固定風速時升力型與阻力型轉子的電流電壓特性研究*

何景恒　程 霞　萬澤華

*國家大學生科研創新基金資助，編號：201410256154；上海市大學生科研創新基金資助．

指導教師：陳東生(1978-　)，男，博士，主要研究方向為薄膜電池．

(上海電力學院　上海　201400)

張庚華

(武警政治學院　上海　200435)

陳東生

(上海電力學院　上海　201400)

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固定風速時升力型與阻力型轉子的電流電壓特性研究*

何景恒程 霞萬澤華

*國家大學生科研創新基金資助，編號：201410256154；上海市大學生科研創新基金資助．

指導教師：陳東生(1978-)，男，博士，主要研究方向為薄膜電池．

(上海電力學院上海201400)

張庚華

(武警政治學院上海200435)

陳東生

(上海電力學院上海201400)

摘 要：搭建了風力發電的實驗裝置，并利用該裝置研究了固定風速時升力型與阻力型轉子的電流-電壓特性曲線的關系，同時測定不同情況下的功率關系．

關鍵詞：固定風速升力型轉子阻力型轉子電流-電壓

1引言

風是一種潛力很大的新能源，目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內所提供能量的三分之一．風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視．其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍．20世紀30年代，丹麥、瑞典、前蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置．現在，人們感興趣的，首先是如何利用風來發電，以及不同類型的轉子的電流-電壓特性曲線．

2實驗原理

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電．依據目前的風車技術，大約是3m/s2的微風速度(微風的程度)，便可以開始發電．盡管風力發電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：一是水平軸風力發電機，風輪的旋轉軸與風向平行；二是垂直軸風力發電機，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向．

水平軸風力發電機可分為升力型和阻力型兩類．升力型風力發電機旋轉速度快，阻力型旋轉速度慢．對于風力發電，多采用升力型水平軸風力發電機．

正常運行中，風力發電裝置的負載也對轉子有影響；通過測量升力型以及阻力型轉子的能效，我們將觀察到，風力發電裝置的安裝式是能量轉換性能的決定因素．固定風速下，測量風力發電裝置的輸出特性曲線即可了解升力型以及阻力型轉子的特性．其實驗原理圖如圖1所示．

圖1　實驗原理圖

3固定風速時升力型與水平軸轉子的電流-電壓特性曲線

3.1實驗步驟

(1)建立好實驗系統．風力轉換器作為升力型或者阻力型．

(2)將電壓表的測量范圍調至“DCV20V”，電流表的測量范圍調至“DCA200mA”．鼓風機設定一個確定的風速，在整個試驗中風速不變，首先將風能轉換器以升力型模式來使用．

(3)負載中的電位器在0～100Ω取不同的值．

(4)在測量表格中記錄每次測量的電壓和電流值．

(5)計算其輸出功率．并且針對無負載運行狀況，添加額外的測量點(電流為零時)．為此，斷開負載與電流表間的連線．再將風能轉換器以阻力型模式，重復做之前的實驗．為此，先將風扇葉片傾斜角度設置為零．然后去掉保護罩，安裝擋風板．將轉換器從先前實驗中的位置，再向右旋轉90°，之后將其與底座板固定安裝好．設置如表1.

表1　設置參數

3.2實驗數據及分析

固定風速時升力型與阻力型轉子的數值如表2所示.

表2　固定風速時升力型與阻力型的數值

圖2　固定風速時升力型與阻力型轉子的特性關系

由圖2可知：在固定風速下，升力型與阻力型的電流電壓關系均呈現出直線關系．在相同的電壓下，升力型轉子產生的電流要遠大于阻力型的轉子．

同時，為了研究不同轉子的功率大小，其升力型轉子與阻力型的轉子的功率如圖3所示.

圖3　固定風速時升力型與阻力型轉子的功率關系

4結論

由圖3可知，升力型與阻力型轉子的功率均呈現出先增大后減小的特性曲線關系．升力型產生的功率最高．與阻力型轉子相比，升力型轉子的所有風扇葉片能全部被鼓風機產生的風吹到．所以升力型轉子能產生更大的功率．越高的負載電阻，導致轉換器轉速越高．越低的電流，導致轉換器轉速越高．

參 考 文 獻

1姚興佳,王士榮，等.風力機的工作原理.技術講座,2006,2(126)：87～89

2Mathew,Sathyajith.WindEnergyFundamentals,ResourceAnalysisandEconomics.Netherlands.Springerlink,2006

3李濱波,段向陽. 風力發電機原理及風力發電技術.湖北電力,2007，31(6):54～55

4張照煌,劉衍串，等. 中型水平軸風力發電機原理的研究.電力情報,1998(3):36～38

5Jelavic,M.Peric,N.&Ivan.P.IdentificationofWindTurbineModelforControllerDesign.IEEE,2006.1 608～

1 613

6林閩, 張崇巍，等.小型風力發電機葉輪設計.風機技術,2007(1):28～47

7A.Stabile,A.J.MarquesCardoso.Efficiencyanalysisofpowerconvertersforurbanwindturbineapplications.IEEE,2010,6～9

收稿日期：(2013-05-07)