中小型風力發電機原理與垂直軸風力機設計/中國能源革命與先進技術叢書

作者：梁北嶽|責編:江婧婧//盧婷
出版社：機械工業
ISBN：9787111791850

出版日期：2025/11/01
裝幀：平裝
頁數：341

人民幣：RMB 139 元售價：元

內容大鋼

本書系統地論述了垂直軸風力機的空氣動力原理、機械結構和電氣控制原理。本書共14章，第1?3章介紹風能與風力機基本知識；第4?5章介紹水平軸風力機的原理；第6?14章介紹垂直軸風力機。書中不僅有各種豐富的圖表和計算公式，還列舉了作者在工作實踐中的大量設計案例，以期為讀者提供更加翔實、可靠的經驗數據。
本書的讀者對象範圍很廣，可以包含：中小型風力發電機初學者；政府和企業的風力發電機（尤其是垂直軸風力機）項目管理者；從事垂直軸風力機設計的工程技術人員。本書既能幫助初學者構建關於風力發電機的基礎知識，也能幫助研發設計人員做深層的分析計算及風輪設計，並計算載荷、校核構件。本書既適合科普，又適合深入和提高，本書按照知識深淺程度，層層遞進，力求讓讀者易學易懂、提升閱讀體驗。

作者介紹

梁北嶽|責編:江婧婧//盧婷

前言
第1章  風能利用的基本知識
  1.1  空氣密度與風速
    1.1.1  通過熱氣球理解空氣密度
    1.1.2  空氣密度與海拔和溫度的關係
    1.1.3  風阻力
    1.1.4  風級與風速
    1.1.5  風速的跳變性
    1.1.6  地面粗糙度與風切變
    1.1.7  風的平順性
    1.1.8  年平均風速與極限風速
    1.1.9  工作風速
    1.1.10  關於年滿發小時數
  1.2  測風及其設備
    1.2.1  風速測量
    1.2.2  風向測量
    1.2.3  配套設備
    1.2.4  測風數據的利用
  1.3  風功率與捕風面積
    1.3.1  風的動能
    1.3.2  風功率與風功率密度
    1.3.3  風力機的捕風面積與風含功率
    1.3.4  風力發電機的效率
  1.4  風能利用與風頻圖
    1.4.1  風頻圖與12m/s額定風速的來由
    1.4.2  風頻圖是怎樣得到的
    1.4.3  根據什麼確定額定風速
    1.4.4  怎樣決定風力機的捕風面積
    1.4.5  輕風起動與輕風的利用價值
  1.5  因地制宜使用風力發電機
    1.5.1  風力機的地域適應性問題
    1.5.2  高空取能
  1.6  度電成本
    1.6.1  各種電源的度電成本
    1.6.2  風電的度電成本
  1.7  中小型風力發電機的應用場合
  1.8  年平均風功率密度
    1.8.1  定義
    1.8.2  風資源分級
  思考題
  參考文獻
第2章  風力機概述
  2.1  歷史上的風力機
  2.2  風力機的種類
    2.2.1  水平軸風力機
    2.2.2  垂直軸風力機
  2.3  詞語解釋
  2.4  風力機的一般規律
    2.4.1  風力機的幾個工作狀況
    2.4.2  控制的意義

  2.5  風力機的「天敵」
    2.5.1  飛車
    2.5.2  共振
  2.6  風力機常用概念
    2.6.1  葉尖速比
    2.6.2  功率曲線
    2.6.3  風能利用係數與貝茨極限
  2.7  風力機的一般參數
    2.7.1  風力機的起動風速、工作風速、安全風速
    2.7.2  風輪參數與實度
  2.8  中小型風力發電設備的配置與使用
    2.8.1  併網使用
    2.8.2  離網使用
  2.9  怎樣評判風力機
    2.9.1  易於操作的評判指標
    2.9.2  評判指標解釋
    2.9.3  補充指標
  2.10  相關標準
  思考題
  參考文獻
第3章  風力機原理概述
  3.1  風力機各部分的關係
  3.2  風力機原理框架及構造體系概述
    3.2.1  空氣動力原理
    3.2.2  機械系統
    3.2.3  電氣系統
    3.2.4  控制系統
  3.3  空氣動力的產生
  3.4  翼型
    3.4.1  流線型翼型知識
    3.4.2  翼型怎樣產生升力
    3.4.3  水平運動物體的阻力係數
    3.4.4  升力係數與阻力係數
    3.4.5  升力、阻力的計算
    3.4.6  對稱翼型
  3.5  翼型的全攻角解讀
  3.6  相對風速
  3.7  葉素分析—空氣動力分析的基本方法
    3.7.1  取葉素
    3.7.2  抓住4條線及其相互關係
    3.7.3  風速三角形
  3.8  水平軸葉片空氣動力原理
    3.8.1  受力三角形
    3.8.2  水平軸槳葉分段空氣動力計算
    3.8.3  水平軸槳葉整葉受力分析
    3.8.4  計算葉片空氣動力的目的
    3.8.5  關於空氣動力計算幾個問題的處理
  3.9  水平軸風力機與垂直軸風力機分析方法的不同
  3.10  轉動慣量
  3.11  關於雷諾數的解讀

本章小結
  思考題
  參考文獻
第4章  中小型水平軸風力機原理
  4.1  葉片角度
    4.1.1  作圖觀察扭角
    4.1.2  計算扭角
  4.2  水平軸風輪的起動與運行
    4.2.1  風力機轉動的力來源於切向力
    4.2.2  定槳水平軸葉片的起動力
    4.2.3  變槳水平軸葉片的起動力
    4.2.4  停機保護時的槳角
    4.2.5  變槳機構
    4.2.6  功率控制邏輯
  4.3  水平軸風力機葉片的受力
    4.3.1  氣動力
    4.3.2  離心力
    4.3.3  軸向力的簡易計算
  4.4  中小型機基本結構
    4.4.1  中型機結構
    4.4.2  小型機結構
  4.5  最簡結構怎樣解決功率限制問題
    4.5.1  用控制器控制
    4.5.2  風輪側偏的功率限制方式
    4.5.3  尾舵板飄擺功率限制方式
    4.5.4  折尾式功率限制方式
  4.6  水平軸風力機控制器、逆變器的相關功能
    4.6.1  水平軸風力機的起動情況
    4.6.2  控制器是如何滿足起動要求的
  4.7  電氣匹配與管理使用
    4.7.1  電池失效問題
    4.7.2  離網設備的電壓匹配問題
    4.7.3  風光互補離網設備的電壓匹配問題
    4.7.4  併網逆變器的功率點設置
  4.8  最大功率跟蹤
    4.8.1  發電機的電磁阻力
    4.8.2  控制電流，變阻抗運行
    4.8.3  最大功率跟蹤的思路
    4.8.4  大功率開關管
    4.8.5  開關逆變與脈寬調製
    4.8.6  脈寬調製的控制信號
    4.8.7  超過額定功率時的控制
  思考題
  參考文獻
第5章  中小型水平軸風力機的探討
  5.1  小型機設計、應用的若干問題
    5.1.1  平衡問題
    5.1.2  尾舵與輪轂結構問題
    5.1.3  機械制動與控制問題
    5.1.4  技術與非技術問題

  5.2  中小型水平軸風力機的課題
    5.2.1  加長葉片
    5.2.2  改變葉片形狀
    5.2.3  水平軸的一軸多機模式
  5.3  一個小型水平軸風力機村級電站案例
    5.3.1  項目概況
    5.3.2  項目問題
    5.3.3  查明問題
    5.3.4  項目的教訓
    5.3.5  建設鄉村級小微型風電站應有的做法
    5.3.6  疑問
  思考題
第6章  垂直軸風力機概述
  6.1  升力型垂直軸風力機介紹
  6.2  升力型垂直軸風力機的歷史
    6.2.1  大型達里厄型垂直軸風力機曾併網運營
    6.2.2  為什麼頂部拉繩式Φ形垂直軸風力機會退出歷史舞台
    6.2.3  落地是優勢還是劣勢
  6.3  升力型垂直軸風力機的結構及特點
    6.3.1  基本結構
    6.3.2  關於磁懸浮
    6.3.3  葉片材料
  6.4  為什麼是直葉片
  6.5  升力型垂直軸風力機的翼型
  6.6  垂直軸風力機的優點
本章小結
  思考題
第7章  升力型垂直軸風力機原理詳解
  7.1  垂直軸與水平軸風輪的本質不同
  7.2  葉片旋轉一周總覽
  7.3  從3葉風輪的分圖看風速三角形
    7.3.1  以3葉風輪的分圖進行分析
    7.3.2  對稱翼型的擴展攻角
  7.4  垂直軸風輪是怎樣起動的
    7.4.1  阻力起動力計算
    7.4.2  升力起動力計算
    7.4.3  阻力起動推理
    7.4.4  起動阻力矩計算
    7.4.5  垂直軸風力機起動計算的步驟
    7.4.6  不能起動的情形
  7.5  垂直軸風輪是怎樣運行的
  7.6  垂直軸空氣動力計算
    7.6.1  求相對風速Vw
    7.6.2  求攻角α
    7.6.3  求投影角β、切向力Fq
  7.7  求輸出功率的一般式
    7.7.1  風力發電機輸出功率
    7.7.2  風力發電機效率式
  7.8  徑向力
    7.8.1  徑向力的分析

    7.8.2  徑向力—水平推力的計算
    7.8.3  水平推力的頻率
    7.8.4  計算實例
本章小結
  思考題
第8章  垂直軸風力機的結構與受力
  8.1  垂直軸風力機的常見機身結構
    8.1.1  單發電機的機身結構
    8.1.2  多發電機的機身結構
  8.2  機體易破壞位置
  8.3  簡易校核概述
  8.4  受力分析計算
    8.4.1  機體上力的作用點
    8.4.2  機體、塔柱受力計算
  8.5  機體彎曲應力簡易校核舉例
    8.5.1  機體校核舉例
    8.5.2  塔柱校核舉例
  8.6  直葉片的受力分析
    8.6.1  直葉片受力損壞的情形
    8.6.2  直葉片的離心力分析
  8.7  直葉片的受力校核
    8.7.1  怎樣校核流線型葉片
    8.7.2  葉片校核舉例
本章小結
本章要點
  思考題
第9章  升力型垂直軸風力機的設計
  9.1  設計思想
    9.1.1  追求較高的葉尖速比
    9.1.2  安全生存的目標
    9.1.3  造價要低、結構要簡
    9.1.4  便於風場組裝、運輸和吊裝
  9.2  怎樣規劃風力機
    9.2.1  風輪參數規劃
    9.2.2  風輪轉速與發電機參數的規劃
  9.3  垂直軸風力機的機體參數的計算
  9.4  軸承參數及載荷考察
  9.5  關於加工
    9.5.1  法蘭-圓管焊合結構體
    9.5.2  軸柱體的製作要求
    9.5.3  關於齒輪嚙合精度
    9.5.4  齒圈材料
    9.5.5  齒輪校核
    9.5.6  齒輪的簡便校核方法
  9.6  零部件設計
    9.6.1  軸承選用
    9.6.2  選定鋼材
    9.6.3  選定軸柱體機身直徑
    9.6.4  傳動方式的設計
    9.6.5  關於葉片設計

    9.6.6  不鏽鋼焊合式鈑金葉片
  9.7  防雷設計
  9.8  地基設計
第10章  設計實例
  10.1  規劃
  10.2  計算載荷
    10.2.1  動態水平推力
    10.2.2  靜態水平推力
  10.3  機體設計
    10.3.1  求鋼管軸尺寸
    10.3.2  求軸承規格
    10.3.3  軸的設計
  10.4  葉片設計
  10.5  支臂設計
  10.6  傳動設計
  10.7  防雷設計
  10.8  阻力輪設計
  10.9  塔柱設計
  10.10  吊裝設計
  10.11  氣動減速方案
第11章  垂直軸風力機的研發
  11.1  技術路線的選擇
    11.1.1  三層選擇
    11.1.2  關於機型的選擇
    11.1.3  實度的選擇
    11.1.4  葉片厚度的選擇
  11.2  技術布局的必要性
  11.3  技術布局的內容
    11.3.1  落實試驗風場
    11.3.2  定好控制模式、決定控制系統
    11.3.3  選定數據採集系統
    11.3.4  加工、監造與吊裝
    11.3.5  組織研發班子
    11.3.6  制定評判標準
  11.4  模擬風動試驗
    11.4.1  車載風動試驗
    11.4.2  風口吹風試驗
    11.4.3  風洞試驗
    11.4.4  簡易風洞
    11.4.5  簡易風洞實測記錄（5個記錄例）
  11.5  飽和轉速法
  11.6  一個9m2風洞設計案例
    11.6.1  設計簡易風洞應知事項
    11.6.2  設計案例
  11.7  破壞性試驗
    11.7.1  未經檢驗結果慘遭風毀的案例
    11.7.2  找到首個破壞點
    11.7.3  拖動試驗
    11.7.4  檢驗后再宣傳
  11.8  加工不合格危害研發的案例

第12章  關於垂直軸風力機的探討
  12.1  低風速機型
  12.2  軸柱抗傾覆
  12.3  葉片抗彎
  12.4  氣動減速問題
    12.4.1  阻力減速法
    12.4.2  破壞升力法
    12.4.3  氣動減速方面的現狀
  12.5  安裝角問題
  12.6  非對稱葉片問題
  12.7  功率做大的問題
  12.8  葉端的壓差損失
  12.9  造價與微風發電等問題
第13章  阻力型垂直軸風力機
  13.1  什麼是阻力型風輪
  13.2  薩沃紐斯阻力輪
    13.2.1  S輪的實機野外實測數據
    13.2.2  S輪風洞試驗數據
  13.3  分離風鬥式阻力輪
  13.4  轉帆式阻力輪
    13.4.1  特點概述
    13.4.2  轉帆式阻力輪是怎樣工作的
    13.4.3  轉帆式阻力輪的分析計算
    13.4.4  轉帆式阻力輪為什麼用平板
  13.5  可對風的遮擋式阻力輪
    13.5.1  遮擋式阻力輪的計算
    13.5.2  遮擋式阻力輪宜採取3風板
    13.5.3  遮擋式橫軸阻力輪
  13.6  翻身風鬥式阻力輪
    13.6.1  翻身風鬥式阻力輪的工作機理
    13.6.2  小結：一整圈風鬥姿態與出力狀況
    13.6.3  雙風鬥自動對風可行性分析
    13.6.4  3風鬥自動對風可行性分析
    13.6.5  出力和效率分析
  13.7  其他阻力輪
  13.8  極地應用——阻力輪可能的應用場合
    13.8.1  極端風況下利用風能必須做專門研究
    13.8.2  極地可採用的阻力型風力機
    13.8.3  一個極地小微電站的構成
  思考題
  參考文獻
第14章  國內垂直軸風力機的探索歷程
  14.1  概述
  14.2  大型機的探索
    14.2.1  拉繩式達里厄型機
    14.2.2  獨立塔柱式達里厄型機
    14.2.3  H形8葉大型機
    14.2.4  雙葉組H形大型機
  14.3  中小型機的興起
    14.3.1  達薩機的流行

    14.3.2  純升力直5葉H形機的流行
    14.3.3  10kW達薩型樣機設計
    14.3.4  35kW達薩型樣機設計
  14.4  近年來的發展
    14.4.1  直葉升阻結合H形機成為主流
    14.4.2  垂直軸風力機市場的新形勢
  14.5  其他方面的探索
    14.5.1  塔柱上裝機的問題
    14.5.2  樓頂上裝機的問題
  14.6  應留下的思考
  思考題

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