本書旨在介紹一些關于風力機設計的基本原理。在不同的章分別討論了風力機性能的分析方法、風力機的改善途徑、故障診斷以及如何調整風力機在使用中出現(xiàn)的不利因素。本書的內容被分為５個部分：第１部分主要介紹風力機葉片的設計，第２部分對發(fā)電機和齒輪系統(tǒng)進行了詳細的介紹，第３部分關注于風力機塔架及其基礎的問題，第４部分講述其控制系統(tǒng)，最后一部分討論了一些風力機在環(huán)境方面的問題。
在第１章中，詳細介紹了風力機葉片設計技術的最新進展。這包括理論上的最大效率、推動力、實際效率、水平軸風力機（ＨＡＷＴ） 葉片設計和葉片載荷等。
Ｓｃｈｕｂｅｌ和Ｃｒｏｓｓｌｅｙ提供了一張風力機葉片的完整設計圖，并顯示出了水平風輪的優(yōu)勢，而這種風輪幾乎為現(xiàn)代風力機所專用。關于現(xiàn)代風力機葉片的空氣動力學設計理論已經(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。本章對風力機葉片的負載設計進行了詳細的討論，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于其中的風力機所構成（見第２章）。這種使用了將擴散器延伸至邊緣的帶護罩的風力機，已被證明在給定了風力機的直徑和風速的條件下，其功率可被擴大到裸露風力機功率的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，這使得擴散器內的風力機可吸入更多的質量流。
根據(jù)生態(tài)設計的考慮和綠色制造業(yè)的要求，對于生產(chǎn)由復合材料制造的風力機葉片，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）關注于使用樹脂轉換模塑法（ＲＴＭ） 的封閉式模具制作過程。之所以要選擇樹脂轉換模塑法，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。并且我們希望風力機葉片產(chǎn)品能同時達到高質量，有良好的機械性能，低成本和完全避免半殼結合操作，而樹脂轉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)境標準的可接受程度后得到的。這些規(guī)范和標準促成了復合材料的風力機葉片的綠色設計方法。
Ⅵ　風力機技術及其設計第４章，由Ｃａｒｒｉｇａｎ和他的同事所著，旨在介紹和論證一種優(yōu)化垂直軸風力機（ＶＡＷＴ）翼型截面的全自動化過程。這是為了當實施標準的風力機設計而受限于葉尖速度比、風輪實度和葉片輪廓時，能最大化轉矩。在固定風力機的葉尖速度比的情況下，存在一個翼型截面和一個風輪實度，可使轉矩最大，這需要開發(fā)一種迭代設計系統(tǒng)。最大轉矩所需的設計系統(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（ＣＦＤ） 仿真軟件。模塊化設計和仿真系統(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合，這種算法可用于獲得優(yōu)化的葉片設計。而這種設計可以最大化風力機效能。
在第５章中，Ｈａｂａｓｈ和他的同事對使用感應發(fā)電機以增強小型風能變換器（ＳＷＥＣ）的效果，進行了理論和實驗評估。使用這種發(fā)電機后，小型風能變換器的工作更加有效，因此在風力機所占的單位面積內能產(chǎn)生更多的能量。為證明小型風能變換器的性能，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，其結果證明在使用了這種感應發(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后，感應發(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。
齒輪箱是風力機系統(tǒng)中一個非常昂貴的組件。為了能完善設計并增加長期的穩(wěn)定性，需關注利用時域進行仿真，以預測齒輪箱的負載設計。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在低風速條件下，轉矩反向問題；②統(tǒng)計不確定性效應歸因于時域仿真；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力機所提出的。
利用恰當?shù)恼駝酉到y(tǒng)模型和分析，像塔架、傳動系統(tǒng)、大型風力機的風輪這樣的關鍵組件的初發(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（ＮＳＥＴ）應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速的子系統(tǒng)，另一個是用于高于額定風速的子系統(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） 的一個有關風電的實驗項目（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的ＳＣＡＤＡ數(shù)據(jù)（例如功率系數(shù)、風速和風輪負荷）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。
當風力機的尺寸增加并且它們的機械部件被造得更輕時，結構載荷的減小就變成了風力機控制以及最大化捕獲風能所要面對的最大任務。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。這種技術使用了積分作用（ＬＱＲＩ），并利用卡爾曼濾波器來估計系統(tǒng)狀態(tài)和風速。在這一領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輪轉速和葉片轉矩。當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輪轉速管理和負載減小間的平衡問題。仿真結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輪轉速管理效果，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，考慮了在高風速環(huán)境下，變速、變槳距、水平軸風力機的發(fā)電控制。提出了一種動態(tài)顫振轉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力機仿真ＦＡＳＴ（疲勞、空氣動力學、結構和湍流） 代碼。驗證結果顯示所提出的控制器在功率調節(jié)方面有效。并且它在湍流風況下對于所有其他的狀態(tài)變量（風力機和發(fā)電機轉速；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)表的相關研究進行了比較。
第１０章由ＤｉａｚｄｅＣｏｒｃｕｅｒａ和其同事完成，認證了一種多變量和多目標控制器的設計策略。這種控制器是基于Ｈ!標準在風力機中的簡化應用。風力機模型在風力機設計軟件ＧＨＢｌａｄｅ中已很成熟，并且它是以“迎風歐洲” （ＵｐｗｉｎｄＥｕｒｏｐｅａｎ）工程中所定義的５ＭＷ風力機為基礎的。所設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)電機轉速控制以及可以在驅動機構和塔架上減小負載。為達到上述目標，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)生轉距設定點變量以達到強制控制的目標。所使用的線性模型生成于ＧＨＢｌａｄｅｄ４�保�，但是控制設計方法學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�？刂破魍ㄟ^設定混合靈敏度問題進行設計，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，以便能計算出在風力機組件上疲勞負載的減小，同時也分析了在一些極端情況下負載的減小。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計用于典型控制方法，并實施于以往的風力機中。
電磁干擾（ＥＭＩ）既可以影響兆瓦級風力機，同時也可被其發(fā)射。在第１１章中，Ｋｒｕｇ和Ｌｅｗｋｅ給出了在兆瓦級風力機上有關電磁干擾的概述。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力機上的發(fā)射器所產(chǎn)生的電磁場進Ⅷ　風力機技術及其設計行了詳細的分析。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，對不同的發(fā)射器的設置位置進行了評判。本章描述并考慮了主要的電磁干擾機制。
隨著全球對可持續(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力機從風中獲取能量。
然而一個使風力機不能廣泛應用的重要障礙就是風力機自身產(chǎn)生的噪聲。由Ｊｉａｎｕ和其同事所著的第１２章，回顧了在風力機產(chǎn)生的噪聲領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力機葉片后緣。當前對于減小風力機噪聲，以及針對于減小風力機葉片后緣產(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。