风能与风力发电技术

第1章 风与风能

1.1 风

1.2 风能

1.3 风电场选址

1.4 风电场风能资源评估

第2章 风能发电

2.1 风力机的型式

2.2 风能发电

2.3 并网风力发电的价值分析

2.4 风力发电装置

2.5 大中型风电场设计

2.6 风力发电设备的优化分析

2.7 风力机安全运行

第3章 风力发电技术

3.1 功率调节

3.2 变转速运行

3.3 发电机变转速/恒频技术

3.4 风轮机迎风技术

3.5 风电品质

3.6 风力机结构和空气动力学

3.7 风力机控制技术

第4章 风轮机设计

4.1 风轮机的基本理论

4.2 风力机设计要求

4.3 风轮机工程设计

4.4 风轮机优化设计

4.5 风轮机模化设计

4.6 风轮机工程设计图例

4.7 风轮机的设计与制造

4.8 风轮机材料

4.9 风力机设计风速问题

第5章 风轮机和风电场数值计算

5.1 风电场数值模型

5.2 风轮机设计软件

5.3 风电场数值计算软件包

5.4 风力机设计软件包的开发

5.5 风力机可靠性数值研究

第6章 大型风力机设计

6.1 250～1200kW风力机系列

6.2 1000kW级风力机设计

6.3 1500kW级风力机设计

6.4 2000kW级风力机设计

6.5 2500 kW级风力机设计

6.6 3000kW级风力机设计

6.7 5000kW级风力机设计

第7章 风力机发电系统

第8章 特殊用途风力机设计

附录

参考文献

本书介绍了有关风力发电的基本知识和技术,通俗地分析了风的形成、风的分类和风能定量评估。详细阐述了风轮机的基本工作原理、工程设计方法和风轮机优化设计；对风轮机的结构、空气动力学特性、安全运行、风力机发电系统及风轮机材料等进行了说明和分析。对风轮机的一些特殊问题，例如变速/恒频技术、迎风调节、风轮叶片材料和制造、风电场优化分析、风资源对性能的影响等搜集了大量的数据资料供参考查询。

本书第二版除全部订正了和时间相关的数据外，还增加了风力机设计要求、大型风力机设计和特殊用途用风力机(海上风力机、低温风力机、高原风力机和直接驱动式风力机)等内容，使本书更具工程参考价值，对风电从业人员更加适用。本书适合于从事风电领域内工作的工程师和技术人员阅读参考，也适合作为高等院校热动力专业的教学参考书，对想了解风能发电的读者也是一本极好的科普读物。

《风能与风力发电技术（第3版）》介绍了有关风力发电的基本知识和技术，通俗地分析了风的形成、风的分类和风能定量评估。详细阐述了风轮机的基本工作原理、工程设计方法和风轮机优化设计；对风轮机的结构、空气动力学特性、安全运行、风力机发电系统及风轮机材料等，进行了说明和分析；同时论述了风力机设计要求、大型风力机设计和特殊用途用风力机（海上风力机、低温风力机、高原风力机和直接驱动式风力机）等。还对风轮机的一些特殊问题，例如变速/恒频技术、迎风调节、风轮叶片材料和制造、风电场优化分析、风资源对性能的影响等搜集了大量的数据资料供参考查询。本书第三版除全部订正了和时间相关的数据外，又增加了风力机设计规范、5MW以上的超大型风力机典型设计数据和垂直轴风力机等内容。使本书更全面、更具工程参考价值，对风电业各类从业人员更加适用。

本书适合于从事风电领域工作的工程师和设计技术人员阅读参考，也适合作为高等院校热动力专业的教学参考书。对想了解风能发电的读者也是一本极好的科普读物。

第1章风与风能1

1.1风1

1.1.1风的形成1

1.1.2风向与风速2

1.2风能5

1.2.121世纪的最主要能源5

1.2.2风能密度7

1.2.3风能密度计算方法7

1.2.4地球上风能资源分布7

1.2.5我国风能资源分区9

1.2.6风能的三级区划指标体系11

1.2.7风资源描述的基本理论12

1.3风电场选址22

1.3.1风电场选址的技术原则22

1.3.2风电场现场位置选择对策23

1.4风电场风能资源评估25

1.4.1风电场风能资源测量方法25

1.4.2风电场风能资源评估方法27

第2章风能发电31

2.1风力机的型式31

2.1.1水平轴式风力发电装置32

2.1.2垂直轴式风力机33

2.2风能发电34

2.3并网风力发电的价值分析36

2.3.1并网风力发电的价值分析36

2.3.2风电项目可行性研究38

2.4风力发电装置38

2.4.1风轮38

2.4.2调速器和限速装置39

2.4.3调向装置41

2.4.4传动机构41

2.4.5塔架42

2.5大中型风电场设计42

2.5.1风力资源评估所需的基本资料42

2.5.2风力发电场址的选择42

2.5.3风力发电机组选型和布置44

2.5.4风力发电机布置和风能计算45

2.5.5风力发电机基础46

2.5.6风力发电场的经济效益和社会效益评价47

2.6风力发电设备的优化分析48

2.6.1优化选型因素分析48

2.6.2财务预测结果49

2.7风力机安全运行50

2.7.1风力机运行流程50

2.7.2正常运行过程51

2.7.3运行安全性53

2.7.4安全性方针53

2.7.5风力机载荷设计54

2.7.6风轮机与航空安全问题55

第3章风力发电技术56

3.1功率调节56

3.1.1定桨距失速调节56

3.1.2变桨距角调节56

3.1.3混合调节58

3.2变转速运行58

3.2.1影响风力机功率的因素58

3.2.2变转速运行的特点59

3.3发电机变转速/恒频技术59

3.3.1并网运行风力机频率恒定问题59

3.3.2变转速/恒频风力机用发电机61

3.4风轮机迎风技术61

3.4.1风轮机风向跟踪原理61

3.4.2风轮机风向跟踪方法62

3.5风电品质62

3.5.1风力机改善风电品质的方法62

3.5.2发电机和电网接口功能62

3.6风力机结构和空气动力学63

3.6.1风力机结构设计63

3.6.2风力机气动力学设计63

3.7风力机控制技术63

3.7.1风力发电系统模型描述63

3.7.2风力发电系统自适应控制器64

3.7.3风力发电系统模糊控制64

第4章风力机设计规范65

4.1风力机整机设计规范65

4.1.1风力发电机组整机技术要求65

4.1.2其他环境条件66

4.1.3电网条件67

4.2风轮机叶片、轮毂设计规范67

4.2.1叶片设计要求67

4.2.2叶片设计规范67

4.2.3轮毂设计68

4.3风轮机叶片设计69

4.3.1设计要求69

4.3.2环境适应性70

4.3.3安全和环保71

4.3.4叶片材料要求71

4.4风轮机叶片试验、验收规范73

4.4.1试验方法73

4.4.2检验规则及验收77

4.4.3叶片的标志和使用维护说明书78

4.4.4.叶片包装、贮存、运输78

第5章风轮机设计79

5.1风轮机的基本理论79

5.1.1风性能描述79

5.1.2风能和风的能量密度80

5.1.3风能利用系数81

5.1.4风轮机的桨叶设计82

5.1.5风轮机的空气动力特性84

5.2风力机设计要求85

5.2.1风力机设计安全等级85

5.2.2一般等级风力机的安全系数和强度分析86

5.2.3风力机设计要求88

5.2.4风力机整机技术要求106

5.2.5齿轮箱技术要求107

5.2.6塔架技术要求107

5.2.7风轮叶片技术要求108

5.3风轮机工程设计112

5.3.1风轮机工程设计方法112

5.3.2风力机的各种设计方案116

5.4风轮机优化设计117

5.4.1风轮机优化设计原理117

5.4.2风轮机优化设计举例118

5.5风轮机模化设计121

5.5.1风轮机模型及特性121

5.5.2风轮机模化设计方法121

5.6风轮机工程设计图例122

5.7风轮机的设计与制造123

5.7.1功率设计124

5.7.2风轮设计129

5.7.3齿轮箱和刹车机构135

5.7.4电器系统和发电系统设计137

5.7.5机舱和对风控制140

5.7.6塔架设计143

5.7.7弹性体系统动态振动设计145

5.7.8功率和转速调节147

5.7.9风力机成本分析154

5.8风轮机材料155

5.8.1风轮机用材料155

5.8.2各种风轮机材料157

5.9风力机设计风速问题159

5.9.1设计风速问题159

5.9.2风电场优化161

第6章风轮机和风电场数值计算164

6.1风电场数值模型164

6.1.1流体力学的控制方程164

6.1.2守恒形式的控制方程组164

6.1.3补充方程166

6.1.4边界条件166

6.1.5控制方程离散-有限差分法166

6.2风轮机设计软件168

6.2.1软件计算举例168

6.2.2计算结果及分析169

6.3风电场数值计算软件包171

6.3.1典型风电场数值计算软件包171

6.3.2Bladed软件包计算功能171

6.4风力机设计软件包的开发174

6.4.1风力发电机设计软件包174

6.4.2软件包模块和数据库174

6.4.3风力机空气动力学研究175

6.4.4风力机动态测试方法的研究176

6.4.5储能方法的研究176

6.4.6小型风电场规划方法的研究177

6.5风力机可靠性数值研究177

6.5.1风力机在恶劣环境下的可靠性研究177

6.5.2风力机抗台风设计181

第7章大型风力机设计184

7.1250～1200kW风力机系列184

7.1.1S系列风力机技术参数184

7.1.2NA系列风力机技术参数185

7.21000kW级风力机设计186

7.2.1FD60A型风力机设计186

7.2.2V52-850kW风力机设计200

7.2.31200kW级风力机设计201

7.31500kW级风力机设计202

7.3.1FD70A/ FD77A风力机设计202

7.3.2S70/S77风力机设计209

7.3.3V82-1650kW风力机设计212

7.42000kW级风力机设计214

7.4.1R82/2000kW风力机设计214

7.4.2V90-1800/2000kW风力机设计215

7.4.3V80-2000kW风力机设计217

7.52500kW级风力机设计219

7.5.1FD90/2500kW型风力机设计219

7.5.2N80、N90风力机设计223

7.63000kW级风力机设计226

7.6.1W90/3000kW风力机设计226

7.6.2V90-1-3000kW风力机设计226

7.6.3V112-1- 3000kW风力机设计228

7.75000kW级风力机设计229

7.7.1FC/5000/126-136风力机设计229

7.7.2R-5M风力机设计232

7.7.3R系列大型风力机233

7.8超大型风力发电机设计235

7.8.1西门子6.0MW海上风力发电机235

7.8.2三菱重工7MW海上风力发电机236

7.8.3美国超导10MW海上风力发电机236

7.8.4超大型风力发电机概念设计237

7.9我国大型风力发电机组发展趋势239

第8章风力机发电系统242

8.1风力机对发电系统的一般要求242

8.1.1风力机发电系统的特殊性242

8.1.2一般要求242

8.2恒速/恒频发电机系统242

8.2.1同步发电机243

8.2.2感应发电机243

8.3变速/恒频发电机系统245

8.3.1不连续变速系统245

8.3.2连续变速系统246

8.4小型直流发电系统248

8.4.1交流永磁发电机248

8.4.2无刷爪极自励发电机249

第9章特殊用途风力机设计250

9.1海上用风力机设计250

9.1.1近海风电场技术251

9.1.2浅海风电场投资概算256

9.1.3海上风力发电技术257

9.1.4漂浮式海上风电场259

9.1.5海上风力机260

9.2低温地区风力机设计266

9.2.1低温环境对风力发电机组的影响266

9.2.2低温对风轮机叶片的影响268

9.3高原高寒地区风力机设计269

9.3.1高原环境空气密度对风力发电的影响269

9.3.2高原环境大气温度对风力发电的影响269

9.3.3高原雷暴的影响270

9.3.4其他因素的影响270

9.3.5高原风力机设计改进措施271

9.4免齿轮箱式直接驱动型风力机设计272

9.4.1直接驱动式风力机原理272

9.4.2变速直驱永磁发电机控制系统274

9.4.3离网型低速永磁发电机278

9.4.4直接驱动型风力机组 280

9.5太阳能烟囱热能风力发电系统282

9.5.1太阳能发电技术282

9.5.2太阳能烟囱热能风力发电系统284

9.5.3热能风力涡轮机与风力机285

9.5.4太阳能烟囱发电系统工程计算方法289

9.5.5热能风力涡轮机设计292

9.5.6太阳能烟囱电厂热能风力涡轮机方案293

第10章垂直轴风力机295

10.1概述295

10.1.1垂直轴风力机295

10.1.2垂直轴风力机结构特点297

10.1.3升力型垂直轴风力机气动原理298

10.1.4垂直轴风力机叶片设计300

10.1.5垂直轴风力机与水平轴风力机比较301

10.2达里厄风轮叶片型线设计303

10.2.1风轮Troposkien曲线方程303

10.2.2风轮Troposkien曲线设计305

10.3达里厄风轮气动性能计算模型306

10.3.1单流管模型307

10.3.2多流管模型308

10.3.3双向多流管模型310

10.4达里厄风力机设计315

10.4.1风轮设计315

10.4.2结构设计316

10.4.3500kW垂直轴风力发电机设计317

10.4.4兆瓦级垂直轴风力机设计参数319

10.4.5垂直轴风力机典型设计数据319

10.5垂直轴风力机的应用和发展325

10.5.1垂直轴风力机的应用325

10.5.2垂直轴风力机的缺点328

10.5.3达里厄风力机设计发展趋势329

10.5.4垂直轴风力机发展对策333

附录334

附录1风力等级和风压计算334

附录2小型风力机技术数据335

附录3风力机技术术语规范和定义336

附录4风力发电装置国家和国际标准344

附图1中国风能分布图345

附图2风速大于3m/s的有效风功率密度分布图346

附图3中国全年风速大于3m/s的小时数分布图346

参考文献3472100433B

第1章风与风能1

11风1

111风的形成1

112风向与风速3

12风能5

12121世纪的最主要能源5

122风能密度8

123风能密度计算方法8

124地球上风能资源分布9

125我国风能资源分区11

126风能的三级区划指标体系12

127风资源描述的基本理论14

13风电场选址25

131风电场选址的技术原则26

132风电场现场位置选择对策27

14风电场风能资源评估28

141风电场风能资源测量方法28

142风电场风能资源评估方法31

第2章风能发电36

21风力机的型式36

211水平轴式风力发电装置37

212垂直轴式风力机38

22风能发电39

23并网风力发电的价值分析41

231并网风力发电的价值分析41

232风电项目可行性研究43

24风力发电装置44

241风轮44

242调速器和限速装置45

243调向装置47

244传动机构48

245塔架48

25大中型风电场设计48

251风力资源评估所需的基本资料48

252风力发电场址的选择49

253风力发电机组选型和布置50

254风力发电机布置和风能计算52

255风力发电机基础53

256风力发电场的经济效益和社会效益评价54

26风力发电设备的优化分析55

261优化选型因素分析55

262财务预测结果57

27风力机安全运行58

271风力机运行流程58

272正常运行过程59

273运行安全性61

274安全性方针62

275风力机载荷设计62

276风轮机与航空安全问题63

第3章风力发电技术65

31功率调节65

311定桨距失速调节65

312变桨距角调节67

313混合调节67

32变转速运行67

321影响风力机功率的因素67

322变转速运行的特点68

33发电机变转速/恒频技术69

331并网运行风力机频率恒定问题69

332变转速/恒频风力机用发电机70

34风轮机迎风技术71

341风轮机风向跟踪原理71

342风轮机风向跟踪方法71

35风电品质72

36风力机结构和空气动力学72

37风力机控制技术73

第4章风轮机设计75

41风轮机的基本理论75

411风性能描述75

412风能和风的能量密度76

413风能利用系数77

414风轮机的桨叶设计79

415风轮机的空气动力特性81

42风力机设计要求82

421风力机设计安全等级82

422一般等级风力机的安全系数和强度分析83

423风力机设计要求85

424风力机整机技术要求106

425齿轮箱技术要求107

426塔架技术要求108

427风轮叶片技术要求109

43风轮机工程设计113

431风轮机工程设计方法113

432风力机的各种设计方案118

44风轮机优化设计119

441风轮机优化设计原理119

442风轮机优化设计举例120

45风轮机模化设计123

451风轮机模型及特性123

452风轮机模化设计方法124

46风轮机工程设计图例124

47风轮机的设计与制造128

471功率设计128

472风轮设计132

473齿轮箱和刹车机构140

474电器系统和发电系统设计142

475机舱和对风控制146

476塔架设计149

477弹性体系统动态振动设计151

478功率和转速调节155

479风力机成本分析162

48风轮机材料162

481风轮机用材料162

482各种风轮机材料165

49风力机设计风速问题167

491设计风速问题167

492风电场优化170

第5章风轮机和风电场数值计算173

51风电场数值模型173

511流体力学的控制方程173

512守恒形式的控制方程组174

513补充方程175

514边界条件175

515控制方程离散有限差分法175

52风轮机设计软件177

521软件计算举例177

522计算结果及分析178

53风电场数值计算软件包181

531典型风电场数值计算软件包181

532Bladed软件包计算功能182

54风力机设计软件包的开发185

541风力发电机设计软件包185

542软件包模块和数据库185

543风力机空气动力学研究185

544风力机动态测试方法的研究186

545储能方法的研究187

546小型风电场规划方法的研究188

55风力机可靠性数值研究188

551风力机在恶劣环境下的可靠性研究188

552风力机抗台风设计192

第6章大型风力机设计196

61250～1200kW风力机系列196

611S系列风力机技术参数196

612NA系列风力机技术参数197

621000kW级风力机设计198

621FD60A型风力机设计198

622V52850kW风力机设计214

6231200kW级风力机设计216

631500kW级风力机设计217

631FD70A/FD77A风力机设计217

632S70/S77风力机设计224

633V821650kW风力机设计228

642000kW级风力机设计231

641R82/2000kW风力机设计231

642V901800/2000kW级风力机设计233

643V802000kW风力机设计235

652500 kW级风力机设计237

651FD90/2500kW型风力机设计237

652N80、N90风力机设计241

663000kW级风力机设计245

661W90/3000kW风力机设计245

662V9013000kW风力机设计245

663V11213000kW风力机设计247

675000kW级风力机设计249

671FC/5000/126136风力机设计249

672R5M风力机设计251

673R系列大型风力机253

第7章风力机发电系统255

71风力机对发电系统的一般要求255

711风力机发电系统的特殊性255

712一般要求255

72恒速/恒频发电机系统256

721同步发电机256

722感应发电机256

73变速/恒频发电机系统258

731不连续变速系统258

732连续变速系统259

74小型直流发电系统262

741交流永磁发电机262

742无刷爪极自励发电机263

第8章特殊用途风力机设计264

81海上用风力机设计264

811近海风电场技术266

812浅海风电场投资概算272

813海上风力发电技术273

814漂浮式海上风电场275

815海上风力机277

82低温地区风力机设计283

821低温环境对风力发电机组的影响283

822低温对风轮机叶片的影响284

83高原高寒地区风力机设计286

831高原环境空气密度对风力发电的影响286

832高原环境大气温度对风力发电的影响287

833高原雷暴的影响287

834其他因素的影响288

835高原风力机设计改进措施288

84免齿轮箱式直接驱动型风力机设计290

841直接驱动式风力机原理290

842变速直驱永磁发电机控制系统292

843离网型低速永磁发电机297

844直接驱动型风力机组 299

附录302

附录一风力等级和风压计算302

附录二小型风力机技术数据303

附录三叶轮式风力机技术术语标准定义（GB 8974—88）304

附录四风力发电装置国家和国际标准308

附图1中国风能分布图310

附图2风速大于3m/s的有效风功率密度分布图310

附图3中国全年风速大于3m/s的小时数分布图311

参考文献312 2100433B