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本書旨在介紹一些關(guān)于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理。在不同的章分別討論了風(fēng)力機(jī)性能的分析方法、風(fēng)力機(jī)的改善途徑、故障診斷以及如何調(diào)整風(fēng)力機(jī)在使用中出現(xiàn)的不利因素。本書的內(nèi)容被分為５個(gè)部分：第１部分主要介紹風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，第２部分對(duì)發(fā)電機(jī)和齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，第３部分關(guān)注于風(fēng)力機(jī)塔架及其基礎(chǔ)的問題，第４部分講述其控制系統(tǒng)，最后一部分討論了一些風(fēng)力機(jī)在環(huán)境方面的問題。
在第１章中，詳細(xì)介紹了風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展。這包括理論上的最大效率、推動(dòng)力、實(shí)際效率、水平軸風(fēng)力機(jī)（ＨＡＷＴ） 葉片設(shè)計(jì)和葉片載荷等。
Ｓｃｈｕｂｅｌ和Ｃｒｏｓｓｌｅｙ提供了一張風(fēng)力機(jī)葉片的完整設(shè)計(jì)圖，并顯示出了水平風(fēng)輪的優(yōu)勢(shì)，而這種風(fēng)輪幾乎為現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)所專用。關(guān)于現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論已經(jīng)非常詳盡。它包括葉片表面形狀／數(shù)量、翼面選擇和最佳攻角。本章對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的負(fù)載設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，描述了其在空氣動(dòng)力、重力、陀螺作用和運(yùn)行等條件下的情況。
Ｏｈｙａ和Ｋａｒａｓｕｄａｎｉ已經(jīng)開發(fā)出了一種新的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是由一個(gè)在氣流出口外圍使用了寬的環(huán)形邊緣的擴(kuò)散器護(hù)罩和設(shè)于其中的風(fēng)力機(jī)所構(gòu)成（見第２章）。這種使用了將擴(kuò)散器延伸至邊緣的帶護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)，已被證明在給定了風(fēng)力機(jī)的直徑和風(fēng)速的條件下，其功率可被擴(kuò)大到裸露風(fēng)力機(jī)功率的２～５倍。這是因?yàn)樵谝粋�(gè)低壓區(qū)域，由于在寬闊邊緣的后面會(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)的渦流，這使得擴(kuò)散器內(nèi)的風(fēng)力機(jī)可吸入更多的質(zhì)量流。
根據(jù)生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮和綠色制造業(yè)的要求，對(duì)于生產(chǎn)由復(fù)合材料制造的風(fēng)力機(jī)葉片，其成型工藝的選擇必須存在一個(gè)公共的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域是由質(zhì)量、健康和環(huán)境幾個(gè)方面同時(shí)作用、交叉產(chǎn)生的。這個(gè)公共區(qū)域可通過生態(tài)替代使其最大化，以便能最小化對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生的不利影響。讓我們記住這一點(diǎn)，第３章（由Ａｔｔａｆ所著）關(guān)注于使用樹脂轉(zhuǎn)換模塑法（ＲＴＭ） 的封閉式模具制作過程。之所以要選擇樹脂轉(zhuǎn)換模塑法，是因?yàn)檫@種方法有助于減少像苯乙烯蒸氣這類揮發(fā)性有機(jī)化合物（ＶＯＣ）的排放。并且我們希望風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)品能同時(shí)達(dá)到高質(zhì)量，有良好的機(jī)械性能，低成本和完全避免半殼結(jié)合操作，而樹脂轉(zhuǎn)換模塑法為此提供了工業(yè)解決方案。除了這些優(yōu)點(diǎn)外，可持續(xù)發(fā)展問題和生態(tài)設(shè)計(jì)要求依然是要被解決的主要問題。而這是在分析了新規(guī)范和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的可接受程度后得到的。這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)促成了復(fù)合材料的風(fēng)力機(jī)葉片的綠色設(shè)計(jì)方法。
Ⅵ　風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)第４章，由Ｃａｒｒｉｇａｎ和他的同事所著，旨在介紹和論證一種優(yōu)化垂直軸風(fēng)力機(jī)（ＶＡＷＴ）翼型截面的全自動(dòng)化過程。這是為了當(dāng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)而受限于葉尖速度比、風(fēng)輪實(shí)度和葉片輪廓時(shí)，能最大化轉(zhuǎn)矩。在固定風(fēng)力機(jī)的葉尖速度比的情況下，存在一個(gè)翼型截面和一個(gè)風(fēng)輪實(shí)度，可使轉(zhuǎn)矩最大，這需要開發(fā)一種迭代設(shè)計(jì)系統(tǒng)。最大轉(zhuǎn)矩所需的設(shè)計(jì)系統(tǒng)融合了快速幾何形狀生成和自動(dòng)化混合網(wǎng)格生成工具，其具有黏性的、不穩(wěn)定的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ＣＦＤ） 仿真軟件。模塊化設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)的靈活性及自動(dòng)化特點(diǎn)，可以使它很容易與并行微分進(jìn)化算法相結(jié)合，這種算法可用于獲得優(yōu)化的葉片設(shè)計(jì)。而這種設(shè)計(jì)可以最大化風(fēng)力機(jī)效能。
在第５章中，Ｈａｂａｓｈ和他的同事對(duì)使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)以增強(qiáng)小型風(fēng)能變換器（ＳＷＥＣ）的效果，進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)評(píng)估。使用這種發(fā)電機(jī)后，小型風(fēng)能變換器的工作更加有效，因此在風(fēng)力機(jī)所占的單位面積內(nèi)能產(chǎn)生更多的能量。為證明小型風(fēng)能變換器的性能，建立了一種模型，在一定的運(yùn)行條件下進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
若感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有輔助繞組，它和定子主繞組間只有磁耦合，其結(jié)果證明在使用了這種感應(yīng)發(fā)電機(jī)后可以顯著增加輸出功率。它同時(shí)也顯示出，在使用了這種新技術(shù)后，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的性能得到顯著提高。這主要表現(xiàn)在抑制信號(hào)畸變、諧波、嚴(yán)重的電阻損耗、過熱，改善功率因數(shù)和開始時(shí)的電流涌入等。
齒輪箱是風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)非常昂貴的組件。為了能完善設(shè)計(jì)并增加長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，需關(guān)注利用時(shí)域進(jìn)行仿真，以預(yù)測(cè)齒輪箱的負(fù)載設(shè)計(jì)。第６章，由Ｄｏｎｇ和其同事所完成。在這一章中，有三個(gè)時(shí)間域上的問題是在動(dòng)態(tài)條件下，基于齒輪接觸的疲勞分析來討論的：①在低風(fēng)速條件下，轉(zhuǎn)矩反向問題；②統(tǒng)計(jì)不確定性效應(yīng)歸因于時(shí)域仿真；③簡(jiǎn)化了在動(dòng)態(tài)條件下齒輪的接觸疲勞分析。這里提出了一些應(yīng)對(duì)這些問題的建議。而這些建議是基于美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（ＮＲＥＬ） 的７５０ｋＷ陸基“齒輪箱可靠性綜合項(xiàng)目”（ＧＲＣ）�★L(fēng)力機(jī)所提出的。
利用恰當(dāng)?shù)恼駝?dòng)系統(tǒng)模型和分析，像塔架、傳動(dòng)系統(tǒng)、大型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪這樣的關(guān)鍵組件的初發(fā)故障是可以被發(fā)現(xiàn)的。在第７章中，Ｇｕｏ和Ｉｎｆｉｅｌｄ將非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（ＮＳＥＴ）應(yīng)用于建模塔架振動(dòng)中得到了很好的效果。這有助于理解塔架振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性以及主要的影響因素。成熟的塔架包括兩個(gè)不同的部分：一個(gè)是用于低于額定風(fēng)速的子系統(tǒng)，另一個(gè)是用于高于額定風(fēng)速的子系統(tǒng)。一組數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（ＳＣＡＤＡ）的數(shù)據(jù)被用于建模，而這組數(shù)據(jù)是從２００６年的３月到８月在一個(gè)單獨(dú)的風(fēng)力機(jī)上采集到的。模型的校驗(yàn)在隨后被提出和實(shí)施。這個(gè)研究證明了非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)處理塔架振動(dòng)時(shí)的效果；特別是，它概念簡(jiǎn)單，物理解釋清晰并且準(zhǔn)確性高。隨后一種成熟的、經(jīng)過驗(yàn)證的塔架振動(dòng)模型被成功地用于檢測(cè)葉片角的非對(duì)稱性。而葉片角非對(duì)稱是一種常見的缺陷，為了改善風(fēng)力機(jī)性能和限制疲�　。牵遥脼槊绹�(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（ＮＲＥＬ） 的一個(gè)有關(guān)風(fēng)電的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（ｈｔｔｐ： ／／ｗｗｗ�保睿颍澹飒保纾铮觯�ｗｉｎｄ／ｇｒｃ－ｒｅｓｅａｒｃｈ�保瑁簦恚欤�。———譯者注原書前言Ⅶ　勞性損壞，就需要馬上彌補(bǔ)這種缺陷。振動(dòng)信號(hào)可通過分析其他相關(guān)的ＳＣＡＤＡ數(shù)據(jù)（例如功率系數(shù)、風(fēng)速和風(fēng)輪負(fù)荷）來加以完善。這個(gè)工作也表明，若信息是來自于上述這樣的振動(dòng)信號(hào)，則監(jiān)控狀態(tài)可以得到顯著的改善。
當(dāng)風(fēng)力機(jī)的尺寸增加并且它們的機(jī)械部件被造得更輕時(shí)，結(jié)構(gòu)載荷的減小就變成了風(fēng)力機(jī)控制以及最大化捕獲風(fēng)能所要面對(duì)的最大任務(wù)。在第８章中，Ｐａｒｋ和Ｎａｍ提出了一套獨(dú)立集合算法和獨(dú)立變槳距控制算法。兩種變槳距控制算法都使用了ＬＱＲ控制技術(shù)。這種技術(shù)使用了積分作用（ＬＱＲＩ），并利用卡爾曼濾波器來估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和風(fēng)速。在這一領(lǐng)域相較于以前的工作，作者的變槳距控制算法可以在同一時(shí)刻控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片轉(zhuǎn)矩。當(dāng)可以同時(shí)分別進(jìn)行單獨(dú)變槳距控制和統(tǒng)一變槳距控制時(shí)，這種算法可以改善風(fēng)輪轉(zhuǎn)速管理和負(fù)載減小間的平衡問題。仿真結(jié)果顯示這種推薦的統(tǒng)一和獨(dú)立變槳距控制器達(dá)到了非常好的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速管理效果，并且顯著地減小了葉片彎矩。
第９章由Ｖｉｄａｌ和其同事所完成。在這一章中，考慮了在高風(fēng)速環(huán)境下，變速、變槳距、水平軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電控制。提出了一種動(dòng)態(tài)顫振轉(zhuǎn)矩控制和一種比例積分（ＰＩ）變槳距控制策略，并且驗(yàn)證使用了美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)力機(jī)仿真ＦＡＳＴ（疲勞、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)和湍流） 代碼。驗(yàn)證結(jié)果顯示所提出的控制器在功率調(diào)節(jié)方面有效。并且它在湍流風(fēng)況下對(duì)于所有其他的狀態(tài)變量（風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；控制變量平穩(wěn)和充分的演變）展示出了較高的性能。為強(qiáng)調(diào)所提出方法對(duì)問題的改善，將這種控制器與以前發(fā)表的相關(guān)研究進(jìn)行了比較。
第１０章由ＤｉａｚｄｅＣｏｒｃｕｅｒａ和其同事完成，認(rèn)證了一種多變量和多目標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)策略。這種控制器是基于Ｈ!標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力機(jī)中的簡(jiǎn)化應(yīng)用。風(fēng)力機(jī)模型在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件ＧＨＢｌａｄｅ中已很成熟，并且它是以“迎風(fēng)歐洲” （ＵｐｗｉｎｄＥｕｒｏｐｅａｎ）工程中所定義的５ＭＷ風(fēng)力機(jī)為基礎(chǔ)的。所設(shè)計(jì)的控制策略工作于高于額定發(fā)電區(qū)域，并且可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及可以在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和塔架上減小負(fù)載。為達(dá)到上述目標(biāo)，發(fā)展出了兩種魯棒性Ｈ!多輸入單輸出（ＭＩＳＯ）控制器。這些控制器產(chǎn)生總體槳距角和產(chǎn)生轉(zhuǎn)距設(shè)定點(diǎn)變量以達(dá)到強(qiáng)制控制的目標(biāo)。所使用的線性模型生成于ＧＨＢｌａｄｅｄ４�保�，但是控制設(shè)計(jì)方法學(xué)與任何獲得于其他的模塊化程序包的線性模型可以一起使用。控制器通過設(shè)定混合靈敏度問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這里一些陷波濾波器也被包含到控制器特性中。所得到的Ｈ!控制器在ＧＨＢｌａｄｅｄ中已經(jīng)過了驗(yàn)證并且對(duì)其進(jìn)行了詳盡的分析，以便能計(jì)算出在風(fēng)力機(jī)組件上疲勞負(fù)載的減小，同時(shí)也分析了在一些極端情況下負(fù)載的減小。在分析中，將本章提出的基于Ｈ!控制器的控制策略與一種基本控制策略進(jìn)行了比較。這種基本控制策略設(shè)計(jì)用于典型控制方法，并實(shí)施于以往的風(fēng)力機(jī)中。
電磁干擾（ＥＭＩ）既可以影響兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)，同時(shí)也可被其發(fā)射。在第１１章中，Ｋｒｕｇ和Ｌｅｗｋｅ給出了在兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)上有關(guān)電磁干擾的概述。指出了測(cè)量所有類型電磁干擾的可能性。這里對(duì)安裝在兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)上的發(fā)射器所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)Ⅷ　風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)行了詳細(xì)的分析。這種蜂窩系統(tǒng)是作為實(shí)時(shí)通信鏈路在工作的。矩量法被用于分析描述電磁場(chǎng)。利用一種商業(yè)仿真工具，電磁干擾將在給定的邊界條件下進(jìn)行分析。
以輻射方向圖為基礎(chǔ)，對(duì)不同的發(fā)射器的設(shè)置位置進(jìn)行了評(píng)判。本章描述并考慮了主要的電磁干擾機(jī)制。
隨著全球?qū)�可持續(xù)化發(fā)展的推動(dòng)，使得相較于煤及化石燃料，人們對(duì)可再生能源有了更大的興趣。其中一種可持續(xù)的能量來源就是通過風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中獲取能量。
然而一個(gè)使風(fēng)力機(jī)不能廣泛應(yīng)用的重要障礙就是風(fēng)力機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲。由Ｊｉａｎｕ和其同事所著的第１２章，回顧了在風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲領(lǐng)域近年來所取得的進(jìn)展。
迄今為止，有了很多不同的噪聲控制研究。然而噪聲源多有不同，其中主要的一個(gè)來源是氣動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲最大的提供者是風(fēng)力機(jī)葉片后緣。當(dāng)前對(duì)于減小風(fēng)力機(jī)噪聲，以及針對(duì)于減小風(fēng)力機(jī)葉片后緣產(chǎn)生的噪聲有著一些不同的方法和研究。本章的目的是批判性地分析和比較這些方法及研究。