下制造成本比具有独立变桨距调速和独立调向系统的风力发电机组下降了6.6%。

5）用调向系统实现调向和调速两项功能的风力发电机组在相同功率的条件下年制造和使用成本比具有独立变桨距调速和独立调向系统的风力发电机组下降了7.6%。

2.具有独立变桨距和独立调向系统与具有调向、调速两个功能的调向系统的功能比较

可以看到，后者的功能是前者功能的1.458倍，因而后者制造成本比前者下降了6.6%，使用成本下降了7.6%，达到增加功能、降低成本的效果。