前言
本书旨在介绍一些关于风力机设计的基本原理。在不同的章分别讨论了风力机性能的分析方法、风力机的改善途径、故障诊断以及如何调整风力机在使用中出现的不利因素。本书的内容被分为5个部分:第1部分主要介绍风力机叶片的设计,第2部分对发电机和齿轮系统进行了详细的介绍,第3部分关注于风力机塔架及其基础的问题,第4部分讲述其控制系统,最后一部分讨论了一些风力机在环境方面的问题。

在第1章中,详细介绍了风力机叶片设计技术的最新进展。这包括理论上的最大效率、推动力、实际效率、水平轴风力机(HAWT) 叶片设计和叶片载荷等。

Schubel和Crossley提供了一张风力机叶片的完整设计图,并显示出了水平风轮的优势,而这种风轮几乎为现代风力机所专用。关于现代风力机叶片的空气动力学设计理论已经非常详尽。它包括叶片表面形状/数量、翼面选择和最佳攻角。本章对风力机叶片的负载设计进行了详细的讨论,描述了其在空气动力、重力、陀螺作用和运行等条件下的情况。

Ohya和Karasudani已经开发出了一种新的风力机系统。这种系统是由一个在气流出口外围使用了宽的环形边缘的扩散器护罩和设于其中的风力机所构成(见第2章)。这种使用了将扩散器延伸至边缘的带护罩的风力机,已被证明在给定了风力机的直径和风速的条件下,其功率可被扩大到裸露风力机功率的2~5倍。这是因为在一个低压区域,由于在宽阔边缘的后面会形成一个很强的涡流,这使得扩散器内的风力机可吸入更多的质量流。

根据生态设计的考虑和绿色制造业的要求,对于生产由复合材料制造的风力机叶片,其成型工艺的选择必须存在一个公共的区域。这个区域是由质量、健康和环境几个方面同时作用、交叉产生的。这个公共区域可通过生态替代使其最大化,以便能最小化对环境和人类健康产生的不利影响。让我们记住这一点,第3章(由Attaf所著)关注于使用树脂转换模塑法(RTM) 的封闭式模具制作过程。之所以要选择树脂转换模塑法,是因为这种方法有助于减少像苯乙烯蒸气这类挥发性有机化合物(VOC)的排放。并且我们希望风力机叶片产品能同时达到高质量,有良好的机械性能,低成本和完全避免半壳结合操作,而树脂转换模塑法为此提供了工业解决方案。除了这些优点外,可持续发展问题和生态设计要求依然是要被解决的主要问题。而这是在分析了新规范和环境标准的可接受程度后得到的。这些规范和标准促成了复合材料的风力机叶片的绿色设计方法。

Ⅵ 风力机技术及其设计第4章,由Carrigan和他的同事所著,旨在介绍和论证一种优化垂直轴风力机(VAWT)翼型截面的全自动化过程。这是为了当实施标准的风力机设计而受限于叶尖速度比、风轮实度和叶片轮廓时,能最大化转矩。在固定风力机的叶尖速度比的情况下,存在一个翼型截面和一个风轮实度,可使转矩最大,这需要开发一种迭代设计系统。最大转矩所需的设计系统融合了快速几何形状生成和自动化混合网格生成工具,其具有黏性的、不稳定的计算流体动力学(CFD) 仿真软件。模块化设计和仿真系统的灵活性及自动化特点,可以使它很容易与并行微分进化算法相结合,这种算法可用于获得优化的叶片设计。而这种设计可以最大化风力机效能。

在第5章中,Habash和他的同事对使用感应发电机以增强小型风能变换器(SWEC)的效果,进行了理论和实验评估。使用这种发电机后,小型风能变换器的工作更加有效,因此在风力机所占的单位面积内能产生更多的能量。为证明小型风能变换器的性能,建立了一种模型,在一定的运行条件下进行仿真和实验测试。

若感应发电机具有辅助绕组,它和定子主绕组间只有磁耦合,其结果证明在使用了这种感应发电机后可以显著增加输出功率。它同时也显示出,在使用了这种新技术后,感应发电机的性能得到显著提高。这主要表现在抑制信号畸变、谐波、严重的电阻损耗、过热,改善功率因数和开始时的电流涌入等。

齿轮箱是风力机系统中一个非常昂贵的组件。为了能完善设计并增加长期的稳定性,需关注利用时域进行仿真,以预测齿轮箱的负载设计。第6章,由Dong和其同事所完成。在这一章中,有三个时间域上的问题是在动态条件下,基于齿轮接触的疲劳分析来讨论的:①在低风速条件下,转矩反向问题;②统计不确定性效应归因于时域仿真;③简化了在动态条件下齿轮的接触疲劳分析。这里提出了一些应对这些问题的建议。而这些建议是基于美国国家可再生能源实验室(NREL) 的750kW陆基“齿轮箱可靠性综合项目”(GRC)风力机所提出的。

利用恰当的振动系统模型和分析,像塔架、传动系统、大型风力机的风轮这样的关键组件的初发故障是可以被发现的。在第7章中,Guo和Infield将非线性状态估计技术(NSET)应用于建模塔架振动中得到了很好的效果。这有助于理解塔架振动的动态特性以及主要的影响因素。成熟的塔架包括两个不同的部分:一个是用于低于额定风速的子系统,另一个是用于高于额定风速的子系统。一组数据采集和监控系统(SCADA)的数据被用于建模,而这组数据是从2006年的3月到8月在一个单独的风力机上采集到的。模型的校验在随后被提出和实施。这个研究证明了非线性状态估计技术处理塔架振动时的效果;特别是,它概念简单,物理解释清晰并且准确性高。随后一种成熟的、经过验证的塔架振动模型被成功地用于检测叶片角的非对称性。而叶片角非对称是一种常见的缺陷,为了改善风力机性能和限制疲 GRC为美国国家可再生能源实验室(NREL) 的一个有关风电的实验项目(http: //wwwnrelgov/wind/grc-researchhtml)。———译者注原书前言Ⅶ 劳性损坏,就需要马上弥补这种缺陷。振动信号可通过分析其他相关的SCADA数据(例如功率系数、风速和风轮负荷)来加以完善。这个工作也表明,若信息是来自于上述这样的振动信号,则监控状态可以得到显著的改善。

当风力机的尺寸增加并且它们的机械部件被造得更轻时,结构载荷的减小就变成了风力机控制以及最大化捕获风能所要面对的最大任务。在第8章中,Park和Nam提出了一套独立集合算法和独立变桨距控制算法。两种变桨距控制算法都使用了LQR控制技术。这种技术使用了积分作用(LQRI),并利用卡尔曼滤波器来估计系统状态和风速。在这一领域相较于以前的工作,作者的变桨距控制算法可以在同一时刻控制风轮转速和叶片转矩。当可以同时分别进行单独变桨距控制和统一变桨距控制时,这种算法可以改善风轮转速管理和负载减小间的平衡问题。仿真结果显示这种推荐的统一和独立变桨距控制器达到了非常好的风轮转速管理效果,并且显著地减小了叶片弯矩。

第9章由Vidal和其同事所完成。在这一章中,考虑了在高风速环境下,变速、变桨距、水平轴风力机的发电控制。提出了一种动态颤振转矩控制和一种比例积分(PI)变桨距控制策略,并且验证使用了美国国家可再生能源实验室的风力机仿真FAST(疲劳、空气动力学、结构和湍流) 代码。验证结果显示所提出的控制器在功率调节方面有效。并且它在湍流风况下对于所有其他的状态变量(风力机和发电机转速;控制变量平稳和充分的演变)展示出了较高的性能。为强调所提出方法对问题的改善,将这种控制器与以前发表的相关研究进行了比较。

第10章由DiazdeCorcuera和其同事完成,认证了一种多变量和多目标控制器的设计策略。这种控制器是基于H!标准在风力机中的简化应用。风力机模型在风力机设计软件GHBlade中已很成熟,并且它是以“迎风欧洲” (UpwindEuropean)工程中所定义的5MW风力机为基础的。所设计的控制策略工作于高于额定发电区域,并且可以进行发电机转速控制以及可以在驱动机构和塔架上减小负载。为达到上述目标,发展出了两种鲁棒性H!多输入单输出(MISO)控制器。这些控制器产生总体桨距角和产生转距设定点变量以达到强制控制的目标。所使用的线性模型生成于GHBladed40,但是控制设计方法学与任何获得于其他的模块化程序包的线性模型可以一起使用。控制器通过设定混合灵敏度问题进行设计,在这里一些陷波滤波器也被包含到控制器特性中。所得到的H!控制器在GHBladed中已经过了验证并且对其进行了详尽的分析,以便能计算出在风力机组件上疲劳负载的减小,同时也分析了在一些极端情况下负载的减小。在分析中,将本章提出的基于H!控制器的控制策略与一种基本控制策略进行了比较。这种基本控制策略设计用于典型控制方法,并实施于以往的风力机中。

电磁干扰(EMI)既可以影响兆瓦级风力机,同时也可被其发射。在第11章中,Krug和Lewke给出了在兆瓦级风力机上有关电磁干扰的概述。指出了测量所有类型电磁干扰的可能性。这里对安装在兆瓦级风力机上的发射器所产生的电磁场进Ⅷ 风力机技术及其设计行了详细的分析。这种蜂窝系统是作为实时通信链路在工作的。矩量法被用于分析描述电磁场。利用一种商业仿真工具,电磁干扰将在给定的边界条件下进行分析。

以辐射方向图为基础,对不同的发射器的设置位置进行了评判。本章描述并考虑了主要的电磁干扰机制。

随着全球对可持续化发展的推动,使得相较于煤及化石燃料,人们对可再生能源有了更大的兴趣。其中一种可持续的能量来源就是通过风力机从风中获取能量。

然而一个使风力机不能广泛应用的重要障碍就是风力机自身产生的噪声。由Jianu和其同事所著的第12章,回顾了在风力机产生的噪声领域近年来所取得的进展。

迄今为止,有了很多不同的噪声控制研究。然而噪声源多有不同,其中主要的一个来源是气动噪声。气动噪声最大的提供者是风力机叶片后缘。当前对于减小风力机噪声,以及针对于减小风力机叶片后缘产生的噪声有着一些不同的方法和研究。本章的目的是批判性地分析和比较这些方法及研究。



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