本書旨在介紹一些關(guān)于風(fēng)力機設(shè)計的基本原理。在不同的章分別討論了風(fēng)力機性能的分析方法、風(fēng)力機的改善途徑、故障診斷以及如何調(diào)整風(fēng)力機在使用中出現(xiàn)的不利因素。本書的內(nèi)容被分為５個部分：第１部分主要介紹風(fēng)力機葉片的設(shè)計，第２部分對發(fā)電機和齒輪系統(tǒng)進行了詳細(xì)的介紹，第３部分關(guān)注于風(fēng)力機塔架及其基礎(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)力機在環(huán)境方面的問題。
在第１章中，詳細(xì)介紹了風(fēng)力機葉片設(shè)計技術(shù)的最新進展。這包括理論上的最大效率、推動力、實際效率、水平軸風(fēng)力機（ＨＡＷＴ） 葉片設(shè)計和葉片載荷等。
Ｓｃｈｕｂｅｌ和Ｃｒｏｓｓｌｅｙ提供了一張風(fēng)力機葉片的完整設(shè)計圖，并顯示出了水平風(fēng)輪的優(yōu)勢，而這種風(fēng)輪幾乎為現(xiàn)代風(fēng)力機所專用。關(guān)于現(xiàn)代風(fēng)力機葉片的空氣動力學(xué)設(shè)計理論已經(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。本章對風(fēng)力機葉片的負(fù)載設(shè)計進行了詳細(xì)的討論，描述了其在空氣動力、重力、陀螺作用和運行等條件下的情況。
Ｏｈｙａ和Ｋａｒａｓｕｄａｎｉ已經(jīng)開發(fā)出了一種新的風(fēng)力機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是由一個在氣流出口外圍使用了寬的環(huán)形邊緣的擴散器護罩和設(shè)于其中的風(fēng)力機所構(gòu)成（見第２章）。這種使用了將擴散器延伸至邊緣的帶護罩的風(fēng)力機，已被證明在給定了風(fēng)力機的直徑和風(fēng)速的條件下，其功率可被擴大到裸露風(fēng)力機功率的２～５倍。這是因為在一個低壓區(qū)域，由于在寬闊邊緣的后面會形成一個很強的渦流，這使得擴散器內(nèi)的風(fēng)力機可吸入更多的質(zhì)量流。
根據(jù)生態(tài)設(shè)計的考慮和綠色制造業(yè)的要求，對于生產(chǎn)由復(fù)合材料制造的風(fēng)力機葉片，其成型工藝的選擇必須存在一個公共的區(qū)域。這個區(qū)域是由質(zhì)量、健康和環(huán)境幾個方面同時作用、交叉產(chǎn)生的。這個公共區(qū)域可通過生態(tài)替代使其最大化，以便能最小化對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生的不利影響。讓我們記住這一點，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，是因為這種方法有助于減少像苯乙烯蒸氣這類揮發(fā)性有機化合物（ＶＯＣ）的排放。并且我們希望風(fēng)力機葉片產(chǎn)品能同時達到高質(zhì)量，有良好的機械性能，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)點外，可持續(xù)發(fā)展問題和生態(tài)設(shè)計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)力機葉片的綠色設(shè)計方法。
Ⅵ　風(fēng)力機技術(shù)及其設(shè)計第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（ＶＡＷＴ）翼型截面的全自動化過程。這是為了當(dāng)實施標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力機設(shè)計而受限于葉尖速度比、風(fēng)輪實度和葉片輪廓時，能最大化轉(zhuǎn)矩。在固定風(fēng)力機的葉尖速度比的情況下，存在一個翼型截面和一個風(fēng)輪實度，可使轉(zhuǎn)矩最大，這需要開發(fā)一種迭代設(shè)計系統(tǒng)。最大轉(zhuǎn)矩所需的設(shè)計系統(tǒng)融合了快速幾何形狀生成和自動化混合網(wǎng)格生成工具，其具有黏性的、不穩(wěn)定的計算流體動力學(xué)（ＣＦＤ） 仿真軟件。模塊化設(shè)計和仿真系統(tǒng)的靈活性及自動化特點，可以使它很容易與并行微分進化算法相結(jié)合，這種算法可用于獲得優(yōu)化的葉片設(shè)計。而這種設(shè)計可以最大化風(fēng)力機效能。
在第５章中，Ｈａｂａｓｈ和他的同事對使用感應(yīng)發(fā)電機以增強小型風(fēng)能變換器（ＳＷＥＣ）的效果，進行了理論和實驗評估。使用這種發(fā)電機后，小型風(fēng)能變換器的工作更加有效，因此在風(fēng)力機所占的單位面積內(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，在一定的運行條件下進行仿真和實驗測試。
若感應(yīng)發(fā)電機具有輔助繞組，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)電機后可以顯著增加輸出功率。它同時也顯示出，在使用了這種新技術(shù)后，感應(yīng)發(fā)電機的性能得到顯著提高。這主要表現(xiàn)在抑制信號畸變、諧波、嚴(yán)重的電阻損耗、過熱，改善功率因數(shù)和開始時的電流涌入等。
齒輪箱是風(fēng)力機系統(tǒng)中一個非常昂貴的組件。為了能完善設(shè)計并增加長期的穩(wěn)定性，需關(guān)注利用時域進行仿真，以預(yù)測齒輪箱的負(fù)載設(shè)計。第６章，由Ｄｏｎｇ和其同事所完成。在這一章中，有三個時間域上的問題是在動態(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)計不確定性效應(yīng)歸因于時域仿真；③簡化了在動態(tài)條件下齒輪的接觸疲勞分析。這里提出了一些應(yīng)對這些問題的建議。而這些建議是基于美國國家可再生能源實驗室（ＮＲＥＬ） 的７５０ｋＷ陸基“齒輪箱可靠性綜合項目”（ＧＲＣ）�★L(fēng)力機所提出的。
利用恰當(dāng)?shù)恼駝酉到y(tǒng)模型和分析，像塔架、傳動系統(tǒng)、大型風(fēng)力機的風(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)估計技術(shù)（ＮＳＥＴ）應(yīng)用于建模塔架振動中得到了很好的效果。這有助于理解塔架振動的動態(tài)特性以及主要的影響因素。成熟的塔架包括兩個不同的部分：一個是用于低于額定風(fēng)速的子系統(tǒng)，另一個是用于高于額定風(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月在一個單獨的風(fēng)力機上采集到的。模型的校驗在隨后被提出和實施。這個研究證明了非線性狀態(tài)估計技術(shù)處理塔架振動時的效果；特別是，它概念簡單，物理解釋清晰并且準(zhǔn)確性高。隨后一種成熟的、經(jīng)過驗證的塔架振動模型被成功地用于檢測葉片角的非對稱性。而葉片角非對稱是一種常見的缺陷，為了改善風(fēng)力機性能和限制疲�　。牵遥脼槊绹鴩�家可再生能源實驗室（ＮＲＥＬ） 的一個有關(guān)風(fēng)電的實驗項目（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，就需要馬上彌補這種缺陷。振動信號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。這個工作也表明，若信息是來自于上述這樣的振動信號，則監(jiān)控狀態(tài)可以得到顯著的改善。
當(dāng)風(fēng)力機的尺寸增加并且它們的機械部件被造得更輕時，結(jié)構(gòu)載荷的減小就變成了風(fēng)力機控制以及最大化捕獲風(fēng)能所要面對的最大任務(wù)。在第８章中，Ｐａｒｋ和Ｎａｍ提出了一套獨立集合算法和獨立變槳距控制算法。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刻控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片轉(zhuǎn)矩。當(dāng)可以同時分別進行單獨變槳距控制和統(tǒng)一變槳距控制時，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)一和獨立變槳距控制器達到了非常好的風(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)力機的發(fā)電控制。提出了一種動態(tài)顫振轉(zhuǎn)矩控制和一種比例積分（ＰＩ）變槳距控制策略，并且驗證使用了美國國家可再生能源實驗室的風(fēng)力機仿真ＦＡＳＴ（疲勞、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)和湍流） 代碼。驗證結(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)況下對于所有其他的狀態(tài)變量（風(fēng)力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)速；控制變量平穩(wěn)和充分的演變）展示出了較高的性能。為強調(diào)所提出方法對問題的改善，將這種控制器與以前發(fā)表的相關(guān)研究進行了比較。
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)計策略。這種控制器是基于Ｈ!標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力機中的簡化應(yīng)用。風(fēng)力機模型在風(fēng)力機設(shè)計軟件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)力機為基礎(chǔ)的。所設(shè)計的控制策略工作于高于額定發(fā)電區(qū)域，并且可以進行發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制以及可以在驅(qū)動機構(gòu)和塔架上減小負(fù)載。為達到上述目標(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)定點變量以達到強制控制的目標(biāo)。所使用的線性模型生成于ＧＨＢｌａｄｅｄ４�保埃�但是控制設(shè)計方法學(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行設(shè)計，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)過了驗證并且對其進行了詳盡的分析，以便能計算出在風(fēng)力機組件上疲勞負(fù)載的減小，同時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行了比較。這種基本控制策略設(shè)計用于典型控制方法，并實施于以往的風(fēng)力機中。
電磁干擾（ＥＭＩ）既可以影響兆瓦級風(fēng)力機，同時也可被其發(fā)射。在第１１章中，Ｋｒｕｇ和Ｌｅｗｋｅ給出了在兆瓦級風(fēng)力機上有關(guān)電磁干擾的概述。指出了測量所有類型電磁干擾的可能性。這里對安裝在兆瓦級風(fēng)力機上的發(fā)射器所產(chǎn)生的電磁場進Ⅷ　風(fēng)力機技術(shù)及其設(shè)計行了詳細(xì)的分析。這種蜂窩系統(tǒng)是作為實時通信鏈路在工作的。矩量法被用于分析描述電磁場。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行分析。
以輻射方向圖為基礎(chǔ)，對不同的發(fā)射器的設(shè)置位置進行了評判。本章描述并考慮了主要的電磁干擾機制。
隨著全球?qū)�可持續(xù)化發(fā)展的推動，使得相較于煤及化石燃料，人們對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)力機從風(fēng)中獲取能量。
然而一個使風(fēng)力機不能廣泛應(yīng)用的重要障礙就是風(fēng)力機自身產(chǎn)生的噪聲。由Ｊｉａｎｕ和其同事所著的第１２章，回顧了在風(fēng)力機產(chǎn)生的噪聲領(lǐng)域近年來所取得的進展。
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，其中主要的一個來源是氣動噪聲。氣動噪聲最大的提供者是風(fēng)力機葉片后緣。當(dāng)前對于減小風(fēng)力機噪聲，以及針對于減小風(fēng)力機葉片后緣產(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。