风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工电子书

前言

目录

主要符号

第一章 绪论

第一节 风能利用的历史及发展

第二节 风力发电的意义和风电的未来

1.风力发电的意义

2.风电的未来

第三节 风电及风力发电机组尚存在的一些有待解决的问题

1.风电成本有待继续降低，应达到水电成本的水平

2.影响中国风电发展的因素及对策

第二章 风力发电机组及其应用

第一节 现代风力发电机组

1.中国风力发电机组制造企业生产的风力发电机组

2.中国离网风力发电机组和国外微小型离网风力发电机组

3.国外水平轴并网风力发电机组

第二节 风力发电机组的应用

1.离网风力发电机组的应用

2.并网风力发电机组的应用

第三章 风力发电机机理

第一节 风力机的理论

1.贝茨（Betz）理论

2.葛劳渥（GLauert）理论

第二节 叶片形式与叶片方面概念

1.风力机的叶片形式

2.关于叶片的概念

第三节 叶片翼型

第四节 叶片的空气动力学

1.叶片的升力和阻力

2.叶片气动俯仰力矩

3.叶片的线速度

4.叶片的转矩和功率

第五节 风力发电机的效率及与效率相关的参数

第四章 风力发电机组的分类及结构

第一节 风力发电机组的分类

1.风力发电机组按风轮的安装形式分类

2.按风力发电机组功率分为微、小型，中型和大型风力发电机组三种

3.风力发电机组按驱动形式分类

4.按功率调节方式亦称按调速方式分类

第二节 微、小型风力发电机组结构

1.风轮

2.微、小型风力发电机组用发电机

3.微、小型风力发电机组的调向和调速

4.塔架

5.微、小型风力发电机组的电力输出系统

6.电缆解绕及安全措施

7.垂直轴离网微、小型风力发电机组的结构

8.微、小型风力发电机组停机后的安全措施

第三节 国内外中、大型水平轴传统式风力发电机组结构

1.风轮

2.风轮轴

3.增速器（齿轮箱）

4.联轴器

5.发电机

6.制动器

7.调向系统（偏航系统）

8.中、大型水平轴风力发电机组的功率调节（即调速系统）

9.机舱

10.塔架

11.水平轴风力发电机组的液压系统

12.水平轴风力发电机的冷却系统

13.传感器

第四节 水平轴直驱式和混合式风力发电机组结构

1.直驱式风力发电机组结构及特点

2.混合式水平轴风力发电机组的结构及特点

第五节 垂直轴风力发电机组结构

1.达里厄垂直轴风力发电机组的结构

2.旋翼式垂直轴风力发电机组的结构及特点

第六节 风力发电机组的防雷、计算机控制、塔架基础和并网

1.风力发电机组的防雷

2.风力发电机组的计算机控制

3.风力发电机组的并网

4.风力发电机组的塔架基础

第五章 风力发电机组设计程序及主要参数

第一节 风力发电机组的设计程序

1.设计前期准备或项目立项阶段

2.技术资料收集、调查研究、信息收集及总体方案酝酿阶段

3.设计及技术文件形成阶段

4.样机制造阶段

5.样机试验阶段

6.研制的风力发电机组设计、制造、试验总结阶段

第二节 风力发电机组设计用到的参数

1.风速

2.风力等级、风速和风压力

3.年平均风速

4.风力发电机组设计所需要的风速的测定

5.风功率密度

6.有效风速和有效风速范围

7.有效风速可利用的时间或有效风速范围的时间

8.起始风速

9.额定风速

10.停机风速，也称切出风速

11.不可利用风速

12.风力发电机组抗最大风速，亦称生存风速

13.风力发电机组的额定功率

14.风轮扫掠面积

15.风力发电机组的年利用率

16.风力发电机组的叶片数

17.尖速比λ

18.风力发电机组用发电机的形式、额定功率、电压、电流及频率

19.风力发电机组的形式

20.风力发电机组的寿命

第六章 风力发电机组的总体设计和结构布局

第一节 风力发电机组的综合性能和技术参数的设计、计算

1.风力发电机组的额定功率

2.风力发电机组设计的风轮扫掠面积和风轮直径

3.风力发电机组额定风速的确定

4.气象、地理环境和自然条件

第二节 离网微、小型风力发电机组的总体结构布局

第三节 传统式和混合式并网风力发电机组的总体结构布局

1.传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局

2.混合式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局

第四节 直驱式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局

第五节 用“价值工程”设计实现用调向系统达到调向和调速两个功能

1.具有独立变桨距调速功能、独立调向功能的风力发电机组与具有调向和调速两项功能的风力发电机组的功能的比较

2.具有独立变桨距和独立调向系统与具有调向、调速两个功能的调向系统的功能比较

第七章 风力发电机组叶片设计、制造和受力分析及强度计算

第一节 关于风力发电机组叶片的概念或术语

1.起始风速、亦称切入风速

2.额定风速

3.停机风速，亦称切出风速

4.短期切出风速

5.叶片的重心位置

6.叶片的转动惯量

7.叶片的环境适应性

8.叶片的工作条件

9.极端灾害

第二节 风力发电机组叶片设计的总体要求

1.叶片应有较高的风能利用系数

2.叶片使用寿命

3.叶片的修补性

4.防止叶片发生共振

5.应保证叶片的刚度和强度

6.叶片应有广泛的环境适应性

7.叶片翼型的选择

8.对叶片重量的要求

9.对叶片安全系数的要求

10.在设计风力发电机组叶片时要选择合适的材料

11.对噪声的要求

12.环境保护

13.叶片对电磁波的干扰

12.叶片表面粗糙度的要求

第三节 风力发电机组叶片参数和尺寸的计算、确定

1.风轮扫掠面积、风轮直径及叶片长度

2.确定叶片的尖速比

3.确定风轮在额定转速和额定风速下的叶尖线速度

4.叶片数和每个叶片面积的确定

5.叶片自转动中心至叶尖不同半径处的尖速比

6.叶片自转动中心至叶尖不同半径处的叶片弦长

7.叶片的实际安装角θi的确定

第四节 垂直轴达里厄风力发电机组叶片参数

1.达里厄垂直轴风力发电机组的功率

2.达里厄垂直轴风力发电机组叶片扫掠面积

3.求叶片扫掠的最大半径

4.达里厄叶片的尖速比

5.达里厄叶片自转动中心至不同转动半径ri的叶片尖速比λi

6.达里厄垂直轴风力发电机组的叶片弦长

7.达里厄风轮叶片自转动中心至不同转动半径处的叶片弦长

8.达里厄垂直轴风力发电机组的调速

9.达里厄垂直轴风力发电机组的停机

第五节 水平轴风力发电机组叶片结构、材料和制造

1.水平轴风力发电机组叶片的结构、材料和制造

2.玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料叶片的结构和制造

第六节 风力发电机组叶片受力

1.叶片翼型受力分析

2.叶片的升力、阻力、使叶片旋转的力、推力及俯仰力矩

第七节 风力发电机组叶片的强度、刚度

1.风力发电机组叶片为玻璃纤维增强塑料层板的性能要求

2.叶片的强度和刚度

3.叶片在组合应力状态下的应力

4.叶片的许用应力的确定

第八节 叶片尺寸设计举例

第八章 风力发电机组风轮轴、增速器及联轴器的设计、制造及选择

第一节 离网直驱式风力发电机组风轮轴的受力分析及危险轴径的确定

1.离网直驱式风力发电机组风轮轴的受力分析

2.离网直驱式风力发电机组最危险轴径的确定

第二节 离网直驱式风力发电机组风轮轴的材料、制造和强度校核

1.离网直驱式风力发电机组风轮轴的材料选择及制造

2.离网直驱式风力发电机组的风轮轴的强度校核

第三节 并网直驱式风力发电机组风轮轴的结构、材料及制造

1.并网直驱式风力发电机组风轮轴的材料及制造

2.并网直驱式风力发电机组风轮轴的受力分析

3.并网直驱式风力发电机组风轮轴最危险轴径的确定

第四节 并网直驱式风力发电机组风轮轴的强度校核

1.风轮轴最大弯曲应力

2.风轮轴受最大剪应力

3.求风轮轴的最大扭转应力

4.风轮轴在三向应力状态下的强度条件

第五节 传统式并网风力发电机组风轮轴的材料与制造及受力分析

第六节 传统式并网风力发电机组风轮轴最危险轴径的确定和强度校核

1.传统式并网风力发电机组风轮轴最危险轴径的确定

2.传统式并网风力发电机组风轮轴的强度校核

第七节 传统式并网风力发电机组的增速器和轴承的选择

1.传统式并网风力发电机组增速器的参数、材料及工艺

2.增速器用轴承的选择和寿命

第八节 传统式和混合式并网风力发电机组联轴器的选择

1.传统式和混合式并网风力发电机组用膜片式挠性联轴器

2.液力联轴器

3.传统式和混合式并网风力发电机组用万向联轴器的选择

4.涨套连接计算

第九章 风力发电机组轮毂和机舱底座梁的设计

第一节 风力发电机组轮毂的形式、材料和制造

1.风力发电机组轮毂的形式

2.轮毂的材料和制造

第二节 轮毂的受力分析和强度校核

1.球形刚性轮毂受到的拉力

2.风对叶片的推力对球形刚性轮毂形成的弯矩

3.球形刚性轮毂安装叶片法兰的受拉应力、弯曲应力和剪应力

4.球形刚性轮毂安装叶片的法兰的强度条件

5.用最大剪应力初估球形刚性轮毂安装叶片的法兰孔的壁厚t

第三节 机舱底座梁的设计

1.传统式水平轴并网风力发电机组机舱底座梁的材料和制造

2.焊接底座梁的受力分析

3.焊接结构的机舱底座梁受弯曲应力计算

4.风推力对焊接结构底座梁的作用

第十章 风力发电机组用发电机的设计

第一节 感应异步发电机与并网

1.发电机输出端并联三相补偿电容器的交流励磁感应异步发电机

2.绕线转子交流励磁异步发电机

第二节 风力发电机组用永磁发电机结构及并网

1.永磁发电机的结构

2.永磁发电机组及并网

第三节 风力发电机组用永磁发电机设计给定数据和参数计算

1.设计永磁发电机应先给定的数据和参数

2.永磁发电机的参数计算

3.确定永磁发电机的运行工况、工作制式和工作条件

第四节 永磁发电机主要尺寸的确定

1.初步确定永磁发电机定子内径Di1和定子外径D1

2.确定转子外径

3.确定定子的有效长度

第五节 永磁发电机的气隙磁密、线负荷和利用系数及发热系数

1.永磁发电机的气隙磁密

2.永磁发电机的线负荷

3.永磁发电机的利用系数

4.永磁发电机的发热系数

第六节 永磁发电机的功率

1.永磁发电机的每极磁通

2.永磁发电机的基波绕组系数

3.永磁发电机的相电动势

4.永磁发电机的线电压

5.永磁发电机的计算功率——视在功率

6.永磁发电机的额定功率及功率因数

7.永磁发电机的功率因数与永磁发电机的外特性

第七节 永磁发电机的效率

1.永磁发电机在运行中的铜损耗

2.永磁发电机的铁损耗

3.永磁发电机定子铁损耗简易计算

4.永磁发电机定子轭和定子齿磁密

5.永磁发电机的机械损耗

6.永磁发电机自扇风冷的机械损耗（包括轴承摩擦损耗）

7.强迫风冷的机械损耗

8.永磁发电机的效率

第八节 永磁发电机转子的平衡

1.永磁发电机转子不平衡的种类

2.转子轴总成平衡品质的确定

第九节 永磁发电机设计举例

1.额定数据

2.永磁发电机主要尺寸的确定

3.定子、转子参数及定子绕组

4.永磁发电机磁路计算

5.绕组耗铜、相电阻内压降及线电压

6.计算永磁发电机效率

7.永磁发电机效率

第十一章 风力发电机组调速、调向和制动机构设计

第一节 离网风力发电机组调向、调速机构的设计

1.叶片受到风的推力

2.叶片受风推力对塔架转轴o的力矩

3.风轮转动的反转矩

4.上风向尾舵被动调向和调速

5.尾舵调向和尾舵步进电动机驱动折尾调速

6.尾舵面与垂直方向成α角的尾舵调向和调速

7.上风向尾舵被动调向和调速的风对尾舵的推力矩的简易计算

8.下风向风轮被动调向、调速的风推力力矩及风轮轴线与塔架转轴之间的距离e

9.用微处理器控制的用调向机构实现调向和调速两个功能

第二节 传统式水平轴叶尖扰流调速、调向和制动

1.液压油供给部分——液压泵站

2.叶尖扰流板的释放和回收

3.盘式液压钳式制动器

4.调向液压阻尼和制动

5.液压油压力的保持

第三节 变桨距水平轴风力发电机组的调速、调向和制动

1.水平轴风力发电机组的调向机构

2.水平轴风力发电机调向阻尼、制动及主制动器

第四节 风力发电机组的调向力矩、制动力矩和主制动力矩

1.水平轴并网风力发电机组的调向力矩

2.调向减速机的转矩和功率

3.调向钳式制动器的制动力矩及制动力

4.带有外齿和内齿的调向轴承的材料及制造

5.主制动器的制动力和制动力矩

6.调向制动盘和主制动盘强度计算、材料及制造

7.制动盘的材料及制造

第五节 调向齿轮的接触强度与弯曲强度

1.确定调向齿轮的中心距和模数

2.通过调向转矩和齿轮接触强度来计算调向齿轮副的中心距

3.用齿根弯曲强度估算齿轮的法向模数

4.齿的疲劳强度核算

5.调向齿轮的弯曲应力的简易计算

6.调向齿轮的接触应力

第十二章 风力发电机组塔架和塔架基础的设计及制造

第一节 塔架的结构形式和受力分析

1.锥钢筒塔架的受力分析

2.风轮转动时对塔架形成的反转矩

3.塔架受压力

4.塔架受总弯矩

5.塔架受总剪力

第二节 塔架的强度和刚度的校核

1.塔架受弯曲应力及塔架受弯曲应力最大处的塔筒壁厚t

2.塔架底部受最大剪应力

3.塔架受压应力

4.塔架受三向应力状态下的组合应力计算

5.风轮转动的反转矩

6.塔架的刚度校核

第三节 塔架塔筒壁厚的初估与塔架的制造

1.塔顶塔筒壁厚的决定

2.塔底塔筒壁厚的初估

3.塔架的等强度设计

4.塔架的材料

5.塔架的制造

第四节 塔架的振动、防雷击及防腐处理

1.塔架的振动

2.塔架防雷击

3.塔架的防腐处理

4.塔架底部人进出塔筒内的门及对塔筒门口的要求

第五节 风力发电机组塔架基础的重要性

1.风力发电机组塔架基础的重要性

2.风力发电机组倒塌原因分析及对基础混凝土的要求

3.风力发电机组塔架基础设计及施工要求

第六节 塔架基础的倾覆力矩及平衡

1.塔架基础的倾覆力矩

2.用简易法计算塔架基础的倾覆力矩

3.塔架基础倾覆力矩的平衡

4.钢筋混凝土基础下面地基受压应力

5.地基的相关规定

第七节 塔架与基础的连接及基础配筋的估算

1.塔架与其基础连接

2.地脚螺栓材料及精度等级

3.塔架钢筋混凝土基础的配筋

第十三章 提高风力发电机组经济效益的途径

第一节 风力发电机组的功率及效率对风力发电机组经济效益的影响

1.提高风力发电机组的功率会提高风力发电机组的经济效益

2.提高效率的同时降低制造成本和用户的使用成本是提高风力发电机组经济效益的有效途径

3.提高风能利用系数并合理地确定额定风速是提高风力发电机组经济效益的有效途径

4.结论

第二节 提高风力发电机组的利用率是提高其经济效益的有效途径

第三节 风力发电机组运行的安全性、可靠性和使用寿命对其创造经济效益的影响

第十四章 水平轴并网风力发电机组未来发展趋势

第一节 现代国内外水平轴并网风力发电机组的结构及特点

第二节 传统式、混合式和直驱式水平轴并网风力发电机组的比较

1.从制造成本、用户的使用成本和风电成本进行比较

2.传统式、混合式和直驱式水平轴风力发电机在增速器效率方面的比较

3.从发电机结构和并网方面的比较

4.从调向、调速和额定风速方面的比较

5.用调向机构实现调向、调速两个功能是未来调速、调向的方向

第三节 风力发电机组未来发展趋势

1.混合式是未来最有发展前景的风力发电机组

2.直驱式水平轴风力发力发电机组也是最有发展前途的机型。

3.传统式水平轴并网风力发电机组必将被混合式和直驱式取代

4.提高风力发电机组的年利用率是未来水平轴并网风力发电机组发展的必然趋势

5.提高风能利用系数也是未来风力发电机组的发展趋势

第十五章 中国的风能资源及风能评估

第一节 中国陆地型和海洋型风能资源区的大体分布

1.中国陆地型风能资源区的大体分布

2.中国海洋型风能资源区的大体分布

第二节 地理、自然条件对风能利用的影响

1.山脉对风能利用的影响

2.河流、湖泊、湿地对风能利用的影响

3.建筑物、林带、草地对风能利用的影响

第三节 年平均风速、风功率密度和风能利用区的划分

1.风速

2.风功率密度等级及风能资源区的划分

3.中国陆地型风能资源区的各省、市、区风能资源概况

第四节 风能评估及风速估算

1.风功率密度

2.风速概率分布

3.风速估算

4.空气密度

5.风功率评估

第五节 风的实测与实测风场的风能评估

1.测风系统

2.实测风的数据处理

3.风速计和风向传感器的安装要求

第六节 风能资源评估

1.实测风的主要参数和数据是风能资源评估的依据

2.风电场的风功率密度计算

第十六章 风电场的设计及风力发电机组的安装和调试

第一节 风电场的设计程序

1.风电场设计的前期工程

2.风电场设计的中期阶段

3.风电场设计的后期工程

第二节 风电场风能资源的调查和风电场的选址

1.风电场风能资源的调查

2.对初选风场场址安装测风塔并对风进行实测

3.地理、自然条件对风电场选址的影响

第三节 风电场建设项目的“项目建议书”

1.风电场建设项目建议书的作用

2.风电场建设项目建议书的内容

第四节 建设风电场项目的可行性研究

1.可行性研究报告编写的程序

2.可行性研究报告的大体内容

3.可行性研究的评审

第五节 风电场的设计

1.风电场的前期设计

2.风电场的中期设计

第六节 风力发电机组的安装和调试

1.风力发电机组在制造厂的安装和调试

2.室内调试

3.风力发电机组在风电场的安装

4.风力发电机组的调试

5.直驱式风力发电机组的安装

附录

附录A 叶片翼型目录

附录B 中国及IEC（国际电工委员会）标准目录

附录C 钕铁硼永磁体性能

附录D 漆包圆铜线与厚绝缘聚酯漆包扁铜线常用数据表

附录E 电工用热轧硅钢薄板强磁场条件下磁感应强度及最大铁损 （GB/T 5212—1985）

附录F 冷轧取向和无取向电工钢带（片）GB/T 2521—2008代替GB/T 2521—1996

附录G 部分导磁材料的磁化曲线及铁损曲线表

附录H 国产可用于制造风力发电机组塔架的钢板

附录I 可以做风力发电机组轮毂的球墨铸铁和可锻铸铁

附录J JB/T 10300—2001的附录D简化设计载荷

参考文献