2020风力机技术及其设计.docx
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1、风力机技术及其设计译 者 序 原书前言第 1 部分空气动力学1第 1 章风力机叶片设计21. 1 简介21. 2 理论最大效率31. 3 推 动力31. 4 实 际 效率51. 5 水平轴风力机的叶片设计61. 5. 1 叶尖速度比61. 5. 2叶片的平面形状和数量71. 5. 3 配置91. 5. 4 空气动力学121. 5. 5 扭 转角141. 5. 6 非设计工况和功率调节141. 5. 7 智能叶片设计151. 5. 8 叶片形状综述171. 6 叶 片 负载171. 6. 1 气 动 负载181. 6. 2 重力和离心力负载191. 6. 3 结构负载分析191. 6. 4 挥
2、舞 弯曲201. 6. 5 摆 振 弯曲211. 6. 6 疲 劳 负载221. 6. 7 叶片结构区域221. 7 总结23参考文献24风力机技术及其设计第 2 章使用聚风环技术的高功率输出风力机272. 1 简介272. 2 风力收集加速装置的开发 ( 具有边缘的扩散器护罩, 被称为 “ 聚风环”)282. 2. 1 选择扩散器型结构作为基本形式282. 2. 2 形成涡流的环形板 ( 被称为 “ 边缘”) 的思想292. 2. 3 一种具有边缘扩散器护罩的风力机的特性312. 3 覆盖风力机具有边缘的紧凑型扩散器的开发322. 3. 1 紧凑型聚风环风力机输出性能测试的试验方法332.
3、3. 2 作为聚风环的紧凑型边缘扩散器形状的选择332. 3. 3 具有紧凑型扩散器聚风环的风力机的输出功率352. 3. 4 现 场 试验362. 4 在中国应用 5kW 风力机为农业灌溉提供稳定的电力372. 5 有效利用城市海滨的风能382. 6 总结40参考文献41第 3 章应用树脂成型工艺对使用复合材料的风力机叶片的生态模制423. 1 简介423. 2 生态模制方法433. 2. 1 生态模制的概念433. 2. 2 概率方法的应用443. 3 叶片结构、 材料和机械特性453. 3. 1 三明治结构453. 3. 2 机 械 特性453. 3. 3 几何结构和尺寸463. 4 R
4、TM 成 型 工艺473. 5 渗透性的公式化 ( 达西定律)483. 5. 1 测量渗透率原理 ( 一维流 1D)483. 5. 2 纵向渗透率与横向渗透率 ( 三维流 3D)483. 6 结果与讨论513. 6. 1 一个单向层情况下树脂流动行为的仿真513. 6. 2 两个单向层情况下树脂流动行为的仿真523. 7 总结54参考文献54第 4 章利用微分进化算法对垂直轴风力机气动外形的优化564. 1 简介564. 1. 1 可替代能源564. 1. 2 风力机类型564. 1. 3 计 算 模型57目录4. 1. 4 目标584. 2 垂直轴风力机的性能584. 2. 1 风速和叶尖速
5、度比584. 2. 2 几何形状确定594. 2. 3 性 能 预测594. 3 方 法论604. 3. 1 要求604. 3. 2 针对性模块化设计614. 4 工 具箱614. 4. 1 几何外形生成614. 4. 2 网 格 生成634. 4. 3 求 解器654. 4. 4 后 处理654. 4. 5 优化664. 5 结果684. 5. 1 网格依赖性研究684. 5. 2 基线几何形状704. 5. 3 实例 1: 3 参数优化4. 5. 4 实例 2: 4 参数优化 72 774. 6 总结81参考文献81第 2 部分发电机与齿轮系统 83第 5 章风力发电机中具有辅助绕组的感应
6、电机的性能评估845. 1 简介845. 2 风力发电机855. 3 提出的技术865. 4 实 验 结果895. 5 探讨与总结91参考文献92第 6 章在风力机齿轮箱中有关疲劳度评估的动态齿轮接触力的时域建模与分析946. 1 简介946. 2 风力机的时域分析956. 3 齿轮的转矩反向问题986. 4 时域仿真的统计学不确定性影响1026. 5 简化的齿轮接触疲劳分析1066. 6 总结110参考文献111风力机技术及其设计第 3 部分塔架和基础 113第 7 章基于非线性状态估计技术 ( NSET) 的风力机塔架振动建模与监测 1147. 1 简介1147. 2 塔架振动建模方法:
7、非线性状态估计技术 ( NSET)1157. 3 风力机的 SCADA 数据准备和塔架的振动分析1187. 3. 1 低于额定风速时的塔架振动分析7. 3. 2 高于额定风速时的塔架振动分析 118 1207. 4 利用非线性状态估计技术 ( NSET) 的塔架振动建模1217. 4. 1 塔架振动模型与 NSET 方法1217. 4. 2 NSET 塔架振动模型的验证1227. 5 塔架振动模型用于风轮状态的监测1247. 5. 1 叶片角度的不对称检测1257. 6 讨论与总结126参考文献127第 4 部分控制系统 129第 8 章两种基于 LQRI 的风力机叶片变桨距控制1308. 1
8、 简介1308. 2 风力机模型1318. 3 变桨距控制设计1348. 3. 1 统一变桨距控制1358. 3. 2 独立变桨距控制器1368. 4 仿 真8. 5 总 结 138 145参考文献145第 9 章变速风力机的功率控制设计1479. 1 简介1479. 2 系 统 建模1489. 3 模拟器简要说明 ( FAST)1489. 4 控 制 策略1499. 4. 1 转矩控制器1499. 4. 2 变桨距控制器1519. 5 仿 真 结果1529. 5. 1 转矩和变桨距控制1539. 5. 2 带有噪声信号的转矩和变桨距控制1589. 6 总结161参考文献161目录第 10 章
9、基于 H 的降低风力机负载的控制16310. 1 简介16310. 2 风力机模型16410. 2. 1 非线性模型16410. 2. 2 线 性 模型16410. 3 基线传统控制策略 ( C1)16610. 4 设计新控制器策略的目标16810. 5 基于 H 范数约简 ( C2) 新提出的控制策略16910. 5. 1 基于 H 范数约简的控制策略的设计10. 5. 2 发电机转矩控制器 ( H 转矩控制器) 169 17010. 5. 3 总体桨距角控制器 ( H 变桨距控制器)17310. 5. 4 H 控制算法的分析17510. 6 GH Bladed 的 结果18010. 6.
10、1 GH Bladed 中 的 External Controller18010. 6. 2 疲劳分析 ( IEC61400 - 1 第 2 版中的 DLC1. 2)18010. 6. 3 极端负载分析 ( IEC61400 - 1 第 2 版中的 DLC1. 6)18510. 7 总结186参考文献187第 5 部分环境问题 189第 11 章大型风力机的电磁干扰19011. 1 简介19011. 2 干扰的分类19011. 3 风力机控制系统的 EMI 和屏蔽19111. 4 风力机中电磁干扰的测量19211. 4. 1 电磁干扰测量的一般方面19211. 4. 2 在风力机上测量雷电产生
11、的电磁干扰19211. 5 使用矩量法来定义风力机的电磁干扰源的例子19411. 5. 1 风力机通信系统19411. 5. 2 FEKO 模型19411. 5. 3 电磁负载中的铸铁材料19411. 6 仿 真 结果19611. 6. 1 轮毂内部天线19611. 6. 2 轮毂外部天线19711. 7 总结199参考文献199第 12 章风力机中的噪声污染防治: 现状和近期发展20112. 1 简介20112. 2 噪 声源201风力机技术及其设计12. 2. 1 机 械 噪声20212. 2. 2 气 动 噪声20212. 3 噪声减小策略20612. 3. 1 机械噪声的减小20612
12、. 3. 2 气动噪声的减小20612. 3. 3方法的使用20912. 4 总结210参考文献211第 1 章风力机叶片设计Peter J. Schubel, Richard J. Crossley1. 1简介在数百年前, 人们就开始利用风车这种具有历史意义的设计, 从风中获取能量。 风车是由木头、 布和石头建造而成的。 它被用于抽水或磨玉米。 历史上的风车通常巨大、笨重而且低效。 在 19 世纪风车被使用化石燃料的发动机所取代, 并由此而实现了将电力网络分布到广阔的区域中。 但随着对空气动力学认识的深入和在材料科学上的进步, 特别是高分子聚合物的发明, 使得在 21 世纪后半叶人们重新开始
13、从风中获取能量。 今天的风能设备一般用来生产电力, 通常称其为风力机。风轮轴和转动轴线的方向决定了风力机的第一级分类。 若风力机的轴与地面相平行, 则称其为水平轴风力机 ( HAWT)。 垂直轴风力机 ( VAWT) 的轴则垂直于地面( 见图 1- 1)。图 1- 1 轴和风轮方向的两种结构这两种类型的风力机结构从其风轮设计上可以马上分辨出, 它们具有各自不同的优势1 。 垂直轴风力机主流发展的中断可归因于其较低的叶尖速度比和难以控制风轮的速度。 垂直轴风力机起动的困难性也阻碍了它的发展, 相信直到今天也无法使其做到自起动2 。 然而, 垂直轴风力机面对风和沉重的发电机设备不需要其他额外的机械
14、装置就能3第 1 章 风力机叶片设计安装在地面上。 因此, 这种结构减轻了塔架的负担。 所以对于未来的发展, 我们不会完全无视垂直轴风力机。 目前, 一种新型的 V 形垂直轴风力机的风轮设计正在研究中, 它正是利用了垂直轴风力机的优良特性3 。 这种设计在兆瓦规模环境下并未经过验证, 还需要经过若干年的发展才能使其具有竞争力。 此外, 关于可替代性设计的问题, 水平轴风力机的普及可归因于它可以通过桨距控制和偏航控制来增强风轮控制。 因此, 水平轴风力机作为主流的设计结构而崭露头角。 并且在今天, 它被所有主要的大型风力机厂商所采用。1. 2理论最大效率风轮效率高有助于捕获风能, 并且应尽可能在
15、可负担的产生范围内将其最大化。 由流动的空气所携带的能量 ( P) 被表示为流动空气的动能之和, 见式 (1- 1)。2P = 1 AV3(1- 1)式中, 为空气密度, A 为扫略面积, V 为气流速度。对于可提取的能量大小有物理限制, 而这不依赖于设计。 风能的捕获是在流动空气的动能减小及随后风速减小这样的过程中维持的。 能量利用的大小存在一个公式, 这个公式和通过风力机的空气流速的减小有关。 100% 的能量捕获意味着最终空气流速为零以及空气的零流量。 零流量情境不可能实现, 因此利用风所有的动能是不可能的。 这个原理被广泛地接受4,5 , 并且这个原理表明风力机的效率不可能超过 59.
16、 3% 。 这个参数就是通常所知的风能利用系数 ( Cp ), 这里 Cp 的最大值是 0. 593, 它被称为贝兹极限( Betz limit) 6 。 贝兹理论假设气流有恒定的线速度。 因此, 任何旋转力, 例如尾流旋转, 阻力引起的湍流或涡旋脱落 ( 叶尖损失), 将进一步减小最大效率。 而通常能减小效率损失的因素如下: 避免较低的叶尖速度比, 它会增加尾流旋转; 选择的翼面具有较高的升阻比; 专门的叶尖几何形状。可以在参考文献 4, 6 中找到深入的解释和分析。1. 3推动力推动风轮旋转的方法能在很大程度上影响到风轮可实现的最大效率。 历史上最常使用的方法是利用阻力推动风轮旋转。 这种
17、方法让风轮的帆面与风向垂直, 依靠在盛行风方向上的阻力 ( Cd ) 来产生动力。 由于推动帆的力和旋转方向与风向一致, 这种方 盛行风指在一个地区某一时段内出现频数最多的风或风向。 译者注4风力机技术及其设计1- 1法的效率不高; 所以, 当风轮的转动速度增加时, 相对风速会减小 ( 见表 1- 1)。表两种推动力装置的比较推动力阻力升力示意图相对风速= 风速 - 叶片速度= 2 风速2 - 叶片速度 ( dr)? 3最大理论效率16% 450% 6转回来的帆面常常处于相对而来的风中, 这使得转回来的帆面在风中产生的阻力使这种方法的效率进一步地降低。 这种方法的改进设计是依靠弧形的叶片, 它
18、在逆风转动时具有较小的阻力系数。 并且这种设计的优点是它可以在任何方向的风中工作。 在今天, 可以看到这种阻力差风轮被应用于杯形风速表和通风罩上。 然而, 它们是低效的功率生产者, 因为它们的叶尖速度比不能超过 14 。另一种可选择的推动风轮的方法是利用气动升力 ( 见表 1- 1 )。 这种技术被应用于风车和随后的老式飞机中, 超过了 700 年的时间。 而在这期间, 对这种方法一直没有给出精确的理论解释。 今天, 由于其在数学分析中的复杂性, 使得它的空气动力学特性已经变成了它自身的一个主题。 日益复杂的有关解释升力是如何产生及对其预测的大量定理已经出现。 空气动力是由叶片翼面上的气流所产
19、生的压力和表面摩擦综合影响的结果7 。 它被认为是翼面空气改变方向 ( 也就是气流下洗) 所产生的合力8 。 对于风力机风轮最为重要的是, 在各种角度的狭窄通道中, 可以产生垂直于风向的气动升力。 这表明风轮在任何转速下, 相对风速不减小 ( 见表 1- 1)。对于升力推动风轮 ( 见表 1- 1), 空气冲击叶片的相对速度 ( W) 是一个有关半径处的叶片速度和约为 2 / 3 风速的函数 ( 贝兹理论) 4 。 相对气流以这个速度和依赖于此速度的入射角 ( ) 到达叶片。 叶片和入射角间的夹角被称为攻角 ( )。5第 1 章 风力机叶片设计1. 4实际效率在实践中, 风轮的设计会因受到以下
20、的轻微损失而形成累积损失: 叶尖损失; 尾流效应; 传动系统效率损失; 叶片形状简化损失。因此, 最大理论效率还尚待实现9 。 在过去的数个世纪中出现过许多种设计。 并且其中的一些在表 1- 2 中很容易被辨别。 最早的设计波斯风车, 利用阻力, 并借助由木头和布制作的帆来工作。 波斯风车与现代的萨渥纽斯风轮非常相似 ( 见表 1- 2, 第 1 种)。 这种风轮可在现在的通风罩和旋转广告标志中看到。 与其大体类似的设计是杯形阻力差风轮 ( 见表 1- 2, 第 2 种)。 这种装置可在今天被用于测量风速的风速表上, 主要是因为这种装置易于校准, 并且能在不同的风向下工作。 美国农场风车 (
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- 2020 风力机 技术 及其 设计
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