第1章风与风能1

1.1风1

1.1.1风的形成1

1.1.2风向与风速2

1.2风能5

1.2.121世纪的最主要能源5

1.2.2风能密度7

1.2.3风能密度计算方法7

1.2.4地球上风能资源分布7

1.2.5我国风能资源分区9

1.2.6风能的三级区划指标体系11

1.2.7风资源描述的基本理论12

1.3风电场选址22

1.3.1风电场选址的技术原则22

1.3.2风电场现场位置选择对策23

1.4风电场风能资源评估25

1.4.1风电场风能资源测量方法25

1.4.2风电场风能资源评估方法27

第2章风能发电31

2.1风力机的型式31

2.1.1水平轴式风力发电装置32

2.1.2垂直轴式风力机33

2.2风能发电34

2.3并网风力发电的价值分析36

2.3.1并网风力发电的价值分析36

2.3.2风电项目可行性研究38

2.4风力发电装置38

2.4.1风轮38

2.4.2调速器和限速装置39

2.4.3调向装置41

2.4.4传动机构41

2.4.5塔架42

2.5大中型风电场设计42

2.5.1风力资源评估所需的基本资料42

2.5.2风力发电场址的选择42

2.5.3风力发电机组选型和布置44

2.5.4风力发电机布置和风能计算45

2.5.5风力发电机基础46

2.5.6风力发电场的经济效益和社会效益评价47

2.6风力发电设备的优化分析48

2.6.1优化选型因素分析48

2.6.2财务预测结果49

2.7风力机安全运行50

2.7.1风力机运行流程50

2.7.2正常运行过程51

2.7.3运行安全性53

2.7.4安全性方针53

2.7.5风力机载荷设计54

2.7.6风轮机与航空安全问题55

第3章风力发电技术56

3.1功率调节56

3.1.1定桨距失速调节56

3.1.2变桨距角调节56

3.1.3混合调节58

3.2变转速运行58

3.2.1影响风力机功率的因素58

3.2.2变转速运行的特点59

3.3发电机变转速/恒频技术59

3.3.1并网运行风力机频率恒定问题59

3.3.2变转速/恒频风力机用发电机61

3.4风轮机迎风技术61

3.4.1风轮机风向跟踪原理61

3.4.2风轮机风向跟踪方法62

3.5风电品质62

3.5.1风力机改善风电品质的方法62

3.5.2发电机和电网接口功能62

3.6风力机结构和空气动力学63

3.6.1风力机结构设计63

3.6.2风力机气动力学设计63

3.7风力机控制技术63

3.7.1风力发电系统模型描述63

3.7.2风力发电系统自适应控制器64

3.7.3风力发电系统模糊控制64

第4章风力机设计规范65

4.1风力机整机设计规范65

4.1.1风力发电机组整机技术要求65

4.1.2其他环境条件66

4.1.3电网条件67

4.2风轮机叶片、轮毂设计规范67

4.2.1叶片设计要求67

4.2.2叶片设计规范67

4.2.3轮毂设计68

4.3风轮机叶片设计69

4.3.1设计要求69

4.3.2环境适应性70

4.3.3安全和环保71

4.3.4叶片材料要求71

4.4风轮机叶片试验、验收规范73

4.4.1试验方法73

4.4.2检验规则及验收77

4.4.3叶片的标志和使用维护说明书78

4.4.4.叶片包装、贮存、运输78

第5章风轮机设计79

5.1风轮机的基本理论79

5.1.1风性能描述79

5.1.2风能和风的能量密度80

5.1.3风能利用系数81

5.1.4风轮机的桨叶设计82

5.1.5风轮机的空气动力特性84

5.2风力机设计要求85

5.2.1风力机设计安全等级85

5.2.2一般等级风力机的安全系数和强度分析86

5.2.3风力机设计要求88

5.2.4风力机整机技术要求106

5.2.5齿轮箱技术要求107

5.2.6塔架技术要求107

5.2.7风轮叶片技术要求108

5.3风轮机工程设计112

5.3.1风轮机工程设计方法112

5.3.2风力机的各种设计方案116

5.4风轮机优化设计117

5.4.1风轮机优化设计原理117

5.4.2风轮机优化设计举例118

5.5风轮机模化设计121

5.5.1风轮机模型及特性121

5.5.2风轮机模化设计方法121

5.6风轮机工程设计图例122

5.7风轮机的设计与制造123

5.7.1功率设计124

5.7.2风轮设计129

5.7.3齿轮箱和刹车机构135

5.7.4电器系统和发电系统设计137

5.7.5机舱和对风控制140

5.7.6塔架设计143

5.7.7弹性体系统动态振动设计145

5.7.8功率和转速调节147

5.7.9风力机成本分析154

5.8风轮机材料155

5.8.1风轮机用材料155

5.8.2各种风轮机材料157

5.9风力机设计风速问题159

5.9.1设计风速问题159

5.9.2风电场优化161

第6章风轮机和风电场数值计算164

6.1风电场数值模型164

6.1.1流体力学的控制方程164

6.1.2守恒形式的控制方程组164

6.1.3补充方程166

6.1.4边界条件166

6.1.5控制方程离散-有限差分法166

6.2风轮机设计软件168

6.2.1软件计算举例168

6.2.2计算结果及分析169

6.3风电场数值计算软件包171

6.3.1典型风电场数值计算软件包171

6.3.2Bladed软件包计算功能171

6.4风力机设计软件包的开发174

6.4.1风力发电机设计软件包174

6.4.2软件包模块和数据库174

6.4.3风力机空气动力学研究175

6.4.4风力机动态测试方法的研究176

6.4.5储能方法的研究176

6.4.6小型风电场规划方法的研究177

6.5风力机可靠性数值研究177

6.5.1风力机在恶劣环境下的可靠性研究177

6.5.2风力机抗台风设计181

第7章大型风力机设计184

7.1250～1200kW风力机系列184

7.1.1S系列风力机技术参数184

7.1.2NA系列风力机技术参数185

7.21000kW级风力机设计186

7.2.1FD60A型风力机设计186

7.2.2V52-850kW风力机设计200

7.2.31200kW级风力机设计201

7.31500kW级风力机设计202

7.3.1FD70A/ FD77A风力机设计202

7.3.2S70/S77风力机设计209

7.3.3V82-1650kW风力机设计212

7.42000kW级风力机设计214

7.4.1R82/2000kW风力机设计214

7.4.2V90-1800/2000kW风力机设计215

7.4.3V80-2000kW风力机设计217

7.52500kW级风力机设计219

7.5.1FD90/2500kW型风力机设计219

7.5.2N80、N90风力机设计223

7.63000kW级风力机设计226

7.6.1W90/3000kW风力机设计226

7.6.2V90-1-3000kW风力机设计226

7.6.3V112-1- 3000kW风力机设计228

7.75000kW级风力机设计229

7.7.1FC/5000/126-136风力机设计229

7.7.2R-5M风力机设计232

7.7.3R系列大型风力机233

7.8超大型风力发电机设计235

7.8.1西门子6.0MW海上风力发电机235

7.8.2三菱重工7MW海上风力发电机236

7.8.3美国超导10MW海上风力发电机236

7.8.4超大型风力发电机概念设计237

7.9我国大型风力发电机组发展趋势239

第8章风力机发电系统242

8.1风力机对发电系统的一般要求242

8.1.1风力机发电系统的特殊性242

8.1.2一般要求242

8.2恒速/恒频发电机系统242

8.2.1同步发电机243

8.2.2感应发电机243

8.3变速/恒频发电机系统245

8.3.1不连续变速系统245

8.3.2连续变速系统246

8.4小型直流发电系统248

8.4.1交流永磁发电机248

8.4.2无刷爪极自励发电机249

第9章特殊用途风力机设计250

9.1海上用风力机设计250

9.1.1近海风电场技术251

9.1.2浅海风电场投资概算256

9.1.3海上风力发电技术257

9.1.4漂浮式海上风电场259

9.1.5海上风力机260

9.2低温地区风力机设计266

9.2.1低温环境对风力发电机组的影响266

9.2.2低温对风轮机叶片的影响268

9.3高原高寒地区风力机设计269

9.3.1高原环境空气密度对风力发电的影响269

9.3.2高原环境大气温度对风力发电的影响269

9.3.3高原雷暴的影响270

9.3.4其他因素的影响270

9.3.5高原风力机设计改进措施271

9.4免齿轮箱式直接驱动型风力机设计272

9.4.1直接驱动式风力机原理272

9.4.2变速直驱永磁发电机控制系统274

9.4.3离网型低速永磁发电机278

9.4.4直接驱动型风力机组 280

9.5太阳能烟囱热能风力发电系统282

9.5.1太阳能发电技术282

9.5.2太阳能烟囱热能风力发电系统284

9.5.3热能风力涡轮机与风力机285

9.5.4太阳能烟囱发电系统工程计算方法289

9.5.5热能风力涡轮机设计292

9.5.6太阳能烟囱电厂热能风力涡轮机方案293

第10章垂直轴风力机295

10.1概述295

10.1.1垂直轴风力机295

10.1.2垂直轴风力机结构特点297

10.1.3升力型垂直轴风力机气动原理298

10.1.4垂直轴风力机叶片设计300

10.1.5垂直轴风力机与水平轴风力机比较301

10.2达里厄风轮叶片型线设计303

10.2.1风轮Troposkien曲线方程303

10.2.2风轮Troposkien曲线设计305

10.3达里厄风轮气动性能计算模型306

10.3.1单流管模型307

10.3.2多流管模型308

10.3.3双向多流管模型310

10.4达里厄风力机设计315

10.4.1风轮设计315

10.4.2结构设计316

10.4.3500kW垂直轴风力发电机设计317

10.4.4兆瓦级垂直轴风力机设计参数319

10.4.5垂直轴风力机典型设计数据319

10.5垂直轴风力机的应用和发展325

10.5.1垂直轴风力机的应用325

10.5.2垂直轴风力机的缺点328

10.5.3达里厄风力机设计发展趋势329

10.5.4垂直轴风力机发展对策333

附录334

附录1风力等级和风压计算334

附录2小型风力机技术数据335

附录3风力机技术术语规范和定义336

附录4风力发电装置国家和国际标准344

附图1中国风能分布图345

附图2风速大于3m/s的有效风功率密度分布图346

附图3中国全年风速大于3m/s的小时数分布图346

参考文献3472100433B

《风能与风力发电技术（第3版）》介绍了有关风力发电的基本知识和技术，通俗地分析了风的形成、风的分类和风能定量评估。详细阐述了风轮机的基本工作原理、工程设计方法和风轮机优化设计；对风轮机的结构、空气动力学特性、安全运行、风力机发电系统及风轮机材料等，进行了说明和分析；同时论述了风力机设计要求、大型风力机设计和特殊用途用风力机（海上风力机、低温风力机、高原风力机和直接驱动式风力机）等。还对风轮机的一些特殊问题，例如变速/恒频技术、迎风调节、风轮叶片材料和制造、风电场优化分析、风资源对性能的影响等搜集了大量的数据资料供参考查询。本书第三版除全部订正了和时间相关的数据外，又增加了风力机设计规范、5MW以上的超大型风力机典型设计数据和垂直轴风力机等内容。使本书更全面、更具工程参考价值，对风电业各类从业人员更加适用。

本书适合于从事风电领域工作的工程师和设计技术人员阅读参考，也适合作为高等院校热动力专业的教学参考书。对想了解风能发电的读者也是一本极好的科普读物。

本书第2版自2008年问世至今已经走过6个年头，承蒙很多高校材料力学教学第一线的老师和同学以及业余读者的关爱和支持，已经连续印刷了10次。 2012年获得清华大学优秀教材特等奖；同年，相应的教学成果获得北京市高等学校优秀教学成果一等奖。2012年本书第3版被列入 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材；2013年被批准为清华大学“985”三期名优教材建设项目立项。

最近的6年里，著者秉承不断提高课程重量、着力培养学生创新思维能力的教育与教学理念，先后在清华大学、南京航空航天大学、北京工业大学以及北京邮电大学从事“材料力学”研究型教学的研究与实践，坚持全过程讲授这门课程，授课对象每年约200名。在同事和同学们的支持与帮助下，对于教育和教学改革又有了一些新的体会和收获。材料力学（第3版）将着重反映6年来我们在研究型教学方面所取得的成果。主要有: 怎样在基于普遍提高教学质量的基础上，培养学生的创新思维能力；怎样提高课程的吸引力，增强课程教学的学术性；怎样挖掘基本教学内容的深度；怎样对传统内容中的某些概念、理论和方法加以改革和更新，突出挑战性。基于此，本书第3版修订的主要内容有以下几方面。

第一，调整了部分章节，将材料的力学性能从“第2章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题”中独立出来，形成“第3章 常温静载下材料的力学性能”； 重写了“剪力图与弯矩图”作为第6章；将原来的第6章分为3章: “第7章 平面弯曲正应力分析与强度设计”和“第8章 弯曲剪应力分析与弯曲中心的概念”以及“第9章 斜弯曲、弯曲与拉伸或压缩同时作用时的应力计算与强度设计”；将原来的第8章分为: “ 应力状态与应变状态分析”和“一般应力状态下的强度设计准则及其工程应用”，分别列为第11章和12章；将原来的12章也分为两章: “动载荷与动应力概述”和“疲劳强度与构件寿命估算概述”，分别列为第16章和第17章。

第二，增加了部分教学内容，主要有: 部分非金属材料的力学性能；梁的位移叠加法中的逐段刚化法；应变分析；细长压杆实验结果；线性累积损伤与疲劳寿命估算等。

第三，将力系简化的方法引入横截面的内力分析，改革传统剪力图与弯矩图的画法。

第四，正确处理变形与位移概念的联系与区别，将确定梁的转角和挠度的章节名改为“梁的位移分析与刚度设计”。

第五，在部分章节引入“反问题”: 相对于正问题，反问题的解答不是唯一的，通过对于反问题的思考，一方面可以加深对于正问题的理解；另一方面可以激励创新思维。

第六，在部分章节设计了“开放式思维案例”作为学生课外学习和研究的资源。最近几年的教学实践表明，这对于刺激思维鼓励创新是一种有效的措施。材料力学（第3版）第七，增加了若干工程案例以及灾难性工程事故的力学解析。

第八，增加和改变了部分例题和习题。

随着课程研究型教学在更多高校开展、深入和发展，材料力学的课程教学以及教材建设还会遇到一些新问题，我们将一如既往地坚持“在教学中研究，在研究中教学”，以不断提高人才培养质量为己任，在教学实践的基础上，不断提高材料力学教材的质量。

这一版的初稿于2012年下半年—2013年上半年在国内完成；2013年7—8月在加拿大多伦多定稿。定稿期间，得到旅加的赵渊先生和范心明女士的大力支持和协助，在本书出版之际，著者谨表诚挚谢意。

诚挚地感谢广大读者对本书的关爱，希望大家对本书的缺点和不足提出宝贵意见。

范钦珊2014.1.11

• 课程资源

《建筑CAD（第3版）》数字课程的数字化资源为教材配套图纸CAD文件、工程案例、拓展模块等。

《建筑CAD（第3版）》配有二维码资源。

《Ansys入门（第3版）》是中国电力出版社出版的书籍。

序

第1章 CAE及ANSYS概述

1.1 计算机辅助分析概论

1.2 有限元素法简介

1.3 ANSYS软件结构

1.4 ANSYS软件界面说明

1.5 ANSYs0nLineHelp系统 2100433B