风电风机课程设计
课程信息
| 课程名称／课程号 | 适用范围与修读要求 |
|---|---|
| 风电风机课程设计 ENER4011M |
新能源 · 25级及以前、26级 实践课程 · 实践必修 |
课程简介
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本课程的目的在于培养学生掌握基本的风力机叶片的设计原理、先进方法与设计实践。本课程系统介绍风力机叶片的空气动力学基础及优化设计理论，旨在培养学生掌握从理论到实践的全链条设计能力。通过学习，学生将能够深入理解叶片形状对风能捕获效率的影响，掌握叶片设计关键技术，为提升风力发电系统的整体性能奠定坚实基础。课程融合理论讲授、原理分析及实践设计等，注重学生创新思维与实践动手能力的培养。
来源：教务网。
课程内容
分数构成
1.考核评分：本课程的考核评分主要分为三部分：平时课程评分、小组讨论与答辩评分、课程设计报告评分；
2.评分建议：平时课程20% + 小组汇报讨论30% + 课程设计报告50%
课程大纲
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第一周 风电风机课程设计概述
理论讲授（2课时）
主要内容：风电风机发展历程、基本原理以及我国风电发展现状及未来挑战；常用的风力机叶片设计原理和方法；工程中绘图软件及办公软件的操作；文献的阅读和科研报告的撰写方法；风电风机课程实践任务详细解读，包括主要目的、设计任务、原始数据和分组分工。
实践研讨（2课时）
讨论主题：
（1）如何看待中国风电行业的发展和崛起？
（2）如何认识双碳战略目标和风电发展的关系？
（3）如何看待风电风机叶片的发展趋势和挑战？
参考文献：
（1）吴双群、赵丹平.《风力机发电原理》，北京大学出版社，2011年10月
（2）罗坤、王强、樊建人.《风能利用多尺度数值模拟》，浙江大学出版社，2024年12月
第二周 简化风车理论和Glauert涡流理论
理论讲授（2课时）
主要内容：风车如何利用风能转化为机械能或电能的基本原理；通过改变风车叶片的角度、长度和形状等参数来改进风车的效率；风力机叶片在旋转时产生的涡流系统，包括附着涡、尾涡以及螺旋涡等，以及这些涡流如何影响风力机的性能和效率。
实践研讨（2课时）
讨论主题：
（1）何为贝茨极限（Betz Limit）？
（2）何为理想风轮模型，存在哪些假设？
（3）采用简化风车理论和Glauert涡流理论设计风力机叶片存在哪些限制和可以改进的地方？
参考文献：
（1）吴双群、赵丹平.《风力机发电原理》，北京大学出版社，2011年10月
（2）罗坤、王强、樊建人.《风能利用多尺度数值模拟》，浙江大学出版社，2024年12月
（3）王强、罗坤、樊建人《风力机叶片设计指导手册》
第三周 Schmitz理论
理论讲授（2课时）
主要内容：周向涡流损失——通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，Schmitz考虑了周向速度变化、周向涡流损失，形成Schmitz理论；设计叶片弦长和安装角；Schmitz算法的风轮气动性能计算方法；Schmitz算法的入流角计算流程详解。
实践研讨（2课时）
讨论主题：
（1）叶片设计对叶片重量和工艺成本是如何影响的？
（2）采用Schmitz理论设计风力机叶片存在哪些限制？
参考文献：
（1）吴双群、赵丹平.《风力机发电原理》，北京大学出版社，2011年10月
（2）罗坤、王强、樊建人.《风能利用多尺度数值模拟》，浙江大学出版社，2024年12月
（3）王强、罗坤、樊建人《风力机叶片设计指导手册》
第四周 动量-叶素理论（Wilson）
理论讲授（2课时）
主要内容：动量-叶素理论（Momentum-Blade Element Theory, M-BET），也称为Wilson理论，结合了动量理论和叶素理论，以更准确地预测风力机的性能；动量理论关注风力机叶片扫掠面积内风的动量变化，风力机被简化为一个致动盘；叶素理论将风力机的叶片划分为许多小的叶素，并分别分析每个叶素上的力和力矩；动量-叶素理论（M-BET）中风力机的叶片被划分为多个叶素，每个叶素上的气动力通过叶素理论计算，然后这些力被整合到动量理论中，以计算整个风力机的性能和效率。
讨论课（2课时）
讨论主题：
（1）如何看待叶素动量理论在风力机设计中单的作用？
（2）利用哪些软件可以实现风力机叶片设计？
（3）国内风力机设计软件自主性如何？如何看待风力机设计软件被“卡脖子”的问题？
（4）风力机叶片设计的环保意义与社会责任有哪些？
参考文献：
（1）吴双群、赵丹平.《风力机发电原理》，北京大学出版社，2011年10月
（2）罗坤、王强、樊建人.《风能利用多尺度数值模拟》，浙江大学出版社，2024年12月
（3）王强、罗坤、樊建人《风力机叶片设计指导手册》
附：时间表
周次 |
学时 |
教学内容（要点） |
课程思政融入点和实施方法 |
教学形式（理论、讨论、实践、实验、测试等） |
1 |
2 |
风电风机课程设计概述 |
思政融入点： 文化自信案例：风电发展与“双碳”战略的关系；中国风电行业的发展和崛起； |
理论讲授 |
1 |
2 |
风电风机课程设计概述-讨论 |
分组讨论 |
|
1 |
8 |
小组实践-1 |
实践训练 |
|
2 |
2 |
简化风车理论和Glauert涡流理论 |
思政融入点： 分析能力案例：词体产生方式 |
理论讲授 |
2 |
2 |
简化风车理论和Glauert涡流理论-讨论 |
分组讨论 |
|
2 |
8 |
小组实践-2 |
实践训练 |
|
3 |
2 |
Schmitz理论 |
理论讲授 |
|
3 |
2 |
Schmitz理论-讨论 |
分组讨论 |
|
3 |
8 |
小组实践-3 |
实践训练 |
|
4 |
2 |
动量-叶素理论（Wilson） |
思政融入点： 民族精神案例：突破我国风力机设计软件自主化和国产化，突破风力机设计软件被“卡脖子”的问题；风力机叶片设计的环保意义和社会责任 |
理论讲授 |
4 |
2 |
动量-叶素理论（Wilson）-讨论 |
分组讨论 |
|
4 |
8 |
小组实践-4 |
实践训练 |