本书共七章，包括风力发电与垂直轴风力发电技术的发展、垂直轴风力发电的理论研究及流场特性分析、风能的转换与储存、垂直轴风力发电机的电气控制系统、离网小型垂直轴风力发电系统研究与开发、垂直轴风力发电机全生命周期评价以及实验研究与论证等内容。
本书基于风能利用率和结构局限状态，指出风能利用率的多场耦合理论、能量利用率的建模方法以及效能评估机理等方面存在的关键技术问题，论证解决办法，提出以计算流体力学、绿色与全生命周期设计、能量转化理论、电磁理论等多学科交叉为理论依据，建立多场多学科交叉系统分析模型，最终实现高效能、高集成度的风电系统的整机研发。在风能转化与存储方面创新地提出了新概念风能转换系统多学科风轮优化模型和变步长占空比扰动MPPT模型，提出并开发多情景LCA安装评价系统。通过自行搭建的实验平台，获得大量数据并验证了所构建模型的合理性，研发的“风轮—电机”集成一体化风力发电机的转矩系数相对普通机型可提高12.76%，转矩系数波动幅度减小48.25%。
本书是在提炼了国家基金、省级科技攻关与基金项目的主要研究成果的基础上完成的，所总结的科研经验与技术、方法等，可为风力发电技术专业研究人员及技术开发人员提供较为前沿的参考和借鉴。
中国经济的快速增长引发了巨大的能源消耗，大量传统化石能源的使用带来的环境污染已不容忽视，我国以煤炭为主的能源结构亟待调整。为了有效解决这一难题，我国近几年大力发展清洁能源产业，水能、风能、核能、太阳能等清洁能源都得到了较好的应用。风力发电作为一种清洁、可再生的电力获取形式，对我国乃至世界的能源发展都具有重要意义。
垂直轴风力发电机虽然对风能的利用率较低，但由于其安装简单、运行稳定性好、工作噪声低、抗风能力强等诸多优点被广泛运用于离网发电。但相较于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机的风能利用率较低，主要原因是存在诸多亟待解决的关键技术问题，如低风速下高风能利用率的多场耦合理论不完善，系统性能量利用率的建模方法及效能评估机理的研究还不成熟，间歇性风能与极限环境影响系统功率特性参数变化易引起控制电路不稳定的问题也没有得到有效解决等。
本书是在国家自然科学基金“多尺度多因素协同作用的风电系统能效评估机理的研究”、广西自然科学基金项目“基于能量收集与多学科优化的垂直轴风力发电系统关键技术研究”等系列相关项目研究内容的基础上撰写而成的，在能量转化与利用理论、机械结构与电器结构开发理论、多场多学科交叉融合理论研究方面有一定深度，在实验平台建设和实践认证方法方面也做出了大胆的尝试并取得了初步的成效。因此，本书具有较好的科学性、系统性与前沿性。
作者多年从事风力发电（简称风电）专业技术研究，先后完成了多个国家级及省部级项目，对风力发电技术有系统的认知和全面的把握。撰写本书的目的就是为了介绍所完成项目的研究成果，为风电技术专业研究人员及技术开发人员提供较为前沿的技术资料，同时介绍科研经验及技术、方法，为风力发电技术的发展与创新及科研成果的转化注入新的动力。
本书共七章，主要内容包括风力发电与垂直轴风力发电技术的发展、垂直轴风力发电的理论研究及流场特性分析、风能的转换与储存、垂直轴风力发电机的电气控制系统、离网小型垂直轴风力发电系统研究与开发、垂直轴风力发电机全生命周期评价以及实验研究与论证。
本书由莫秋云教授组织编写，并完成写作思路、整体框架的设计以及全书的统稿工作。具体的编写分工为：刘伟豪编写第1章和第5章，管会森、尹嘉蓓编写第2章，廖智强、陈林编写第3章和第7章，廖智强编写第4章和第6章。
限于作者的水平，书中难免会有不当之处，诚请读者提出宝贵意见和建议，也希望从事垂直轴风力发电机相关专业研究的专家批评指正。
第1章 风力发电与垂直轴风力发电技术的发展 1
1.1 风能与风力发电系统发展前沿 1
1.1.1 风能研究理论及现状分析 1
1.1.2 风力发电技术的发展 5
1.1.3 垂直轴风力发电机的组成与特性 9
1.2 垂直轴风力发电的关键技术问题 11
1.2.1 理论模型误差 11
1.2.2 高效风力发电机结构开发与优化 12
1.2.3 低功耗、高可靠性的控制系统开发 13
1.2.4 基于全生命周期的绿色设计及其评价 14
本章小结 15
参考文献 15
第2章 垂直轴风力发电的理论研究及流场特性分析 19
2.1 基础理论研究现状 19
2.1.1 空气动力学基础 19
2.1.2 计算流体力学基础 27
2.1.3 能量转化理论基础 30
2.1.4 电气控制理论基础 32
2.2 风轮结构参数对风力发电机效能的影响 33
2.2.1 风轮参数对气动特性的影响 34
2.2.2 整机结构参数的影响 44
2.3 多尺度多因素的协同作用机理 46
2.3.1 流-固耦合分析 46
2.3.2 机-电耦合分析 50
2.3.3 磁-热耦合分析 52
2.3.4 流-固-电多场耦合分析 53
本章小结 55
参考文献 56
第3章 风能的转换与储存 58
3.1 风能的转换 58
3.1.1 风能捕获理论 58
3.1.2 风能转换系统 59
3.1.3 新概念型风能转换系统 60
3.2 永磁发电机在风力发电系统中的应用 61
3.2.1 永磁发电机结构分析 62
3.2.2 永磁发电机的磁路计算 64
3.2.3 永磁发电机运行特性分析 69
3.3 永磁发电机数学模型 72
3.3.1 abc/dq0参考坐标系变换 72
3.3.2 永磁同步发电机数学模型 75
3.4 永磁同步发电机电磁特性分析 76
3.4.1 空载瞬态磁场分析 76
3.4.2 负载瞬态磁场分析 78
3.5 影响永磁发电机效率的关键因素及规律 80
3.5.1 铁耗对永磁发电机效率的影响规律分析 80
3.5.2 铜耗对永磁发电机效率的影响规律分析 81
3.5.3 涡流损耗对永磁发电机效率的影响规律研究 83
3.6 电能存储 86
3.6.1 电能存储现状分析 86
3.6.2 蓄电池充放电特性分析 88
3.6.3 蓄电池输出特性分析 89
本章小结 90
参考文献 91
第4章 垂直轴风力发电机的电气控制系统 92
4.1 桨距控制 92
4.1.1 被动失速控制 92
4.1.2 主动失速控制 93
4.2 最大功率控制 94
4.2.1 MPPT控制策略 95
4.2.2 MPPT控制策略模型的建立 99
4.2.3 MPPT控制策略仿真结果 101
4.3 机侧PWM控制 102
4.3.1 机侧PWM变换器的运行控制及仿真分析 102
4.3.2 机侧PWM平台验证及结果 104
4.4 蓄电池充放电控制 105
4.4.1 蓄电池常用充电方法 105
4.4.2 蓄电池放电控制策略的确定 107
4.4.3 充放电控制器的设计 109
本章小结 110
参考文献 111
第5章 离网小型垂直轴风力发电系统研究与开发 113
5.1 垂直轴风力发电系统结构参数 113
5.1.1 阻力型垂直轴风力发电机主要结构参数 113
5.1.2 升力型垂直轴风力发电机主要结构参数 115
5.1.3 风轮主要结构参数对气动性能的影响 116
5.2 一体化风力发电机设计 124
5.2.1 一体化风力发电机特性研究 124
5.2.2 一体化风力发电机结构设计与性能分析 129
5.2.3 一体化风力发电机存在的问题与发展 133
5.3 其他机械结构及附件 134
5.3.1 机械传动系统 134
5.3.2 机械制动结构 134
5.3.3 塔架 136
5.3.4 导流板 138
5.4 垂直轴风力发电系统安全性及稳定性研究 141
5.4.1 风力发电机可靠性模型及指标 142
5.4.2 离网小型垂直轴风力发电系统特点分析 143
5.4.3 叶片疲劳特性分析 146
5.4.4 风力发电机稳定性及影响因素研究 148
本章小结 152
参考文献 153
第6章 垂直轴风力发电机全生命周期评价 155
6.1 全生命周期设计与评价 155
6.1.1 产品生命周期设计及其原则 155
6.1.2 生命周期评价技术（LCA） 156
6.2 生命周期评价在风力发电机上的应用 157
6.2.1 风力发电机评价体系构建 157
6.2.2 评价结果及分析 164
6.3 小型垂直轴风力发电机LCA评价系统的开发 167
6.4 多情景LCA预安装评估方法 173
6.4.1 多场景总输入能量计算 173
6.4.2 能量偿还时间计算 175
本章小结 176
参考文献 176
第7章 实验研究与论证 178
7.1 风轮转矩特性实验 178
7.1.1 实验平台控制系统 178
7.1.2 实验结果及分析 182
7.2 风轮转速对电磁特性的影响实验 184
7.2.1 实验方案与测试 184
7.2.2 实验结果及分析 185
7.3 风速对电能质量的影响规律的论证 186
7.3.1 实验平台搭建 186
7.3.2 实验内容 187
7.3.3 实验数据处理及结果分析 188
7.4 电机的温升特性实验 189
7.4.1 温升测量系统 189
7.4.2 实验结果及分析 190
本章小结 191
参考文献 191
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