風力發(fā)電機組設計

前言

　　經濟、能源與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展是實現國家現代化目標的必要條件。為了解決化石能源的不斷消耗對經濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的影響問題，我國和一些主要發(fā)達國家在未來能源規(guī)劃中，都明確提出了可再生能源發(fā)展的具體目標。在《國家中長期（2006-2020年）科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》中，將可再生能源規(guī)?；昧袨槟茉纯沙掷m(xù)發(fā)展中的關鍵科學問題之一。2005年頒布的《中國可再生能源法》進一步明確了包括風能在內的可再生能源的戰(zhàn)略地位，為可再生能源的發(fā)展提供了法律保證?！　★L能是一種重要的清潔可再生能源，而風力發(fā)電是目前發(fā)展最快，且最具規(guī)模化開發(fā)條件的風能利用技術形式。截止到2008年底，全球風電機組的總裝機容量超過了1億kW，我國經過近幾年的快速發(fā)展，風電機組總裝機容量也達到1200萬kw。根據國家發(fā)改委2005年的規(guī)劃，到2020年，全國風電機組裝機容量將達到3000萬kw。我國的風能資源豐富，2020年以后還將得到持續(xù)的發(fā)展。因此，風能的規(guī)?；檬菄夷茉纯沙掷m(xù)發(fā)展的重大需求?！　?0世紀80年代并網風電機組問世以來，國內外在風能技術的開發(fā)利用方面取得了很大的成就，并形成了相應的風電產業(yè)。過去的10年，我國的風電機組裝機容量年均增長速度達到45％以上。風力發(fā)電已在節(jié)約能源、緩解電力供應緊張的形勢、降低長期發(fā)電成本、減少大氣污染和溫室氣體排放等方面做出了貢獻，開始有所作為?！　∫话愣摚陲L力發(fā)電生產的成本構成中，發(fā)電設備所占的比例最多，而運行成本很低。因此，設計研發(fā)先進的風電設備是發(fā)展風電產業(yè)的關鍵。近年來，隨著風電市場需求的擴大，我國風電設備產業(yè)得到了快速的發(fā)展。據截至2007年底的不完全統(tǒng)計，我國風電設備制造及相關零部件企業(yè)已有70多家。然而，由于我國大型風電設備設計研發(fā)工作開展較晚，而且相關產業(yè)基礎相對薄弱，尚難以滿足風力發(fā)電產業(yè)超常規(guī)發(fā)展的市場需求。在此背景下，我們編寫了本書，謹供致力于風電技術及設備開發(fā)研究的廣大讀者參考和使用，并期待能夠為風能利用和風電設備產業(yè)的進一步發(fā)展作出應有的貢獻。　　本書主要針對并網大型風電機組的設計需求，重點闡述了相關的理論基礎與設計方法等。全書共分為7章：第1章為風電機組設計概論，介紹有關風電機組的技術構成和基本設計概念。第2章為風電機組的設計基礎，重點討論風電機組相關設計標準、設計所需的外部條件，以及風電機組設計過程所需的空氣動力學、結構分析與計算基礎等問題。第3-6章結合風電機組的總體及主要部件設計問題，討論相關的設計方法或技術。在風電機組總體設計中，重點論述風電機組的總體參數和功能設計與風況條件、風電機組特性等方面的關系，并給出發(fā)電機系統(tǒng)選型和風電機組總體布局設計的一般原則。在此基礎上，書中針對構成風電機組的主要部件，如風輪葉片、傳動系統(tǒng)和塔架基礎等，通過對相關設計問題的基礎性分析，給出了比較系統(tǒng)和盡可能具體的設計方法。第7章對風電機組的結構動力學分析一些基礎性問題進行了介紹，內容涉及葉片結構動力學分析、傳動系統(tǒng)動力學分析、塔架結構動力特性和風電機組整機動力學分析等。

內容概要

本書主要針對大型風電機組的設計需求，闡述相關的理論基礎與設計方法。書中討論了風電機組的設計依據和設計標準等問題，介紹了風電機組設計的相關理論，包括空氣動力學、載荷分析、結構分析、疲勞強度設計等；在此基礎上，論述了風電機組總體設計方法，并重點針對風輪葉片、傳動系統(tǒng)和塔架基礎等主要部件設計中的基礎性問題進行了分析，給出比較系統(tǒng)且盡可能具體的設計方法；同時，介紹了風電機組動力學設計的基礎知識。　　本書可供從事大型風電機組設計、運行、維護和管理等方面工作的專業(yè)技術人員閱讀，也可作為高等院校相關專業(yè)的本科高年級學生和研究生的參考書。

書籍目錄

前言 第1章　風電機組設計概論 　1.1　風電機組的基本功能構成與分類 　　1.1.1　風電機組的基本功能構成 　　1.1.2　風電機組的分類 　1.2　水平軸風電機組的結構特征 　　1.2.1　風輪 　　1.2.2　機艙及其安裝部件 　　1.2.3　塔架與基礎 　1.3　風電設備的技術現狀與發(fā)展趨勢 　　1.3.1　技術現狀 　　1.3.2　發(fā)展趨勢 　1.4　風電機組設計的基本內容與步驟 　　1.4.1　確定設計目標 　　1.4.2　總體設計 　　1.4.3　風電機組零部件結構設計 　　1.4.4　樣機測試與設計驗證 　1.5　風電機組與風電場設計軟件簡介 　　1.5.1　風資源評估與風電場設計管理類軟件 　　1.5.2　風電機組性能的分析與仿真軟件 　　1.5.3　風電機組結構的分析與設計軟件 第2章　風電機組的設計基礎 　2.1　風電機組相關設計標準 　　2.1.1　國外重要的風電設計標準 　　2.1.2　我國主要風電標準 　2.2　風電機組設計的外部條件 　　2.2.1　風電機組分級 　　2.2.2　正常風況 　　2.2.3　極端外部條件 　2.3　空氣動力學基礎與數學模型 　　2.3.1　風能的簡單分析 　　2.3.2　動量模型 　　2.3.3　葉素理論 　　2.3.4　動量?葉素理論 　　2.3.5　其他理論模型簡介 　2.4　風電機組載荷分析基礎 　　2.4.1　載荷的類型 　　2.4.2　設計工況與載荷狀況 　　2.4.3　載荷分析的基本要求 　2.5　極限狀態(tài)分析 　　2.5.1　設計要求 　　2.5.2　極限強度分析的安全系數 　　2.5.3　疲勞失效分析的安全系數 　　2.5.4　穩(wěn)定性與臨界撓度分析的安全系數 　2.6　疲勞強度分析基礎 　　2.6.1　疲勞強度設計概述 　　2.6.2　疲勞設計的基本方法 　　2.6.3　設計風電機組疲勞強度時需考慮的問題 第3章　風電機組總體設計 　3.1　風電機組總體參數設計 　　3.1.1　風電機組設計風速與功率 　　3.1.2　風輪特性參數及其分析 　3.2　風電機組的功能設計 　　3.2.1　風輪功率的調節(jié)方式 　　3.2.2　影響風電機組功率特性的其他因素 　　3.2.3　風輪的力學特性 　3.3　風電機組發(fā)電機系統(tǒng)選型設計 　　3.3.1　恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 　　3.3.2　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 　3.4　風電機組總體布局設計 　　3.4.1　主傳動鏈布局 　　3.4.2　變槳距系統(tǒng)布局 　　3.4.3　機艙與偏航系統(tǒng)布局 　　3.4.4　風電機組制動系統(tǒng)布局 第4章　風輪葉片設計 　4.1　設計概述 　　4.1.1　基本設計過程與內容 　　4.1.2　設計要求 　　4.1.3　葉片相關術語 　　4.1.4　翼型介紹 　4.2　葉片氣動外形設計 　　4.2.1　簡化設計方法 　　4.2.2　葛勞渥方法 　　4.2.3　維爾森方法 　　4.2.4　氣動外形的優(yōu)化設計 　　4.2.5　氣動外形的逆向設計方法 　　4.2.6　氣動外形設計方法的綜合應用算例 　4.3　葉片載荷分析 　　4.3.1　計算坐標系 　　4.3.2　幾種類型的載荷 　　4.3.3　葉片載荷分析算例 　4.4　葉片結構設計 　　4.4.1　葉片材料選擇 　　4.4.2　葉片剖面結構 　　4.4.3　鋪層設計 　　4.4.4　葉片總體結構 　　4.4.5　葉根設計 第5章　風電機組傳動系統(tǒng)設計 第6章　塔架與基礎 第7章　風電機組結構動力學分析 附錄 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　此階段是需要從風電機組的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設備的布置形式與技術要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術組成、原理分析、結構形式和功能參數選擇等工作。同時需要對整機的結構承力構件布置、承載形式和傳力路線進行分析，選擇合理的設計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設計界面，保證總體設計的質量。此階段的設計要求是盡可能地詳盡分析風電機組各子系統(tǒng)構成方案的可行性，使之布置合理、協(xié)調、緊湊，便于安裝，且能可靠保證正常運行和維護需要。提供風電機組的總體布置圖（包括部件和基礎），最好建立總體的三維數字模型，并編寫有關報告和設計說明文件?！　?）載荷分析與風電機組基本性能的預評估　　在設計初期，必須對載荷作預評估，以準確確定風電機組的結構設計依據。風電機組應能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產生于風輪及其葉片，且風輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產生影響。該階段要注意查閱并依據相關設計標準，結合具體的風電機組運行工況要求，對所有載荷都應予以仔細分析評估。　　5）發(fā)電成本估算　　設計階段估計發(fā)電成本是非常重要的一個步驟，因為風電機組總體性能與總體成本是影響發(fā)電成本的關鍵因素。在設計早期，可以通過功率曲線來預測風電機組性能，這既是風輪總體設計的重要功能目標之一，同時也受到發(fā)電機類型、傳動系統(tǒng)效率、運行方式（恒速或變速）以及控制方式的影響。　　6）各部件和子系統(tǒng)的設計方案　　根據整機總體結構方案設計，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結構形式、參數及附件的選擇等設計工作。設計有關部件的結構方案模型圖和有關系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關的報告和技術說明?！　?）配套附件　　選擇和確定整機配套附件和備件等設備，對新研制的部件要確定技術要求和協(xié)作關系。提交協(xié)作及采購清單等有關文件?！　】傮w設計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重地進行，要盡可能充分利用已有的經驗，以求總體設計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎上，避免以后出現不應有的重大反復，導致設計的失誤和延期?！　∩鲜隹傮w設計的各階段屬于靜態(tài)設計，設計結果是：風電機組總體設計方案圖、總體布置圖和設計計算報告、風電機組性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術要求與設計示意圖、系統(tǒng)原理圖、對制造方面的協(xié)作和采購要求清單等，以及對其他有關經濟性和使用性能等均應有明確的技術文件。

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