风力发电机组的创新设计

内容概要

译者2004年至2006年攻读硕士学位期间进行了风力发电机组的接地系统设计，2006年至2010年攻读博士学位期间，进行了风力发电机组受雷击的暂态过程及雷电防护系统设计，2010年至今一直从事新能源发电技术的科研工作，在国际国内SCI、EI、ISTP及核心期刊上发表相关领域论文20余篇。

书籍目录

译者序

原书序

原书前言

原书致谢

引言1

0.1为什么要创新1

0.2风能所面临的挑战2

0.3现代风机的规范2

0.4风能的变化4

0.5商业风力发电技术4

0.6风能技术评价的基础6

0.6.1作为基线的标准设计6

0.6.2技术优势的基础6

0.6.3所宣称的功率性能的安全性6

0.6.4所提出的创新的影响6

参考文献7

第1篇设计背景9

第1章旋翼气动理论9

1.1简介9

1.2气动升力10

1.3激励盘12

1.4开流激励盘13

1.4.1轴向感应13

1.4.2动量14

1.5广义激励盘理论15

1.6扩散器的受力21

1.7广义激励盘理论和实际扩散器设计22

1.8为什么只有一个叶轮？22

1.9叶轮的基本运行23

1.10叶素动量理论25

1.10.1动量方程25

1.10.2叶素方程26

1.11最佳叶轮理论28

1.11.1功率系数Cp31

1.11.2正压力系数34

1.11.3面外弯矩系数34

1.12广义叶素动量理论36

1.13激励盘和叶素动量理论的局限性39

1.13.1激励盘的局限性39

1.13.2尾翼旋转和尖端效应39

1.13.3最佳叶轮理论40

1.13.4偏流40

1.13.5小结41

参考文献41

第2章旋翼气动设计44

2.1最佳叶轮和硬度44

2.2叶轮硬度和理想的变速运行45

2.3硬度和负荷47

2.4翼型设计开发47

2.5气动性能对平面形状的敏感性52

2.6翼型设计规范53

参考文献54

第3章叶轮结构的相互作用56

3.1叶片大体设计56

3.2叶片结构基础57

3.3简化的盖梁分析59

3.3.1规定挠度的最小质量设计59

3.3.2疲劳强度设计：无挠度限制60

3.4翼型剖面的有效t/c比61

3.5叶片设计研究：参数化分析实例63

3.6工业叶片技术68

3.6.1设计68

3.6.2制造68

3.6.3设计开发69

参考文献71

第4章风力发电机组的尺度升级72

4.1简介:尺寸和尺寸限制72

4.2二次方—三次方定律75

4.3缩放基础75

4.4风力发电机组的相似律77

4.4.1叶尖速度77

4.4.2气动力矩的缩放77

4.4.3弯曲剖面模量的缩放78

4.4.4张力剖面的缩放78

4.4.5气动弹性稳定性78

4.4.6自重载荷的缩放78

4.4.7叶片（叶尖）挠度缩放78

4.4.8更微妙的缩放效果及影响79

4.4.9变速器缩放80

4.4.10支撑结构缩放80

4.4.11功率/能量缩放80

4.4.12电气系统缩放80

4.4.13控制系统缩放81

4.4.14缩放小结81

4.5商业数据分析82

4.5.1叶片质量缩放83

4.5.2轴质量缩放86

4.5.3机舱质量和塔顶质量的缩放87

4.5.4塔顶质量88

4.5.5塔架缩放89

4.5.6变速器缩放93

4.6垂直轴风机的尺度升级94

4.7额定叶尖速度94

4.8载荷升级96

4.9违反相似性98

4.10成本模型99

4.11缩放的结论100

参考文献101

第5章风能转换的概念102

参考文献104

第6章传动系统设计105

6.1简介105

6.2定义105

6.3传动系统创新的目的106

6.4传动系统技术图106

6.5直驱系统110

6.6混合型系统113

6.7液压传动装置114

6.8直驱组件效率116

6.8.1简介116

6.8.2运行范围内的效率118

6.8.3变速器效率118

6.8.4发电机效率119

6.8.5变换器效率119

6.8.6变压器效率121

6.8.7液力耦合器效率121

6.9最佳传动系统121

6.10动力输出装置的创新概念123

参考文献126

第7章海上风机127

7.1海上风机设计127

7.2高速叶轮127

7.2.1设计逻辑127

7.2.2速度限制128

7.2.3叶轮结构129

7.2.4设计比较130

7.3“更简单的”海上风机133

7.4海上漂浮风机系统135

参考文献137

第8章技术发展趋势总结139

8.1演变过程139

8.2叶片数量和经营理念的共识141

8.3传动系统概念的分歧141

8.4未来的风力发电技术142

8.4.1简介142

8.4.2机载系统142

8.4.3新型系统的概念144

参考文献146

第2篇技术评估147

第9章能源成本147

9.1能源成本的计算方法147

9.2能源：功率曲线150

9.3能源：有效性、可靠性、可用性155

9.3.1有效性155

9.3.2可靠性155

9.3.3实用性156

9.4资本成本157

9.5运维158

9.6总成本分摊158

9.7缩放成本影响160

9.8负荷影响（场所类型）161

参考文献164

第10章评估方法166

10.1主要的评估问题166

10.2致命缺陷分析166

10.3功率性能167

10.3.1贝兹极限167

10.3.2风机的压差169

10.3.3气流中的总能量169

10.4传动系统转矩171

10.5典型的基准171

10.6设计负荷的比较172

10.7评估举例：风机的最佳额定功率173

10.8评估举例：Carter风机和结构的灵活性176

10.9评估举例：概念设计优化研究178

参考文献180

第3篇设计主题183

第11章最佳叶片数183

11.1能源捕获比较183

11.2叶片设计问题184

11.3运行和系统设计问题186

11.4多叶片叶轮191

参考文献191

第12章变桨距与失速192

12.1失速调节192

12.2变桨距调节194

12.3疲劳载荷问题195

12.4电能质量和网络需求197

12.4.1风机设计的并网导则要求和意义197

参考文献199

第13章水平轴风机还是垂直轴风机200

13.1简介200

13.2垂直轴风机的空气动力学201

13.3功率特性和能量捕获206

13.4传动系统转矩207

13.5垂直轴风机的适当应用209

13.6垂直轴风机设计现状209

13.6.1问题209

13.6.2解决方法210

参考文献211

第14章自由偏航212

14.1偏航系统的能源成本价值212

14.2偏航动力学212

14.3偏航阻尼214

14.4主传动214

14.5自由偏航风机的运行经验214

14.6小结216

参考文献216

第15章多叶轮系统217

15.1简介217

15.2标准化效益和概念的发展217

15.3运行机制218

15.4缩放比例经济学218

15.5历史回顾220

15.6多叶轮阵列的气动性能220

15.7最近的多叶轮理念221

15.8多叶轮的结论225

参考文献226

第16章设计主题概述227

第4篇创新示例229

第17章强适应性叶轮的概念229

17.1叶轮运行的要求229

17.2风机的控制231

17.3适应性强的叶轮232

17.4锥形叶轮234

17.4.1概念234

17.4.2锥形叶轮:总体评价—能量捕获236

17.4.3锥形叶轮:总体评价—负载237

17.4.4概念综述238

17.5变直径叶轮238

参考文献240

第18章覆盖式叶轮241

参考文献244

第19章GamesaG10X型传动系统245

第20章陀螺转矩传递247

参考文献252

第21章Norsetek叶轮设计253

参考文献255

第22章西门子叶片技术256

第23章摆振259

参考文献262

第24章磁性齿轮传动和准直驱263

24.1磁性齿轮传动技术263

24.2准直驱技术265

参考文献267

第25章总结和评论268

作者简介

《风力发电机组的创新设计》分为4篇，包括设计背景、技术评估、设计主题和创新示例。第1篇概述了空气动力学理论和优化设计，讨论了风能转换系统、传动系统、缩放问题、海上风力发电机，并通过对未来技术的一瞥，总结了其技术发展趋势；第2篇介绍了关于风力发电系统大量设计方案的全局性观点，开发了相应的评估方法，其中包括带有一些能源成本评估的具体实例；第3篇讨论了经常出现的一些设计主题，如叶片数、变桨距或失速、水平或垂直轴；第4篇用现实生活中商业客户的案例研究了创新技术的一些实例。

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