我们现在传统的是不可再生能源发电，包括煤炭、燃气和石油，它们都通过燃烧产生高压蒸汽，包括核能，然后供给发电机，最后输入到电网，这些都是不可再生能源。不可再生能源就造成了许多CO2的排放，使得地球“在燃烧”，我们的气候也在变化，重大自然灾害不断发生。那么我们追求的可再生能源包括什么呢？可再生能源包括地热、生物质发电，但生物质发电也要通过燃烧。而水力、风能、潮汐，这些能源都是通过发电机直接发电，此外，还有太阳能也可以直接发电。

目前我们所关注的还是风能发电，风能发电是近几年迅速成长的一种发电技术，图1显示的是2009年全球的风电装机量分布图，2009年全球风电装机量已经达到158GW，从图中不难看出它们的分布情况：美国仍占据第一的位置，其次是德国，中国位列第三。按目前装机的总容量，其他国家还都被落在后面。但是，2009年新装机的容量一共是38.8GW（图2），中国排名第一，美国第二，西班牙第三。由此判断，估计到2010年年底的时候，中国将超过美国，成为全球最大的风电生产国。风电产业在中国的发展是极其迅速的，但在中国风电资源的分布也具有区域性特点，如内蒙古和东北东面的风能资源就是非常丰富的。现在我国有六大风电基地，分别是新疆哈密（10.8GW）、西内蒙古（37GW）和东内蒙古（20GW）、甘肃酒泉（12.7GW）、吉林（23GW）、以及河北（14GW）、江苏（11GW）。

那么风电机组是由什么构成的？与机床制造业又存在着什么联系？我们可以由风电机组的发展趋势来进行判断。首先，就是大型化，风电的大型化还在加速，因为大型化可以降低风力发电的成本；其次，是可靠性，我们都希望风电机组造好了以后可以使用20年，甚至更长，但以目前的发展水平还不一定能够达到；再次，是海上风电能，因为海上的风资源比较丰富；最后一点，风电本身的发电技术还在不断地改变。

图1 2009年全球的风电装机量分布图

MW级风电机组的类型

从1990年到2020年，风电技术发生着巨大的变化而且还会有更大的变化。1990年，风电机组的叶片直径还只有18m，而现在这一数值已经上升到了127m，到2020年可能会达到200m，甚至300m。那么风电机组的类型又该如何变化呢，现在最普遍的是双馈式变桨变速异步风电机组，由风轮、变桨系统、三级增速齿轮箱、发电机、变流器、偏航系统、机舱、塔架、变压器和控制系统构成，是目前主流产品，它有个最大的特点，有三级增速变速箱，这个变速箱是要靠制造业造出来的。另外一个MW级风电机组的类型是永磁直驱式变桨变速风电机组，与双馈式变桨变速异步风电机组相比，变速箱没有了，这也带来一个问题，就是需要很大的发电机，它采用的是低速永磁同步发电机。还有一款最新的产品，正处于研制阶段，就是永磁半直驱式变桨变速风电机组，它的特别之处在于要采用一级传动增速齿轮箱和中速永磁发电机，主要用于海上风电，采用一级增速。目前，最流行的1.5MW的异步风机，它是由这样一些部分组成的：叶片、叶片随风速大小的变化而进行转变的变桨区、叶片要沿着一个偏航驱动，还有叶片的转动需要通过齿轮箱带动发电机，那么齿轮箱、主轴、叶片、偏航系统、发电机以及其他的零部件都是需要制造业来完成的。另外一种没有变速箱的，只有永磁同步发电机，那么现在主要是用于大型的海上风电，我们把它叫做直驱式风电。目前最大的一种就是7.5MW，叶片的直径126m，整个机舱就有几层楼高。

典型零部件的加工

了解主轴的加工就要分析风机主轴的特点。首先它是一个大的锻造件，一端的直径很大，另外有一个由两个轴承支撑的地方。它的加工需要很多的刀具，需要使用到大型的车铣复合加工机床。要钻很多用于连接轮毂的孔，要车削主轴的外圆，既有螺纹车削，也有深孔的钻孔，所以对机床的要求也是非常高的。那么发电机的主轴（图3），如果转子和主轴是连在一起的，那么这个转子就要有布线的槽。要铣这个槽和车这个外圆，最好能够在车铣复合的机床上进行加工，需要成形铣刀来铣削下线的槽。

另外，随着风速的大小变化，叶片的角度也要随着改变，所以内部要有很多内齿轮和外齿轮，甚至有些齿轮和轴承是连接在一起的。需要一个内设的零件，有偏航系统，还有一个变桨系统，角度的把握是很重要的。

图2 2009年全球新装机容量分布图

除此之外，底座和箱体的加工也是非常重要的。底座是支撑整个机舱的部件，箱体主要是指齿轮的箱体。那么这里有很多铣削、镗削、钻孔等这一类的工序，所以就需要用大型铸件加工机床，如双龙门铣床、落地镗床等。两者的结构都很复杂，技术要求高，加工的要素多，工艺路线长。因此，高效合理的刀具规划选择对加工的成功起着至关重要的作用。
整个风电机组的总装，大概需要这样几个步骤：首先是底座的装配，把后底座和前底座装配在一起，其次装配齿轮箱，把齿轮箱和主轴放在底座上，把变压器放在底座上，然后是发电机和齿轮箱的连接，最后是一个上机舱和轮毂前罩的装备。

风机的叶片制造。风机的叶片，是一个非常特殊的部件，是风机中最基础和最关键的部件，要具有良好的空气动力学设计、可靠的制造质量和优越的性能，这是保证机组正常稳定运行的决定因素。而且，叶片长期不停地运转，要求材料的比重轻，疲劳强度和机械性能高，现在的风机叶片都是用玻璃纤维，将来要用碳素纤维；能经受极端恶劣气候条件和随机负荷的考验；耐腐蚀和雷击的性能好，在日晒雨淋20年的情况下，它还能够正常工作。另外，叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都应保持恒定和正常，这样，传递给整个发电系统的负荷才能相对稳定。

增大叶片的尺寸可以改善风力发电的经济性，降低成本。叶片的长度从1980年的4.5m发展到今天的61.5m，风机的叶片是我国机械制造业过去所没有遇到过的一个零件。中小型风机叶片（如22m长）选用量大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂。大型叶片（如42m以上）可选用碳纤维复合材料或碳纤维与玻纤维的混合材料，树脂基体以环氧为主。叶片大型化和轻量化是发展的方向。所以将来的风机叶片可能是碳素纤维。但是碳素纤维目前还比较昂贵。

以Gamesa公司制造叶片的过程为例，它是用一个玻璃纤维布绕在骨架上，然后有上下两个壳模，壳模涂覆玻璃纤维布以后，再把骨架装配在里面。（每个公司制造叶片的方法不完全一致）然后要把这个玻璃纤维进行固化，因为玻璃纤维是涂有含氧树脂的，固化以后才能成为一个叶片。而且这个叶片的末端要有一个圆圈和轮毂来固定。造好的叶片还要用重型、加长的卡车才能进行运输，甚至需要铁路运输。运输、吊装，都是风电制造业面临的特殊问题。

风电是新一代可再生能源，近年来在我国的发展速度非常迅猛，目前我国已经成为世界第二大风电生产国。但是我国风电技术总体上依赖外国，缺乏基础理论研究，包括加工制造技术和可靠性研究，这些都是机遇下存在的问题，急需解决。适合我国风力资源的、主要自主知识产权的风电设备迫在眉睫。今后，风电机组将进一步向大型化发展，需要大型专用的数控机床，这必将带动我国机床制造业的发展。