国际电气工程先进技术译丛 风力机技术.pdf

国际电气工程先进技术译丛风 力 机 技 术（美）A.R.Jha著岳大为 李 洁 等译机 械 工 业 出 版 社本书主要包括风力机技术发展概述、风力机设计方面和性能要求、风力机风轮的性能和设计方案、风力机叶片设计要求、变风速条件下动态稳定及性能的提高所需的传感器和控制设备、离网型风电系统、建筑物环境中的风能转换技术和影响风力机安装的环境问题与经济因素等内容。本书理论与实践紧密结合，数学表达式和较重要的推导公式有利于深入学习风电机组技术的知识。本书结构清晰，并且涵盖了风力机设计方面的诸多尖端技术。本书可供风力发电技术领域的工程技术人员、研发人员、管理等相关人员阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。Wind Turbine Technology/by A.R.Jha/ISBN：978-1-4398-1506-9Copyright2011 by CRC Press.Authorized translation from English language edition published by CRCPress，part of Taylor Francis Group LLC；All rights reserved.本书中文简体翻译版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2012-0578 号。图书在版编目（CIP）数据风力机技术/（美）杰哈（Jha，A.R.）著；岳大为等译.北京：机械工业出版社，2013.6（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Wind turbine technologyISBN 978-7-111-43261-6.风.杰岳.风力发电机-技术.TM315中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 156286 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：刘星宁 责任编辑：郑 彤版式设计：张玉琴封面设计：常天培 责任校对赵颖喆 责任印制2013 年 9 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm13 印张256 千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-43261-6定价：68.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教材网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版北京双青印刷厂印刷杨 曦译者序开发利用可再生能源、实现能源的可持续发展已经成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能作为最重要和最成熟的可再生能源，具有蕴藏量丰富、分布广、无污染等特点，因此成为可再生能源发展的重要方向。中国风能资源丰富，大力发展风力发电对调整能源结构、保障能源安全、应对气候变化、促进经济社会可持续发展具有重要意义。近年来，在 可再生能源法以及国家一系列政策法规的推动下，中国风电装机容量迅速增长，风电装备制造业快速发展，产业体系也已基本形成。但快速发展的风电行业也同时迎来了成长的烦恼，风电专业人才短缺和风电理论书籍匮乏等问题凸显。风力发电技术已经成为国内高校、科研院所的重点研发方向。多所高校相继开设风能与动力工程本科专业，但缺乏具有丰富的工程实践及深入理论分析的教学参考书籍。本书的引进和翻译出版正是填补了这一空白。本书第 1 章由李洁翻译，第 2 章由岳大为翻译，第 3 章由杨聪聪翻译，第 4 章由徐超林翻译，第 5 章由高国旺翻译，第 6 章由王铁举翻译，第 7 章由刘海锋翻译，第 8 章由石康珍、邓晨晖翻译。另外，吕金桥、李亚楠、周玥、孟心怡、崔晓志也参与了修改整理与部分翻译工作。全书最后由岳大为统一校对、统稿。河北工业大学王华君教授、李练兵教授在本书的翻译中给予了大力支持。在此一并表示感谢。由于作者水平有限，翻译中错误之处在所难免，希望读者批评指正。岳大为 李 洁河北工业大学原书序本书是在国家工业化发展前景十分光明的背景下出版的，21 世纪经济全球化的工业化国家都是紧紧依赖于可利用且价格合理的石油和天然气来进行发电的。风力机技术的发展不仅为发电行业提供了一种经济可靠的途径，同时也消除了对国外石油的依赖。此外，风力机能够以较低的成本发出大量电能，并且不会产生有害气体。追溯历史，从公元前 5000 年开始，人们就开始利用风能；最初只是用于推动船只的行进。在公元前 300 年，斯里兰卡的僧伽罗人曾利用季风作为航船的动力。到了公元前 200 年，中国人利用风能进行灌溉，波斯人使用风力机设备研磨谷物。欧洲风力机技术的发展始于 12 世纪早期。第一台用于发电的风车出现在 1887 年的苏格兰，随后大型的发电风车也于 1890 年在荷兰发展起来。在 20 世纪上半叶，美国制造了更大、更高效的风力机。发展替代能源的积极程度取决于化石燃料的成本，二战后随着化石燃料价格的下跌，人们在风力发电方面的投资也在减少。然而1973 年石油禁运后，在美国联邦风能计划的扶植下，人们对投资发展风力机的热情重新燃起。20 世纪下半叶，中国、印度、巴西等发展中国家人口的增长和工业化进程的加速，导致全世界范围内能源需求和消耗的增长。值得注意的是，由于化石燃料是最经济的燃料，因此一直被广泛使用。然而化石燃料的使用却是导致环境污染和全球气候变化的主要原因。同样值得注意的是化石燃料并不是取之不尽用之不竭的。目前正在使用的能源主要包括核能、水能、太阳能和风能。其中，核能是一个极具吸引力的替代能源，但它初始投资成本较高而且有危险的辐射效应。同样，太阳能也是一个很有吸引力的替代能源，它可以无限地输出电能，但是在夜间或多云天气时不能使用。而风力发电技术可以提供最具有吸引力的可再生能源，因为它可以利用无限的风能并且以较低的成本产生大量电能，同时不会对环境造成不良影响。风力机通过利用自然界的动能产生电能。根据其发电能力的不同，风力机也有大小型号之分。功率输出低于 25kW 的离网型小型风力机最适合用于通信、抽水灌溉以及偏远的住宅区。一个小型或 50W 的风力机足以应用到小型船只上。额定功率范围为 100kW 5MW 的大型风力机足以同时为 100 500 户家庭提供用电。近年来许多发电成本低并且提供免费维护的公用事业公司的风电场如雨后春笋般出现在农村和海边。特别需要提及的是，丹麦 40%的用电来自于风电，同时丹麦还制定了风力发电机组装机容量超过 4200MW 的计划。风力机主要可以划分为水平轴风力机（HAWT）和垂直轴风力机（VAWT）两大类。水平轴风力机的优势是它具有较大的发电量、较高的工作效率和叶片变桨功能，同时较高的塔基结构有助于捕获更多的风能。无论哪一种风力机，其工作原理都是将风的动能转化为机械能，然后带动发电机发电。风力机翼型选择的原则是使风能的捕获量达到最大。安装在陆地或近海区域的风力机塔架高度适中时，风力机的性能最优。该书包括 8 个章节，每章都着重介绍风力机的某一特定设计方面。它的内容安排合理，突出强调了风力机的理论和实践应用。因此，我强烈推荐这本书给广大读者，包括学生、设计工程师、科研人员、项目经理、环境科学家和可再生能源规划师。总之，风能资源必定会在 21 世纪的经济发展中发挥重要作用，而且美国政府也在积极鼓励快速发展可再生能源。本书作者 A.R.Jha 博士，在风力发电机组技术和风力机设计等应用方面提出了全面的指导。Shobha Singh 博士杰出的技术员（退休）新泽西州，默里希尔，贝尔实验室研究员，实验室主任（退休）宝丽来公司，剑桥，马萨诸塞州原 书 序前言人们对可再生能源高涨的兴趣和国外石油成本的显著增加迫使很多国家去寻找低成本的能源技术，如太阳电池、风力机、潮汐涡轮机、生物燃料、地热技术、核反应堆等，以降低发电成本。在 21 世纪的经济全球化中，西方工业国家的前途和福利也越来越多地依赖于有质量和深度的技术创新，而且这种创新也将快速地被商业化。快速发展低成本能源，不仅可以迅速降低度电成本，同时也可以消除对石油生产国的依赖。值得一提的是，当前很多国家已经规划了风力发电技术，并以较低的度电成本满足电能需求。风力机的迅速研发必须在低成本高效率的微型水力涡轮机和大容量风力机的领域中进行。一些欧洲国家和发展中国家正在建设风电场，以降低发电成本并且消除对国外原油的依赖。国际能源专家预测，到 2015 年电能批发价格将上涨 35%65%。在这种情况下，一些国家开始致力于开发替代能源，这些替代能源就包括那些在合适地点部署的中小型风力发电机组。作者对中小型风力发电机组的研究表明，中小型风力发电机组最适合于为陆基国防设施、学校、居民住宅、购物中心和大型商业楼宇提供用电。同时本研究还提出，微型风力发电机组能够满足个人用电，如电灯、电扇、空调、计算机、传真机、饮水机、微波炉和其他电气设备和配件。本书将理论和实际应用很好地结合起来。书中的数学表达式和较重要的推导公式十分有利于学生深入学习风力机技术知识。本书结构清晰，并且涵盖了风力机设计方面的诸多尖端技术。本书的语言风格很适合致力于在风电领域拓展视野的本科生和研究生。本书特地为从事风电行业设计研发的工作人员所作，包括工程师、科研人员、教授、项目经理、教师和程序员。与此同时，本书还有助于人们了解可再生能源。作者为此付出了很大努力，采用良好的组织材料，使用传统的术语、符号和代码以方便初学者快速理解风力发电技术的知识。书中介绍的风力机最新性能参数和实验数据都源于权威作者和出版物，很多重要参考资料也在其中。本书的每个章节都将会特别介绍风力机的家用和商用情况。第 1 章介绍了风力发电技术的发展历程以及它可以在低成本和无温室效应的前提下产生电能。与燃煤热电站和核反应堆发电站相比，风力发电成本更低。简而言之，风力机可提供具有低成本高效益的可再生能源。有意思的是，风力机与电风扇的工作原理相反：风力机是将风的动能转换成电能。风力机有不同的型号和容量。通常情况下，小型或微型风力机的额定功率低于 10kW，其适用于个人住宅、偏远场所、电信系统和灌溉等方面的应用。中等容量风力机的额定功率通常在 10 100kW 之间。大型风力机的额定输出功率从 100kW 2.5MW 不等，适用于区域性供电。由多台风力机构成的风电场，其发电成本会接近燃煤热电站和核反应堆发电站。由于风能资源对于偏远地区或人口稀疏区的小商户最具有经济效益，因此一些发达国家和发展中国家更倾向于发展微型风力机。沿海的欧洲国家为了向机械工厂、灌溉工程和管井供电，已经安装了一批中等容量风力机。安装在年平均风速超过 15mile/h（1mile 1609.344m）的丹麦沿海地区的风力机能满足全国至少 40%的电能需求。中国也已经在平均风速连续超过 30mile/h 的戈壁沙漠安装了几百台大容量风力发电机组。第 2 章重点介绍了不同类型风力机的设计、安装成本和性能。有意思的是，从热力学的角度，风力机产生的能量是有用的。风力机驱动发电机，其输出电能可以储存在蓄电池中或者并入商业电网。风力机可以用以生产由氢和氧组成的清洁燃料，或者为其他应用的燃料电池充电。此外，由风力机产生的动能可以转换为电能、化学能、热能或者其他形式的潜在能源。值得注意的是，安装在恰当位置的风力机有较高的效率和可靠性，并且全年的运行和维护成本可以达到最低。20 世纪 50 年代初以来，像美国通用电气公司和日本三菱公司等很多大型企业已经生产出了多种类型的大容量风力发电机组。从最早的型号到现代的风力机，不同类型风力机如图 2-1 所示。风车抽水在灌溉中起到了关键作用。目前，世界各地，尤其是偏远地区的抽水风车数量已超过 100 万。风力机分为水平轴风力机（HAWT）和垂直轴风力机（VAWT）两种类型，分别如图 2-2 和 2-3 所示。目前多数大容量风力机是水平轴的，主要由于其设计简单，具有较高的结构完整性以及在强风下有较高的动态