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| 內容簡介： |
风电机组叶片的冰冻问题会影响叶片的空气动力学轮廓，引起风电机组的附加载荷与额外振动，降低叶片及机组的使用寿命，导致机组故障，影响风电场的发电量，甚至会造成风电机组局部破损或整体坍塌。可见，冰冻问题已成为制约冰冻地区风电市场开发建设的重要因素。
本书旨在解决在寒冷气候下风电机组运行的关键问题，着重阐述结冰机理，分析其影响，并介绍防治措施。主要内容包括寒冷气候对风电机组设计和运行的影响、风电机组结冰的机理、结冰过程、防冰系统和热除冰系统的设计等。本书包含了丰富且细致的科学分析以及与流体动力学和热力学有关的计算和实例，还给出了实用的分析模型和数值模型，用于计算结冰影响和设计评估。
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| 關於作者： |
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现任北京金科新能源有限公司总经理，熟悉新能源、风电领域国内外前沿技术；具备较强的专业能力，拥有30年新能源领域工作经验；参与多项水电工程，主持多项风电、光伏、送变电等工程建设；熟练掌握英语，尤其是电力、新能源、土建专业英语
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| 目錄：
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目录
译者序
原书序
原书前言
第1章寒冷气候对风电机组设计和运行的影响1
1.1引言1
1.2寒冷地区的风电机组3
1.2.1阿尔卑斯山地区的风电机组4
1.2.2潜在可开发区域5
1.3寒冷气候下风电机组的运行6
1.3.1大雨6
1.3.2雷击7
1.3.3寒冷气候辅助设备8
1.4山地区域风电机组的运行10
1.4.1高海拔的影响10
1.4.2山地环境的特点10
1.4.3风能资源11
1.4.4空气密度随海拔的变化16
1.4.5风机在不同空气密度下的功率和推力18
1.4.6非标准空气密度下的功率曲线20
1.4.7低空气密度的对策24
1.5覆冰期间风电机组的运行27
1.6海上结冰31
参考文献32
第2章风电机组结冰的相关特点342.1结冰对风电机组的影响34
2.2风电机组上的覆冰生长37
2.3覆冰的前提条件40
2.4结冰过程相关参数43
2.5结冰事件的定义45
2.6结冰检测47
2.6.1机电系统48
2.6.2电子系统48
2.6.3光学系统48
2.6.4风机参数49
2.6.5噪声测量49
2.6.6叶片表面的热力学状态49
寒冷气候下的风电机组结冰影响与防治系统目录2.6.7加热和未加热风速计的读数差异50
2.6.8风机结冰检测系统综合评价50
2.6.9测量现场的结冰情况51
2.7冰冻气候下测风仪的运行情况54
2.8覆冰预测模型57
2.8.1短期覆冰预测57
2.8.2超短期覆冰预测60
2.8.3缺乏相关信息的场址覆冰风险评估61
2.9甩冰和结冰风险67
2.9.1场址参数72
2.9.2甩冰质量74
2.9.3脱离半径和方位角分布74
2.9.4阻力和升力分布76
2.9.5冰击事件76
2.9.6地面上的冰块76
2.10覆冰的经济风险81
2.11防冰系统盈亏平衡分析82
参考文献85
第3章覆冰叶片的气动性能873.1翼型周围的流态87
3.2叶片翼型的空气动力学概述91
3.2.1对称翼型91
3.2.2非对称翼型91
3.3覆冰翼型的空气动力学概述92
3.4覆冰对气动性能的影响97
3.5数值模拟100
3.6航空领域的试验测试101
3.6.1识别覆冰的几何形状101
3.6.2拟合冰的真实几何形状107
3.7覆冰的类型和边界层107
3.7.1离散粗糙度108
3.7.2角状冰110
3.7.3顺流冰111
3.7.4翼向脊状冰112
3.7.5失速行为118
3.7.6平稳空气动力学，三维和旋转效应118
3.8覆冰对发电量的影响119
3.9覆冰对风机气动性能的影响123
3.9.1气动弹性模型124
3.9.2叶片覆冰的物理模型125
3.9.3物理模型敏感性分析128
3.9.420年疲劳寿命评估128
3.10覆冰叶轮不平衡的简化分析133
参考文献135
第4章结冰过程1384.1冰的形成机理138
4.2结冰/防冰条件模拟139
4.3外部流场和温度场141
4.4表面润湿度建模143
4.4.1液滴撞击固定圆柱体146
4.4.2驻点撞击率的确定149
4.4.3粒子轨迹二维计算方法154
4.4.4固定圆柱体的求解157
4.4.5零攻角翼型前缘的撞击率161
4.4.6非零攻角和尺度效应的撞击率163
4.4.7示例165
4.4.8旋转翼型169
4.5质量守恒方程174
4.5.1基本质量流量分析175
4.5.2水膜连续性和破裂178
4.6冻结系数和Messinger模型180
4.7能量守恒方程181
4.7.1表面传热系数182
4.7.2长波辐射183
4.7.3短波辐射183
4.8问题的求解184
4.8.1情况A：结冰表面Tw0℃186
4.8.3叶片结冰实例187
4.9冰面的热流体动力学过程192
4.9.1表面微观物理学193
4.9.2一般结冰过程中的回流水动力学和扩展的Messinger模型193
参考文献198
第5章防冰系统2005.1引言200
5.2防冰系统评估流程203
5.3防冰系统概述与讨论206
5.4防冰系统分类206
5.4.1基于运行原理的防冰系统分类206
5.4.2机械防冰系统和热力防冰系统206
5.4.3其他防冰系统207
5.5基于持续时间的防冰系统分类208
5.6基于能量需求的防冰系统分类208
5.7防冰系统在风电机组中的应用208
5.7.1电加热防冰系统209
5.7.2管道内热空气循环加热系统 211
5.8管道内热空气防冰系统的设计217
5.8.1几何建模218
5.8.2热流体动力分析 218
5.8.3共轭传热分析219
5.8.4截水率221
5.8.5设计结果221
5.9防冰系统的能量效率229
5.10估算防冰所需功率的简化方法229
5.11防冰系统新技术238
5.11.1机械防冰238
5.11.2热力防冰239
5.11.3低附着力涂层材料255
5.12海上防冰系统257
参考文献257参考阅读259物理量表267
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| 內容試閱：
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本书分为5章，每一章都对相关理论和基础知识进行了简要的讲解。本书在流体动力学和热力学等方面进行了大量分析，提供了许多计算示例和案例，后采用手册的形式，介绍了将科学分析转化为适合于一般设计任务的技术手段。
第1章，在介绍寒冷气候的特征和类型的基础上，对安全利用风能所需要的特殊设备进行了综述，并对当前全球的风能开发进展进行了统计和回顾。然后，分析了在风电机组设计和风电场开发过程中经常容易被忽略的一个问题，即海拔对内陆风电场的影响。例如，偏离标准空气密度会对功率曲线和载荷产生一系列影响，如果不采取相应措施，叶轮将会出现低效甚至断裂的情况。后，介绍了海上结冰，简要介绍了结冰条件下的作业问题，并举例说明了结冰与发电量降低的相关性问题。
第2章具体论述了结冰对风电机组的影响，讨论了常规的覆冰特点、风电机组上的覆冰生长模型、冰的检测和冰传感器的应用等。在对海拔2000m设置的一个风观测站分别利用加热和不加热的风速计，研究直接结冰和结冰的持续现象的基础上，提出了一种计算全年结冰天数的简单方法。回顾和探讨了相关短期预测方法，进一步提出了一种基于概率的方法来对覆冰进行评估。覆冰叶片的甩冰问题涉及人员和设施的安全，该章介绍了采用基于蒙特卡罗方法的专用模型对甩冰风险进行的研究。后，通过借助盈亏平衡分析模型对采用和不采用防冰系统的经济性问题进行了介绍，该分析模型可评估投资可行的小结冰天数。
第3章分析了覆冰对叶片气动性能的影响。在详尽回顾和讨论现阶段研究成果的基础上，阐述了叶片冰污染面的空气动力学特征。接着，根据对边界层和空气动力学的影响，对覆冰的类型进行了分析和分类。为了弥补该领域系统研究的巨大空白（缺乏对该问题的通用评估），提出了一种更具一致性的覆冰形状分类方法，并将其应用于风电机组功率曲线衰减的定量评估中。介绍了基于WT-perf BEM模型开发的一个用于预测覆冰机组功率曲线的模型，以及通过对Flex-5模型的修改，完成对气动弹性载荷影响的分析。为解决缺乏叶片上真实情境下的冰形态和冰质量数据的问题，引入了任意覆冰水平和覆冰概率的概念，用于在实际结冰环境中对风电机组的影响进行评估。
第4章介绍了对水滴撞击和冰形成机理的物理过程的模拟，从离散化、外部流场、温度场及湿度等方面进行了分析，相关结论为防冰或除冰系统的设计提供了理论基础。结冰过程从热流体动力学的角度进行论述，其目的不仅是要说明雨凇的生长过程，而且是提供一种确定水滴质量、撞击极限以及表面过程中涉及的热动力学的方法，因为设置防冰系统的初衷是为了保持叶片表面洁净无冰。在固定柱体的情况下，液滴轨迹的通用理论包括零攻角和非零攻角的碰撞率计算。提出并讨论了静止和转动叶片工况对冲击水滴进行计算的差异，并对NACA 44××翼型的Tjrborg叶轮进行数值计算。后，对适用于风电机组的相关结论进行了总结。该章从冰冻组分的概念出发，分析了结冰的质量平衡和热流体动力学过程。借助能量守恒和质量守恒方程，提出并解析了结冰和防冰系统设计等相关问题。
第5章对主要的防冰系统(IPS)进行了分类和阐述，提出了IPS评估程序。在此基础上，介绍了IPS概念并进行了系统比较。讨论了现有风电机组IPS的优缺点。对气动IPS、微波技术、低附着力涂层材料、间歇式(循环)热气体加热技术、废热回收加热防冰系统、气膜加热技术等新兴技术进行了综述，并借助一些简单的计算对各系统的性能进行了比较，提出了IPS能量效率的概念，给出了综合能量效率的评估模型。
第5章还在前4章的基础上，详细设计了一种热风防冰方案，对叶片的几何离散化、热动力学模型和共轭传热模型进行探讨，给出了相关计算结果和简化设计方法。寒冷气候下的风电机组结冰影响与防治系统
本书涵盖了寒冷气候下风电机组的大部分工程问题，尤其是针对结冰的分析及其缓解方法进行了介绍。近年来，风电机组结冰以及预测其对载荷、控制系统、电力生产等方面影响的研究正日益得到重视。结冰分析和防冰、除冰系统的研究和开发是典型的多学科交叉领域，它涉及气象学、空气动力学、传热学和冰物理学、风电机组运维、经济学、制造产业链以及相关规范和法规等。
寒冷气候下的恶劣环境可能降低风电机组的可利用率。事件会造成附加载荷、损坏和突发故障。空气密度的变化(低温、高海拔)会影响风能利用率，并对控制策略产生重大影响。低温同样会影响材料的物理性能和电子元器件的正常工作。结冰还能引起更高的载荷、疲劳、振动和能量损失。为了减轻这些影响，通常需要增设相关辅助设备(防冰和除冰系统)。
尽管航空业对结冰的危害进行了大量的研究工作，但是关于风电机组结冰的研究却很少。大多数情况下，研究人员不得不使用当初为飞机开发的相关方法来处理这些问题。风电机组结冰问题现场观测和公开报告的缺乏使得这些模型的确定和调整收效甚微。风电机组通常不会受到严密监控，而且很难将偶尔的电力损失或一般故障与结冰事件联系起来。结冰情况下功率曲线的衰减虽偶见报道，但很难从业主或制造商那里获得与结冰有关的气象数据，更别说获取与导致功率下降有关的叶片冰粗糙度的信息了。
如本书第3章中案例所示，有关飞机典型机翼（也用于风电机组叶片）的经验表明，大约1m的弦翼前缘有2~5mm的覆冰，会导致升力系数下降20%～50%，空气动力效率降至80%。类似情况也会导致风电机组气动效率的大幅下降。
另一个问题是对失速的预测，这不利于控制系统的控制计划，以及覆冰在叶片上不均匀生长导致的质量不平衡。然而，从经济性角度来看，为风电机组安装防冰、除冰系统并不总是经济的。轻微的覆冰对风电机组的影响通常较小，当覆冰较严重时可以选择停机。这些控制策略对可靠而有效的覆冰检测提出了新的要求，这是当前技术发展中一个新的、颇具挑战性的领域。
为阐释这些涉及面较广的问题，作者决定从系统说明的角度来介绍，并提供必要的工程工具。在各个章节中提出的理论已经被简化为易于实施的模型和方法，而不是指向单个问题的详细的数值解决方案。
尽管如此，在必要时对某些环节使用有限元和有限差分模型进行处理，这可以作为更复杂分析的基础。尽管进行了这些数值分析，但仍注重于提供有助于工程实践的相关工程结论。
作者以该领域近十余年的研究为基础，收集了在相关会议演讲、论文、博士课题和相关课程中介绍的一些相关成果编写本书。并且，本书是作者在2004年至2009年期间在位于Lyngby（DK）的丹麦技术大学开设的风能硕士课程的扩展和补充。
Lorenzo Battisti
2014年8月于特伦托
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