槳距角和材料對風力發電功率的影響

李契 吳昌義 付雯靜 楊珂

摘 要：本工作根據自制的YFL-1型多功能風力發電實驗儀研究了影響風機輸出功率的影響因素，為了弄清影響風力發電實驗儀各個因素對輸出功率的作用效果，得出了不同的風速對輸出功率的效果顯著，并自制了30°和60°漿距角的葉片，進行實驗比較，同時制作料鎂合金和鋁合金的風輪葉片，進行相關的實驗研究，澄清了風輪葉片的風速、風輪葉片的槳距角、葉片材料對風力發電輸出功率的影響的規律，能夠指導進行風力發電實驗設備的開發和研究。

關鍵詞：風力發電 實驗儀 輸出功率 風速 槳距角

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0036-02

1 論文研究背景及研究意義

風能是可再生的清潔能源，資源分布廣、總儲量巨大，在一定的技術條件下，風能可作為一種重要的能源得到開發利用。隨著對環境的保護更加重視，作為環保型能源的風能，未來的發展前景更為可觀[1]。

對風力發電實驗儀的研制，特別是對風力發電實驗儀的輸出功率的研究，取得了一些實驗和理論成果。耿耀輝等人[2]進行風輪葉尖速比與實驗儀輸出功率關系實驗，分析了影響實驗儀輸出功率的因素。但是在葉片的材料和漿距角對輸出功率的影響上，目前在國內報道的比較少[3]。

本項目將風力發電實驗儀進行了改進和設計，設計出不同材料和槳距角的葉片，并研究了其對風力發電輸出功率的影響。

2 研究過程和方法

本工作的所有的測量全部在自制的YFL-1型多功能風力發電實驗儀上進行，采用兩種不同漿距角和鎂以及鋁材料的葉片，進行實驗。風機電壓是220V，負載正常工作后為5V，電流為1A，風速測量采用風速儀進行測量。

3 實驗結果和討論

3.1 風速對風力發電機輸出功率的影響

用風速儀測量出軌道上不同在位置的風速，移動風力發電滑塊到不同風速位置上，觀察不同葉片轉動時雙顯表上的電流電壓大小，將測試數據記錄匯總并得到圖1。

由此可見，在風速較小時，由于摩擦阻力或其他阻力導致的內部阻礙作用，輸出功率幾乎為零。在風速超過4m/s之后，發電機的輸出功率隨風速的增加而增加，輸出功率與風速是成正相關的關系。

3.2 葉片特性對風力發電機輸出功率的影響

該實驗采用控制變量法，在測量風速與風力發電機輸出功率關系時以型號為1，葉片數量為6、槳距角為30°，葉片長度為17.5cm的鋁制和鎂制風輪葉片進行實驗對比。

3.2.1 葉片槳距角對風力發電機輸出功率的影響

將測試數據記錄匯總得到圖2。

由圖2可以得出，槳距角對風機的輸出功率無較大影響。不同風速下，槳距角為15°時的風機輸出功率略大于槳距角為30°時的風機輸出功率，尤其在風速較強時，更加顯著。經過分析，認為不同的槳距角直接決定的是葉片迎風面積的大小，可能在高風速時，面積越打，輸出功率越高。

3.2.2 葉片材料對風力發電機輸出功率的影響

其他變量不變，設計了鎂和鋁不同材料葉片下的發電機輸出功率值，并將數據記錄整理得到圖3。

由此可見，鋁制葉片相比于鎂制葉片，其風機輸出功率略高。相對而言，可能密度越大的材料的輸出功率越大。而且，這種差距在風速越大的時候，表現的越顯著。

4 結語

經過分析和整理，最終我們認為風速和葉片的材料對風力發電儀的輸出功率產生影響。其中風速是直接影響輸出功率的主要因素之一。另外，通過對葉片特性的分析，認為葉片槳距角對輸出功率影響不大，而葉片的材質會產生顯著影響。影響的具體原因主要是葉片的密度，葉片密度越大，慣性越大，能量損耗越低。

參考文獻

[1] 羅承先.世界風力發電現狀與前景預測[J].中外能源，2012，17（3）：24-31.

[2] 耿耀輝，張穎濤，孫佩雄，等.風能發電物理實驗教學探討[J].大學物理，2014，33（4）：25-28.

[3] 刁瑞盛.風力發電對電網的影響研究[D].浙江大學，2006.