风力是最便宜，最流行的再生能量。虽然这项技术在欧洲演变，但美国最近成为世界上最热门的风力涡轮机市场。因此，制造商是Scram-Bling，以构建变速箱，发电机，刀片，电力系统，电机，控制系统和其他类型的机电装置。
风力的工作原理是利用风力涡轮机的转子叶片和轮毂上的气流。轮毂通过低速和高速轴与变速箱相连，驱动机舱内的发电机。发电机将能量转化为电能，然后将其传输到电网。
典型的风力涡轮机是一个细长的结构，由一个直径达300英尺的三叶转子组成，连接在数百英尺高的高塔的顶部。偏航机制使用电机与转子转动机舱顶风。电子控制器利用风向标来感知风向。
除了传统的水平风力涡轮机，垂直系统也适用于较小的应用。除住宅用途外，还可用于学校、图书馆、办公楼、广告牌和小型企业。类似于打蛋器的转子可以从各个方向捕捉风，并在低风速下以高扭矩运行。
涡轮机在美国遍地开花，因为风力发电被广泛吹捧为一种清洁、可再生、免费的能源，不会产生任何二氧化碳或其他温室气体。博世力士乐(Bosch Rexroth)北美风能销售总监帕文•古普塔(Parveen Gupta)表示:“在20年的最低使用寿命中，现代多兆瓦级风力涡轮机产生的能量是其生产所用能量的40至50倍。”
然而，该行业正在努力建立本地供应链。弗雷多尼亚集团有限公司的风力行业分析师Jennifer Mapes说:“稳定和充足的本地采购部件的供应是(重要的)。随着涡轮机公司越来越多地在远离他们的基地的地方开发生产设施，他们需要能够获得足够多的高质量组件，以便在新地点建造系统。”
美国风能协会(AWEA)说，高涨的需求刺激了美国风力涡轮机制造业的扩张。据估计，国产零部件的份额从2005年的不到30%增长到2009年的50%以上。
吵闹的市场状况
据AWEA称，美国已经有1000多台超过2兆瓦的风力涡轮机投入商业运行。但是，这只是冰山一角。由于油价波动、全球范围内对清洁能源的推动以及政府优惠的激励措施，预计该行业在未来20年将大幅增长。如今，风电仅提供了世界上的1.3％的电力。但是，BTM咨询预测，2,500千兆瓦的风力发电能力将于2030年，占全球总电力消耗的17％。
美国能源部发布了一项法令，呼吁到2030年，利用风能发电占美国电力需求的20%。这将需要300亿瓦的风力发电能力。要实现20%的风能，需要涡轮机的安装数量从2006年的每年约2000台增加到2017年的每年近7000台。
为了实现这一雄心勃勃的目标，风能技术需要不断发展。工程师需要把风力涡轮机造得更大、更高、更便宜、更可靠、更高效。例如，由于风力涡轮机部件承受了大量的联合应力和故障，许多制造问题必须解决。
“我们需要了解大型涡轮机的回应，”全国可再生能源实验室国家风技术中心的高级项目领导者Jim Green说。“提高他们的性能，减少负载，创造持续更长的组件 - 如果我们要赚更多的风力，我们需要了解所有这些东西。”
格林和他的同事们目前正在研究过度的外力如何影响风力涡轮机运动部件和控制系统的负载。他们正在检查空气动力学、动力特性、振动、系统疲劳、声学和其他关键测量。
NREL高级工程师李·杰·芬格什说:“它看起来非常优雅和简单，但风力涡轮机的空气动力学比飞机或直升机更难理解。”
Mapes补充道:“紧密公差、组件在恶劣条件下的运行能力以及高质量材料的可用性都是工程师面临的重要挑战。”“开发足够轻的零部件，使最终系统能够更容易地组装，这也是一个挑战，但它们还必须足够耐用，以承受艰难的操作条件。
梅普斯指出:“例如，叶片、塔和外壳必须能够承受热、冷、雨、冰和不断变化的风速带来的破坏。”“叶片的强度与重量比也必须很高，因此研究(新)材料是关键。”
强大的要求
大多数风力涡轮机的设计寿命为20年。变速箱和传动系统必须足够强大，以应对风速变化引起的频繁扭矩变化。轴承是非常关键的。整个系统必须正确对齐，以减少振动和任何由此产生的噪音造成的磨损。“风力涡轮机可以运行好几个小时——大概相当于一辆汽车每年运行10万英里，所以一切都必须通过这个镜头来看待，”Viryd技术公司的首席执行官约翰·兰登说，这家公司成立三年，正在开发一种利用风力的新方法。这家初创公司的首席工程师曾在福特汽车(Ford Motor Co.)和伟世通(Visteon)工作。
兰登解释说:“设计和制造成本之间的复杂关系在风力涡轮机中是独一无二的，因为它关注的是设备整个生命周期的能源成本。”兰登曾是德州仪器公司的高管。“成本、耐用性和性能是平衡的重要因素。
“关键指标必须是电力的生命周期成本(COE)，所有产品特性和利益必须转化为它们如何影响特定应用程序的COE。在其他条件相同的情况下，降低零件数量总是可取的。”
根据兰登的说法，使风能实用是一种最大化效率和最小化生产成本的问题。他和他的同事目前正在开发一个8千瓦的涡轮机，旨在小型风电市场。该系统的核心是先进的动力传动系统技术，包括连续可变的行星传输。
区分风力涡轮机制造的一件事是纯粹的大小。所有组件，如熊，齿轮和发电机，必须具有额外的大而强大。在印度尝试中，大零件和大植物很常见。
“随着风力涡轮机的尺寸[增加]，轴承和变速箱等部件变得更大，使装配和安装具有挑战性，”Frost＆Sullivan Inc.例如，典型的齿轮箱重约30,000磅。
“由于它们的尺寸和重量，齿轮箱通过我们在德国植物的装配步骤移动，使用类似于汽车植物的大型铁路系统，”Gupta说。“业内的质量期望是巨大的，因为制造商要求可靠性和低维护。如果他们不工作，风力涡轮机不会赚钱。“
在风力涡轮机行业中，可靠性至关重要。“我们正在促进稳健的制造业，”桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的风力和水力技术项目经理何塞·扎亚斯(Jose Zayas)说。“随着我们的发展，可制造性设计将变得更加重要。”
为了解决可靠性问题，许多风力涡轮机部件都是用紧固件手工组装的。美国铝业紧固系统公司(Alcoa Fastening Systems)的工业营销经理格里•索维诺(Gerry Sorvino)指出:“紧固技术主要是机械的，使用不同直径的传统螺栓。“我们看到了对涡轮内部M16紧固件的需求，对齿轮和单极塔M36的需求，对格子塔M27的需求。所有结构螺栓均为10.9级，且耐ISO 12944 C4或ISO 12944 C5 M腐蚀。
索维诺说:“根据项目，大多数(风力涡轮机)部件的组装量都是有限的，而且每个制造商都是独一无二的。”“最大的挑战是在紧固重型法兰时，对大型螺栓的扭矩控制以及相邻螺栓与夹具的相互作用。
索维诺指出:“我们认为变速箱的应用最为困难，因为避免任何变形都非常重要。”“挑战是在涡轮机的使用寿命内保持夹紧负荷。制造商正在寻求减轻重量和改进螺纹接头的组装。”
组装的挑战
平均风力涡轮机最多可组装8,000份。塔楼和转子是最大，最基本的组件。
塔通常由大型管状结构组成。将电镀钢板卷成环状，用埋弧焊连接。然而，“电子束、混合电弧和激光焊接工艺的发展正在探索中，”焊接研究所(TWI)电力工业项目经理Chris Bagley说。“塔的部分通常被制作成20米长的罐子，然后通过内部法兰螺栓连接在一起。
巴格利解释说:“这是一个需要以生产线方式建造大型、高资本项目的行业。”“在这方面，它可以与航空航天相比。然而，目前的开发商倾向于采用传统的‘项目建设’方法，并面临转型为工厂的挑战。”
Bagley表示，塔式制造通常依赖成熟的装配技术，但“先进的机器人焊接技术仍有很大的发展潜力。”另一方面，叶片制造往往是风力涡轮机行业中最具创新性和高度保密的领域。
转子叶片通常由玻璃纤维和其他复合材料制成。Bagley说:“(制造商)正面临越来越大的组件尺寸以及相关的连接和模具技术问题。“目前正在设计70多米长的叶片。
Bagley指出:“为了确保气动一致性，制造商必须将长长度的叶片前缘和尾缘连接到紧密的公差上，同时，在将内部梁固定在叶片表皮上时，要确保树脂均匀扩散，也面临着重大挑战。”“很多刀片都是用手铺的。来自航空和汽车领域的自动化解决方案，比如机器人胶带层，可以在这里使用。真空灌注技术正开始得到更广泛的应用。”
传统上，双组分环氧粘合剂已用于将叶片的两半粘合在一起。“在过去的几年里，制造商对更快的设置，脆性粘合剂的速度非常感兴趣，”Brian Dorenkott，Fight Segent Manager - 霍恩公司的替代能源说：“[我们]预计这些需求并开发出两种新的胶粘剂技术。
“双组分聚氨酯家族产品提供缺口填充能力，灵活性和固化速度可调节性，”Dorenkott。“甲基丙烯酸甲酯产物家庭非常快，降低劳动力成本，具有出色的力量和经济性。”
根据Dorenkott的说法，大多数风力涡轮机叶片手动组装，粘合剂用腻子刀施用。“汇编目前是一个非常不完美的质量控制的过程，”他解释道。
因此，一些刀片制造商已经开始走向自动化。Frost & Sullivan的Chan表示:“行业认识到，为了实现低成本大规模生产，有必要实现组装过程的自动化。MTorres和MAG工业自动化系统等公司目前正在追求自动化概念和系统的发展。”然而，叶片的设计必须改变以适应这一过程。一个
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