《风力机设计理论及方法》教学大纲
风力发电技术基础 教学大纲
风力发电技术基础一、课程说明课程编号：100311Z10课程名称：风力发电技术基础/Fundamentals of Wind Power Technology课程类别：专业教育课程学时/学分：32/2先修课程：工程流体力学、能源系统控制技术适用专业：新能源科学与工程教材: 王亚荣，耿春景等. 风力发电技术[M].中国电力出版社，2012.教材、教学参考书：1.田德. 风能转换原理技术与工程[M]. 待出版2.徐大平. 风力发电原理[M]. 机械工业出版社，2011.3.叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 机械工业出版社，2015.4.黄守道. 直驱永磁风力发电机设计及并网控制[M]. 电子工业出版社，2014.二、课程设置的目的意义风力发电技术基础课程是为新能源科学与工程专业设立的拓展知识体系的专业课，课程的设置目的是让学生通过学习风力发电技术基础这门清洁能源与可再生能源学科的课程，了解风的特性及我国的风能资源分布特点，将风能资源评估、风电厂选址、建设与运行维护联系起来，构建风力发电技术的知识体系，建立风能资源等清洁能源与可再生能源的利用意识，结合本专业的要求，既关注太阳能等清洁能源与可再生能源发展，也关注风能资源开发利用的技术与应用趋势，有利于创新性的开发风能发电的技术与设备，扩展专业领域，为全面从事新能源科学与工程的研究开发工作奠定基础。
三、课程的基本要求知识：掌握风力机的发展史，世界风能发展状况，风的特性及我国的风能资源分布特点，风能资源评估，风力机的基本组成，水平轴并网型风力机的基本工作原理，风电场项目规划与选址，风力机的选型、运输与安装，风电场与电力系统的关系，风能系统的经济评价方式，风能系统的成本构成，以及世界可再生能源状况、全球和中国的可再生能源政策。
能力：风力发电指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式，是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最为成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，对减少温室效应，保持生态平衡，改善电力结构将起到重要作用。
风力机 课程设计
风力机课程设计一、 设计任务1） 基于叶素和动量理论设计设计水平轴风力机叶片； 2） 绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； 3） 绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； 4） 绘制设计风力机的性能曲线；5） 绘制设计叶片的图纸，以及各位置的叶片翼型结构图纸； 6） 编写设计说明书，并附上必要的计算公式 二、 基础理论切向速度： 轴向速度： 叶素合成流速： 入流角：sin Φ=(1)U a w ∞- cos Φ=(1')2r a aΩ+ 攻角：α=Φ-β垂直分力：sin cos y l d C C C =Φ-Φ 水平分力：cos sin x l d C C C =Φ+Φ 迭代方程：22214sin 4sin r rx y a C C a σσ=[()-]-ΦΦ2'14sin r ya C a σ=-Φλμ叶片弦长实度： 22r N c N cR Rσ==ππμ 叶素单位圆环扇面：24()'(1)M U r a a r r δ∞δ=πρΩ-0(1')y V r a =Ω+w ==01(1)x V V a =-风能利用系数表达式： 3212p P C U R ρ∞=π翼型与尖速比的关系：2r l C σλ=风轮直径设计：D =三、 设计流程图四、 计算说明书所选翼型为：NACA 2413 最大升阻比：l dC C = 89.2912l C =0.8513 d C =0.0095表1 风轮直径和转速表2 μ=0.1时迭代结果表3 μ=0.2时迭代结果表4 μ=0.3时迭代结果表5 μ=0.4时迭代结果表6 μ=0.5时迭代结果表7 μ=0.6时迭代结果表8 μ=0.7时迭代结果表9 μ=0.8时迭代结果表10 μ=0.9时迭代结果表11 μ=1时迭代结果表12 p C值校验（C取值为0.4）pP =ΩM ∑= 12820.5180813881×7.8= 100000.041034827W将以上P 值带入，所以 p C 校验值为：3212p PC U R ρ∞=π= 0.399975541775801p C 取值为0.4 所以：p C 误差为p p p C C C ε-=计算假设假设==-0.00611%表13 设计总结c-μ图β-μ图表14C-λ关系p。
风力机设计理论及方法第2章-风力机的类型与结构
（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X为未修改的NACA四、五位数字翼型的表达式；第 一个Y表示前缘半径的大小，第二个Y表示最大厚度 相对位置的10倍数值。
（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小压力 位置的0.5位置处；3表示有利升力系数范围为±0.3； 2表示设计升力系数为0.2；18表示相对厚度为18%。
威海风电场图
2.3、翼型介绍
翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能， 翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。 设计原则：使单位叶素有最大的功率利用系数。
但风力机的工作条件和飞机有较大的区别： 一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大； 另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响， 风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将
国家特许权示范项目——江苏龙源如东100.5兆瓦风力发 电量超过1亿千瓦时。 位于南黄海之滨的如东县环港外滩耸立起风电机组， 实现了江苏作为经济大省风电“零的突破”。记者获悉,如 东风电特许权二期后续49.5兆瓦项目正在小洋口港全面铺 开，全部33台风电机组计划于年底建成发电。同时，100.5 兆瓦项目也将于年底实现吊装33台风电机组的目标。届时， 南通黄海之滨将成为全国乃至亚洲最大、最先进的风电场， 年发电量将达到6亿千瓦时。
南澳风电场图
2、达坂城风力发电一场
• 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公路一 侧，达坂城谷地，年平均风速8.1m/s。 • 新疆水利厅1986年成立新疆风能公司、新疆风能 研究所、新疆新风科工贸有限责任公司“三位一 体”的高科技实体。 • 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力发电场， 并成功地高质量运行管理至今，新疆金风科贸公 司现装机42台，总容量18.4MW。
风力机设计理论及方法第6章
6.1风轮转速
尖速比λ直接由风轮的转速n决定。 风以风速v驱动风轮以转速n旋转运行，从而直接或间接驱 动发电机以ngr，转速运行，最后机组输出功率P。这样就 可以找到风速V和功率P之间的关系，以便进行性能的计算
和模拟。
从发电机角度来讲，发电机的转速、效率、输出功率是确 定的，这可以从厂家 设计参数得到。或者利用发电机性能 试验可以得到发电机在当前状态下的支际输出性能。
6.3风力发电机气动性能参数
6.4 年发电量计算
6.5 输出功率的控制
电机输出功率下降，无法建立新的平衡，电机转速 将连续上升而失去同步，同步发电机失去同步后， 必须立即减小原动机输入的机械功率，否则将使转 子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子。 另外，失步后，发电机的频率和电网频率不一致， 定子绕组中将出现一个很大的电流而烧坏定子绕组。 因此，保持同步是十分重要的。
教学要点
知识要点 掌握程度 相关知识 风力发电机组功率特性试 验的场地、测试仪器、测 试方法、数据收集，数据 处理及数据分析的方法 风力发电原理，风力机功 率特性及电压、电流测试 方法 风力发电机组各种功率控 制方法及统计方法 风电机组中控制系统对功 率控 功率特性的测定 风力发电机组 功率测试时影响 功率的主要参数 风力发电机气动性能参 数
掌握功率测定的测量和 计算方法 掌握风力发电机组功率 测试时影响功率的几个 主要参数的测量方法 掌握风力发电机组气 动参数的计算方法；掌 握年发电量的计算方法 了解风力发电机组各种 功率控制方法；了解风 力发电机组输出功率特 性试验的相关标准
输出功率的控制
风力机设计理论及方法
导入案例
中国风电企业网发布，2011年6月14日华锐科技集团在华锐科技酒泉风电设 备制造基地，正式起动了华锐6兆瓦风力机的生产。 起动仪式上称华锐科技集团是全球第二、国内第一的风电设备制造企业。 华税科技酒泉风电设备制造基地自2009年第一台风力机下线以来，已累计生 产1844台、323万千瓦的风电机组。6兆瓦风力机生产起动、5兆瓦风力机吊装、 第300台3兆瓦风力机下线，标志着酒泉成为全球规模化生产陆上最大风力发 电设备的制造基地。 华锐6兆瓦风电机组是华锐集团具有完全知识产权、中国单机容量大、全球 技术领先的风电机组。我国因此成为继德国之后第二个能够自主研发生产单 机容量为6兆瓦风电机组的国家。 6兆瓦机组是指机组的额定功率，实际上不同风速下机蛆的输出功率是不同 的，从理论上能够计算出这些功率值；但是在实际风场中机组的输出功率是 多少？机组的输出功率随风速、叶尖速比的变化规律又是怎样的呢？如何测 定机组的功率呢？
风力发电课程设计
风力发电课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解风力发电的基本原理，掌握风力发电机的工作流程和主要组成部分。
2. 学生能掌握风力发电在我国能源领域的地位和作用，了解我国风力发电的现状和发展趋势。
3. 学生能了解风力发电对环境的影响，认识到可再生能源在可持续发展中的重要性。
技能目标：1. 学生能通过分析风力发电的相关数据，提高数据分析和解决问题的能力。
2. 学生能运用所学的风力发电知识，设计简单的风力发电实验，提升实践操作能力。
3. 学生能运用风力发电知识，解决实际生活中的问题，提高创新能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能认识到风力发电对环境保护的重要性，培养环保意识。
2. 学生能积极参与风力发电相关的话题讨论，提高合作交流能力。
3. 学生能通过风力发电的学习，树立科学、可持续发展的价值观，增强国家能源战略意识。
课程性质：本课程为科学实践活动课程，结合物理、地理等学科知识，培养学生的实践能力和科学素养。
学生特点：六年级学生具备一定的科学知识基础，好奇心强，善于观察和思考，但实践操作能力有待提高。
教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生积极参与，关注学生的学习过程，注重培养学生的创新精神和实践能力。
通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面均取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 引入新课：通过介绍可再生能源的概念，引导学生关注风力发电。
教材章节：《科学》六年级下册第三章“能量的转化与守恒”2. 风力发电基本原理：- 风能资源评估- 风力发电机的工作原理与结构- 风力发电的优缺点教材章节：《科学》六年级下册第三章第三节“风能的利用”3. 我国风力发电现状与发展趋势：- 我国风力发电的装机容量和地位- 风力发电的政策支持和产业布局- 风力发电技术的发展趋势教材章节：《科学》六年级下册第三章附录“新能源在我国的发展”4. 风力发电与环境：- 风力发电对环境的贡献- 风力发电项目的环境评估与保护措施教材章节：《科学》六年级下册第三章第四节“新能源与环境保护”5. 实践活动：- 设计简单的风力发电实验- 分析风力发电数据，探讨提高发电效率的方法教材章节：《科学》六年级下册第三章实践篇“风力发电实验”6. 总结与拓展：- 归纳风力发电的优势和局限性- 探讨风力发电在未来的发展前景教材章节：《科学》六年级下册第三章总结篇“新能源的发展与未来”教学内容安排与进度：共6课时，第1课时引入新课，第2-4课时讲解风力发电基本原理、我国现状与发展趋势、风力发电与环境，第5课时进行实践活动，第6课时进行总结与拓展。
风力机课程设计
风力机课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握风力发电的基本原理，理解风力机的工作机制；2. 使学生了解风力机的结构组成，掌握各部件的功能和相互关系；3. 引导学生了解风力发电在我国能源领域的重要地位和发展前景。
技能目标：1. 培养学生运用科学方法分析和解决风力发电相关问题的能力；2. 提高学生设计简单风力机模型的能力，能进行基本的模型搭建和调试；3. 培养学生团队合作精神，提高沟通与协作能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对新能源技术的兴趣和热情，增强环保意识；2. 引导学生关注我国能源事业的发展，增强国家认同感和自豪感；3. 培养学生勇于探索、积极创新的精神，树立正确的科学态度。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为初中物理学科风力发电相关知识的教学，结合学生好奇心强、动手能力逐渐增强的特点，课程设计注重实践性与探究性。
教学要求从理论到实践，逐步引导学生掌握风力发电知识，培养学生科学思维和创新能力。
课程目标分解为具体学习成果：1. 知识方面：学生能复述风力发电原理，解释风力机各部件作用，了解我国风力发电发展现状；2. 技能方面：学生能设计并搭建简单风力机模型，进行基本调试，解决实际问题；3. 情感态度价值观方面：学生表现出对新能源技术的兴趣，积极参与团队合作，关注我国能源事业发展。
二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 风力发电原理及风力机工作原理：- 介绍风的能量及风力发电的基本原理；- 阐述风力机的叶片设计、空气动力学原理；- 分析风力机转动产生电能的过程。
2. 风力机的结构及各部件功能：- 详解风力机的塔架、叶片、发电机、控制系统等主要部件；- 探讨各部件在风力机工作过程中的作用和相互关系。
3. 风力发电在我国的应用及发展前景：- 介绍我国风力发电产业的发展现状和规划；- 分析风力发电在新能源领域的地位和作用。
教学大纲安排如下：第一课时：风力发电原理及风力机工作原理；第二课时：风力机的结构及各部件功能；第三课时：风力发电在我国的应用及发展前景。
《风力机理论与设计》第3章 风力机的基本设计理论
图3.4 风轮扫掠面上半径为dR的圆环微元体
• 3.2.4动量-叶素理论 • 3.2.5叶片稍部损失和根部损失修正
• 当气流绕风轮叶片剖面流动时，剖面上下表面产生压力差， 则在风轮叶片的梢部和根部处产生绕流。这就意味着在叶 片的梢部和根部的环量减少，从而导致转矩减小，必然影 响到风轮性能。所以要进行梢部和根部损失修正。
第三章 风力机的基本设计理论
• 【本章教学目标】
• 掌握贝兹理论基本条件、推导过程；理解涡流理论、叶素 理论、动量理论、动量-叶素理论的内容；熟悉叶片的功 能，了解翼型的基本空气动力学知识。
3.1贝兹理论
• 世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整理论是 1919年由贝兹（Betz）建立的。该理论所建立的模型是考 虑若干假设条件的简化单元流管，主要用来描述气流与风 轮的作用关系。贝兹理论的建立，是假定：风轮是一个圆 盘，轴向力沿圆盘均匀分布且圆盘上没有摩擦力；风轮叶 片无限多；气流是不可压缩的的况且是水平均匀定常流， 风轮尾流不旋转；风轮前后远方气流静压相等。这时的风 轮称为“理想风轮”。
图3.3 叶剖面和气流角的受力关系图
• 3.2.3动量理论
• 动量理论是William Rankime于1865年提出的。假设作用于 叶素上的力仅与通过叶素扫过圆环的气体动量变化有关， 并假定通过临近圆环的气流之间不发生径向相互作用。在 风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体，如图3.4所示： 应用动量定理，作用在风轮(R， )环形域上的推力为：
气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尖部形成为螺 旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂 涡流的形成产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可 将各叶片的作用以一边界涡代替。所以风轮的涡流系统可 以如图3.2表示。
风力机设计课程设计
风力机设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解风力发电的基本原理，掌握风力机的主要结构及其功能。
2. 学生能够运用物理知识，分析风力机设计中的能量转换过程。
3. 学生能够掌握风力机设计中涉及的基本参数，如风速、叶片长度、转速等，并了解它们之间的关系。
技能目标：1. 学生能够运用所学的理论知识，通过小组合作设计一个简单的风力机模型。
2. 学生能够运用数学和科学方法对风力机模型的性能进行预测和评估。
3. 学生通过实际操作，提高动手能力和团队协作能力，培养解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对可再生能源的兴趣和认识，增强环保意识和可持续发展的理念。
2. 学生在设计过程中能够体验到创新和实践的乐趣，激发对科学探究的热情。
3. 学生通过课程学习，培养批判性思维和问题解决能力，增强自信，形成积极向上的学习态度。
课程性质：本课程为跨学科综合实践课程，结合物理、数学、工程学等多学科知识。
学生特点：假设学生为八年级，具有一定的物理知识基础，对科学探究有好奇心，喜欢动手操作。
教学要求：课程注重理论与实践相结合，鼓励学生主动探究，合作学习，通过实际设计任务促进知识的综合运用。
教学过程中注重培养学生的创新能力，科学思维和解决问题的能力。
通过明确具体的课程目标，使学生在学习结束后能够展示具体的成果，如设计报告、模型展示等。
二、教学内容1. 引入风力发电基本概念，介绍风力机的工作原理，对应教材中“可再生能源”章节。
- 风能的特点和利用方式- 风力机的组成部分及其功能2. 风力机设计原理及关键参数学习，对应教材中“简单机械”及“能量转换”章节。
- 风速、叶片长度、转速等参数对风力机性能的影响- 叶片设计原理，包括翼型、攻角等概念3. 风力机模型的制作与测试，结合教材中“科学探究”及“项目实践”章节。
- 分组设计风力机模型，制定设计计划和步骤- 制作模型，并进行性能测试，如风速、电压输出等4. 数据分析与优化，对应教材中“数据处理”章节。
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《风力机设计理论及方法》教学大纲
Design Theory and Methods for Wind Turbines
撰写人：杨从新审核人：李德顺
一、大纲说明
本大纲根据新能源科学与工程专业2013年培养计划制订。
课程编号：304502
学时学分：4
先修课程：风力发电原理、风力机调节原理
适合专业：新能源科学与工程
开课学院：能源与动力工程学院
二、课程性质和任务
课程为新能源科学与工程专业学生的专业必修课，使学生了解风力机设计理论及方法的相关内容，掌握不同形式风力机零部件及整机设计的基本理论和方法，为将来从事风力发电相关领域的工作奠定基础。
三、主要教学内容
1、概述；
2、水平轴风力机风轮及叶片的气动设计；
3、水平轴风力机风轮及叶片的结构设计与校核；
4、水平轴风力机发电机的设计及选取原则；
5、水平轴风力机传动部件的设计及选择；
6、水平轴风力机塔筒的设计与计算；
7、水平轴风力机控制部分的设计；
8、垂直轴风力机的设计理论和方法。
四、教学基本要求
掌握不同形式风力机零部件及整机的特点；着重掌握水平轴风力机主要零部件的气动设计和结构设计方法；了解不同形式风力机零部件及整机设计的基本理论和方法；等等。
五、参考学时分配：
六、教材及参考书
1.赵丹平，徐宝清主编，《风力机设计理论及方法》，北京大学出版社
2.「法」D. 勒古力雷斯著，施鹏飞译，《风力机的理论与设计》，机械工业出版社
七、考核方式
闭卷。