風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀

黃建群

（四川大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都610065）

1 引 言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，蘊(yùn)量巨大．全球的風(fēng)能約為2．7×1012k W，其中可利用的風(fēng)能為2×1010k W，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量要大10倍．隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，對(duì)環(huán)境的保護(hù)更加重視，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到世界各國(guó)的青睞．

大力發(fā)展風(fēng)電等新能源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求．發(fā)展風(fēng)電不但具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且與自然環(huán)境和諧共生，不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響．近幾年，隨著我國(guó)的風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)取得突破，風(fēng)力發(fā)電取得飛速發(fā)展．

與其他能源相比，風(fēng)力和風(fēng)向隨時(shí)都在變動(dòng)中．為適應(yīng)這種變動(dòng)，最大限度地利用風(fēng)能，近年來(lái)在風(fēng)葉翼型設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型研制、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式、并網(wǎng)發(fā)電的安全性等方面，都進(jìn)行了大量的研究，取得重大進(jìn)展，為風(fēng)力發(fā)電的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)．

2 原 理

2．1 風(fēng)能與風(fēng)能的利用

設(shè)風(fēng)速為v，空氣密度為ρ，單位時(shí)間通過(guò)垂直于氣流方向，面積為S的截面的氣流動(dòng)能為

空氣的動(dòng)能與風(fēng)速的立方成正比．

風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp定義為風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出功率與流過(guò)風(fēng)輪截面S的風(fēng)能之比．理論最大值為0．593．Cp隨風(fēng)力機(jī)的葉片型式及工作狀態(tài)而變，商品風(fēng)機(jī)工作時(shí)，Cp一般在0．4左右．

在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系合并為變量葉尖速比，定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，即

式中：ω為風(fēng)輪角速度，R為風(fēng)輪最大旋轉(zhuǎn)半徑（葉尖半徑）．

理論分析與實(shí)驗(yàn)表明，葉尖速比λ是風(fēng)機(jī)的重要參量，其取值將直接影響風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)Cp．圖1表示某風(fēng)輪葉尖速比與功率系數(shù)Cp的關(guān)系，由圖可見(jiàn)在一定的葉尖速比下，風(fēng)輪獲得最高的風(fēng)能利用率．

圖1 風(fēng)輪葉尖速比λ與功率系數(shù)C P關(guān)系

對(duì)于同一風(fēng)輪，在額定風(fēng)速內(nèi)的任何風(fēng)速，葉尖速比與功率系數(shù)的關(guān)系都是一致的．也就是說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也應(yīng)相應(yīng)變化，才能最大限度地利用風(fēng)能．

不同翼型或葉片數(shù)的風(fēng)輪，Cp曲線的形狀不同，Cp最大值與最大值對(duì)應(yīng)的λ值也不同．

2．2 風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)方式

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)都有切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速幾個(gè)參量．

切入風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)風(fēng)速．高于此風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)組能克服傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的效率損失，產(chǎn)生有效輸出．

切出風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)風(fēng)速．高于此風(fēng)速后，為保證風(fēng)電機(jī)組的安全而停機(jī)．

額定風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的基本設(shè)計(jì)參量．額定風(fēng)速與額定功率對(duì)應(yīng)，在此風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到最大輸出功率．

額定風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組的平均輸出功率有決定性的作用．額定風(fēng)速偏低，風(fēng)電機(jī)組會(huì)損失掉高于額定風(fēng)速時(shí)的很多風(fēng)能．額定風(fēng)速過(guò)高，額定功率大，相應(yīng)的設(shè)備投資會(huì)增加，若實(shí)際風(fēng)速大部分時(shí)間都達(dá)不到此風(fēng)速，會(huì)造成資金浪費(fèi)．而且額定風(fēng)速高，設(shè)備大以后，切入風(fēng)速會(huì)相應(yīng)提高，會(huì)損失低風(fēng)速風(fēng)能．

額定風(fēng)速要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)．商業(yè)風(fēng)電機(jī)組，額定風(fēng)速在10～18 m／s，切入風(fēng)速在3～4 m／s，切出風(fēng)速在20～30 m／s．

風(fēng)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速的基本關(guān)系如圖2所示．

圖2 風(fēng)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)速在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間改變時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)工作在最佳葉尖速比狀態(tài)，最大限度地利用風(fēng)能．

風(fēng)速在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，要使輸出功率保持在額定功率，使電器部分不因輸出過(guò)載而損壞．目前的商業(yè)風(fēng)電機(jī)組大都采用變漿距調(diào)節(jié)達(dá)到此目的．

漿距角β定義為螺旋槳的槳葉上某一指定剖面處（通常在相對(duì)半徑0．7處），風(fēng)葉橫截面前后緣連線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角．

對(duì)于葉片形狀確定的槳葉，漿距角β有最佳值，使功率系數(shù)Cp達(dá)到最大．

變漿距調(diào)節(jié)是在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，增大漿距角β，使功率系數(shù)Cp下降，風(fēng)電機(jī)組在額定功率輸出電能．

3 實(shí)驗(yàn)儀器

風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示．

圖3 風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置

風(fēng)輪直接固定在發(fā)電機(jī)軸上，由緊固螺帽鎖緊．風(fēng)扇由調(diào)壓器供電．改變調(diào)壓器輸出電壓，可以改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)速．為減小其他氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，風(fēng)扇與風(fēng)輪之間用有機(jī)玻璃風(fēng)罩連接．風(fēng)扇內(nèi)裝有風(fēng)速傳感器，發(fā)電機(jī)端裝有轉(zhuǎn)速傳感器，由轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表的2行顯示分別顯示轉(zhuǎn)速與風(fēng)速．發(fā)電機(jī)輸出的3相交流電經(jīng)整流濾波成直流電后輸出到電子負(fù)載，電壓、電流表測(cè)量負(fù)載兩端的電壓與流經(jīng)負(fù)載的電流，電流電壓的乘積即為發(fā)電機(jī)輸出功率．電壓、電流表的2行顯示分別顯示電壓與電流．風(fēng)機(jī)葉片翼型對(duì)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率影響很大，葉片翼型可分為平板型、風(fēng)帆型和扭曲型．平板型和風(fēng)帆型易于制造，但效率不高．扭曲型葉片制造困難，效率高．

實(shí)驗(yàn)裝置配扭曲型可變漿距3葉螺旋槳、風(fēng)帆型3葉螺旋槳及平板型4葉螺旋槳3種螺旋槳，供對(duì)比研究．

大型風(fēng)機(jī)的變漿距系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)控制．該實(shí)驗(yàn)裝置采用手動(dòng)調(diào)節(jié)．扭曲型可變漿距3葉螺旋槳上有角度刻線，松開(kāi)風(fēng)葉緊固螺釘，風(fēng)葉可以繞軸旋轉(zhuǎn)，改變漿距角．風(fēng)葉離指示圓點(diǎn)最近的刻度線對(duì)準(zhǔn)風(fēng)葉座上的刻度線時(shí)，風(fēng)葉位于最佳漿距角．以后每轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)刻度線，漿距角改變3°．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4．1 風(fēng)速、發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間關(guān)系測(cè)量

斷開(kāi)負(fù)載，測(cè)量在不同風(fēng)速下的空載轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量結(jié)果由圖4～5所示．

圖4 發(fā)電機(jī)（風(fēng)機(jī)）空載轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)速v的關(guān)系

圖5 發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)εr與轉(zhuǎn)速ω的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成線性關(guān)系．直線不通過(guò)原點(diǎn)，是因?yàn)轱L(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力．

由圖5可知，發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，符合電磁感應(yīng)原理．

4．2 測(cè)量3種不同翼型葉片，風(fēng)輪葉尖速比λ與功率系數(shù)Cp關(guān)系

風(fēng)速保持不變．連接負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載大小，負(fù)載越大（負(fù)載電阻越小），風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越慢．記錄在不同轉(zhuǎn)速時(shí)輸出的電壓和電流，計(jì)算發(fā)電機(jī)輸出功率、葉尖速比、功率系數(shù)．測(cè)量結(jié)果如圖6～8所示．

無(wú)論哪一種風(fēng)輪，輸出功率都隨葉尖速比而改變，在最佳葉尖速比時(shí)，功率系數(shù)最大．

圖6 扭曲型3葉片風(fēng)輪功率系數(shù)

圖7 風(fēng)帆型3葉片風(fēng)輪功率系數(shù)

圖8 平板型4葉片風(fēng)輪功率系數(shù)

功率系數(shù)的最大值與葉片翼型密切相關(guān)，上述3種風(fēng)輪中，扭曲型功率系數(shù)最大．

葉片翼型不同，葉片數(shù)不同，Cp峰值對(duì)應(yīng)的λ值也不同．

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)控制葉尖速比，才能最大限度利用風(fēng)能．

4．3 切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)額定風(fēng)速假定為6 m／s．

采用何種功率調(diào)節(jié)方式可以使風(fēng)機(jī)從風(fēng)力中獲取最大風(fēng)能？本實(shí)驗(yàn)比較調(diào)節(jié)葉尖速比，恒定轉(zhuǎn)速2種方式下，風(fēng)機(jī)輸出功率的情況．在目前實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，永磁發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)采用控制葉尖速比的調(diào)節(jié)方式，感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定．

控制葉尖速比調(diào)節(jié)方式時(shí)，由測(cè)量不同翼型時(shí)片，風(fēng)輪葉尖速λ與功率系數(shù)Cp關(guān)系實(shí)驗(yàn)中確定最佳葉尖速比λm，在各種風(fēng)速下通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，記錄輸出電壓和電流，計(jì)算輸出功率．

固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，一般使轉(zhuǎn)速在額定風(fēng)速時(shí)Cp達(dá)到最大．若隨意選擇轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用效率會(huì)更低．不同風(fēng)速下調(diào)節(jié)負(fù)載大小，保持轉(zhuǎn)速不變，記錄風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)輸出電壓和電流，計(jì)算輸出功率．

測(cè)量結(jié)果如圖9所示．2條曲線在額定風(fēng)速時(shí)重合，在其他區(qū)段，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，控制葉尖速比的功率較大，說(shuō)明采用控制葉尖速比的調(diào)節(jié)方式，風(fēng)機(jī)獲取的能量更大．

圖9 切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)速基本恒定的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但年發(fā)電量比采用控制葉尖速比的機(jī)組低約20%，新建大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已不再采用．

4．4 額定風(fēng)速到切出風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

風(fēng)速在額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率達(dá)到額定功率．當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，若負(fù)載維持不變，采用變漿距調(diào)節(jié)使風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速不變，就可使輸出功率維持在額定功率．

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，檢測(cè)輸出功率和轉(zhuǎn)速，連續(xù)調(diào)節(jié)漿距角就可以使風(fēng)力變化時(shí)輸出功率維持不變．在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為增加感性認(rèn)識(shí)，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，從原理上驗(yàn)證以上過(guò)程．

實(shí)驗(yàn)時(shí)，記錄額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速及輸出電壓、電流、功率．停機(jī)后取下風(fēng)輪，將3個(gè)葉片的漿距角調(diào)大3°．開(kāi)機(jī)并調(diào)節(jié)風(fēng)速，風(fēng)速變化時(shí)保持負(fù)載不變，可以觀測(cè)到漿距角改變后，在更大的風(fēng)力下轉(zhuǎn)速才能達(dá)到額定風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速，記錄此時(shí)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速及輸出電壓、電流、功率．逐次調(diào)節(jié)漿距角，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同風(fēng)速下調(diào)節(jié)漿距角，可使輸出功率維持在額定功率．

結(jié)合圖9中固定葉尖速比的實(shí)驗(yàn)，變漿距調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出功率隨風(fēng)速的變化如圖10所示．

圖10 變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率與風(fēng)速關(guān)系

圖10表明，采用變漿距調(diào)節(jié)，在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后能使輸出功率保持不變，是控制功率的有效方式．

5 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生了解風(fēng)力發(fā)電的基本知識(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)可定量測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制方式．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新穎，儀器運(yùn)行可靠．

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