《风能理论与技术》教学大纲

《风能理论与技术》教学大纲

课程编号：

课程中文名称：风能理论与技术

课程英文名称：Theory and Technology of Wind Energy

开课学期：7

学分/学时：1.5／24

先修课程：大学物理、流体力学、工程热力学

开课对象：本科生

责任人名单：杜刚、陈江

一、课程的性质、目的和任务：

《风能理论与技术》是能源与动力工程学院的专业基础课，目的是为能源与动力工程学院的学生系统地讲授风能技术的基础理论和工程技术知识，为我国风能产业的发展培养科研和工程技术人才而设置。

风能利用是一个系统工程，风能技术是一门新兴的多学科、交叉型边缘科学，它涉及到流体力学、固体力学、机械工程、电气工程、材料科学、环境科学等多种学科和专业。课程以水平轴风力机为研究解剖对象，以风力机设计中涉及的空气动力学和结构动力学为理论基础,核心内容包括风力机空气动力学、风力机特性、风力机载荷、风力机气动设计、风力机结构及材料、风力机试验等内容，课程还包括风资源及其评估、风电场规划、风电场电气系统等外围知识的介绍，通过本课程学习，引导学生将所学的相关理论知识和方法应用到风力机实际设计中去，使学生能够系统地掌握风力机的基础理论和工程技术知识，提高工程应用的能力。

课程教学以课堂讲解为主，结合课间讨论及课后作业等教学形式，使学生牢固掌握风能技术的基础理论和工程技术知识，为以后工作进行风能领域的相关科学研究和工程技术工作工作打下坚实基础。

二、课程内容、基本要求及学时分配

第一章风能概述（1学时）

内容：风能技术的发展历程；现代风力机技术；本课程概要。

要求：了解世界风能技术发展历史和现状，中国的风能利用状况，现代风力机技术的概况和风力机叶片设计的概要。

第二章风资源（1学时）

内容：风能资源；复杂地形对风特性的影响；风湍流；风电场风能资源分析与评估方法。

要求：了解风能资源的成因，风能的测量与评估，地理因素对风资源的影响，时间因素对风资源的影响；了解和掌握风资源中湍流的概念、定性和定量描述方法、对风能利用的影响；了解和掌握风速的描述和预测方法，风电场风能资源分析与评估方法。

第三章风力机空气动力学基础（4学时）

内容：空气动力学简介；空气流动属性和静力学；理想气体流动；不可压粘性气体流动。要求：了解空气动力学发展史、分类及研究方法；掌握大气特性、气体的压缩性、粘性概念；掌握作用在气体上力的描述方法；掌握理想气体运动的描述方法；掌握欧拉方程；掌握势函数与流函数概念，掌握基本平面无旋流动及其叠加；掌握不可压粘性气体流动中的层流和湍流概念，了解附面层理论和附面层分离现象。

第四章风力机翼型空气动力学（4学时）

内容：翼型几何定义和气动参数；翼型分类与性能特征；翼型基本技术要求；翼型气动特性与几何特性的关系；风力机翼型设计。

要求：掌握翼型几何定义和气动参数；掌握翼型分类与性能特征，着重学习风力机翼型的性能特点；掌握风力机翼型基本技术要求；掌握翼型气动特性与几何特性的关系；掌握风力机翼型设计理论和方法。

第五章风电机组气动设计及性能计算（4学时）

内容：风电机组设计技术参数；风电机组气动设计方法；风电机组设计案例；风电机组尾流对性能的影响。

要求：了解和掌握风电机组设计技术参数的选择，风力机叶片型式的选择和特点；掌握风力机叶片翼型的选择与布置，掌握动量叶素理论，掌握风轮性能计算方法，了解叶片优化设计方法；了解3MW变速变距叶片外形设计过程；了解风电机组尾流对性能的影响。

第六章风力发电机组载荷（2学时）

内容：风力发电机组设计载荷；风力发电机组载荷计算；风力发电机组载荷测量；风力发电机组载荷评估；

要求：了解风力发电机组各零部件和整体的载荷分类和特点；了解风力发电机组设计载荷的依据和标准；掌握气动、重力和惯性载荷的计算方法；了解载荷计算的不确定性；了解风力机发电机组载荷测量标准、状态和参数。

第七章风力机空气动力试验（2学时）

内容：试验空气动力学基础；风力机翼型试验；风力机风洞试验；。

要求：掌握相似原理与量纲分析方法；了解风洞和风场试验的基本内容；了解风力机翼型的试验设备、试验模型、数据测量和流动显示；了解风力机风洞试验中的试验设备、试验模型、风轮气动特性试验、风力机组工作特性试验和流动显示试验；了解风力机风场试验中的设备、场地、样机；了解风力机外场的气动特性、机组性能、气动载荷和气动噪声试验。

第八章风力机气动弹性力学（2学时）

内容：结构动力学概述；风力机结构动力学基本概念；风力机系统结构动力学；风力机结构

动力学的工程解法。

要求：了解结构动力学计算的目的和特点，动载荷种类，体系的动力自由度和振动时能量的耗散与阻尼，建立振动方程的方法；掌握风力机结构动力学基本概念，了解作用在风力机上的载荷情况，了解气弹载荷计算方法；了解风力机叶片、塔架、传动系统及风轮塔架整体的结构动力学分析方法；了解风力机结构动力学分析中的能量法、集中质量法、迭代法和子空间迭代法，了解有限单元法。

第九章计算流体力学在风力机中的应用（2学时）

内容：CFD基本概念；外形与网格生成；计算设置和流场求解；计算结果显示；计算结果可信性分析；CFD在风力机中的应用。

要求：了解CFD的基本概念与内容；了解模型外形的几何定义与数值计算网格生成方法；了解建立流动计算模型中的边界条件、流动参数、求解格式的选择与求解过程；了解计算结果的后处理与结果显示；了解CFD结果的置信度分析方法和流程；了解CFD在风力机中的应用。第十章风力机叶片的结构设计（2学时）

内容：风力机叶片结构设计概述；风力机叶片结构材料；风力机叶片成型工艺；风力机叶片结构的性能验证。

要求：了解风力机叶片结构设计的原则、条件和设计步骤；了解风力叶片结构材料的特点、类型和选择方法；了解风力机叶片成型工艺的流程和特点；了解风力机叶片结构的性能验证方法与过程。

第十一章风力机优化设计方法（2学时）

内容：Glauert优化方法；现代气动设计方法与实践；系统设计与多学科；气动与结构的解耦；气动工程师与系统工程。

要求：了解Glauert优化方法的原理、流程与算法；了解现代气动设计理论与优化方法；了解系统设计与多学科设计的概念；了解气动与结构解耦设计的流程与方法；了解风力机设计中气动工程师在系统工程中的作用。

三、教学方式及安排