風洞實驗室微型風力機功率測量實驗設計

摘 要： 針對現有的風力機風洞試驗操作要求高且安全性難以保證的特點，設計開發一套微型風力機功率測量裝置。該裝置由聯軸器、動態扭矩儀、微型直流電動機、直流負載及可控直流電壓源組成。同時為解決機電轉換效率較低，不能準確獲得微型風力機實際功率輸出的問題，實驗時先測試微型風力機的軸功率輸出效率，擬定函數關系式；再依據公式推導出微型風力機實時軸功率。該裝置安全可靠，可用于新能源專業的實驗課程教學，提升學生對風力機空氣動力學的認知，使學生掌握風力機整機氣動特性的風洞測試方法，培養學生獨立實踐的能力，具有良好的推廣價值。

關鍵詞： 風洞試驗; 功率測量; 微型風力機; 風力機空氣動力學

中圖分類號： TB9; V211.7; TM315 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0129–06

0 引 言

風能作為可持續的、儲量巨大的綠色能源，是可再生能源的主要形式之一。目前，我國對風能的開發和利用還遠沒有達到預期，在未來20 年我國預期風能的發電量占比將從5% 提升至15% 左右[1-2]。為了進一步提高風能利用率，在全球范圍內大型風電技術的發展和建設已經拉開序幕，因此培養滿足現代大型風力機智能技術需求的新能源科學專業技術人才已經成為高等學校相關學科的緊迫任務。對于風力機而言， 如何提升其旋轉風輪的旋轉功率是解決這一需求的核心技術[3]。風輪旋轉狀態的氣動特性與靜態存在較大差別，準確預測旋轉風輪的氣動變化規律還有待更深入的研究。在傳統的風力機空氣動力學教學中，高校實驗室普遍缺乏必要的風洞及相匹配的模型風力機，同時風洞測試相關技術要求高且安全性難以保證，一般多為航空類科研機構才具備條件。現有的風力機風洞實驗均為科研導向，全世界最著名兩個風力機風洞實驗為：歐盟4.5 m 直徑的MEXICO 風力機風洞實驗[4] 及美國可再生能源實驗室10.08 m 直徑的Phase VI 風洞實驗[5]，顯然上述實驗中由于實驗設備大電流強電壓的存在，不利于開展教學工作。因此學生的實踐操作機會非常少，這也一直是風力機相關實驗教學的瓶頸。原有的教學方法、教學設施難以適應新的教學內容要求，使學生學習的積極性、主動性受到很大的限制，在深入理解理論知識、全面掌握理論知識方面存在一定的難度[6-7]。

基于上述原因，本文設計搭建微型風力機功率測試裝置，并詳細說明設計思路。采用間接測量的方式，事先獲取軸功率與輸出電流及轉速的關系，從而在實驗時對風力機的軸功率進行準確擬合。整個功率系統操作流程簡潔，控制精度高，對風洞實驗中縮比模型氣動特性研究具有一定的借鑒價值。

1 整體方案設計

1.1 設計思路與要求

微型風力機功率測量教學實驗設計的目的是模擬小比尺的模型風力機的功率輸出。為此本文基于旋轉風輪氣動性能和微型直流發電機特性開發了微型風力機功率測量裝置，可進行轉速控制，轉速上下限范圍大，輸入電壓低。同時配備數據采集處理系統，可將轉速、輸出電流電壓信號上傳至上位機，直觀地將數據展現給學生，從而引導學生進行風輪尺寸、葉尖速比、槳距角等參數與發電量之間關系的探究，掌握實際工程中風機選型的方法[8-9]，更進一步加深學生對風力機空氣動力學概念的理解，實驗整體方案設計需滿足以下要求：

1） 盡可能模擬真實旋轉風力機，即來流風速7～10 m/s，且葉尖速比2～7 可調，并讓學生進行獨立實驗操作，直觀地觀察實驗，實現高真實性的風力機氣動特性實驗的教學。

2） 綜合考慮實驗教學環境及條件，實驗平臺設計不宜太過復雜，風力機直徑應在0.5 m 左右，同時考慮實驗裝置需高效率地采集旋轉狀態下的模型風力機的動態參數，需保證測量數據的準確與高精度，且需確保實驗能夠高效率的完成。

3） 實驗需配套有相應的數據采集器，可將所需要的數據上傳至上位機并實時保存，清晰記錄相關氣動特性曲線，以便更好地定量分析旋轉風力機非定常氣動特性。

4） 考慮實驗教學時學生人數過多，需盡可能減少學生在風洞實驗過程中接觸高風速、強電流、大電壓的情況，盡可能保證操作電壓在36 V 電壓以下，延長實驗平臺壽命同時降低實驗教學成本。

1.2 設計難點與方案

目前風洞中進行功率測量試驗的主要方式為采用動態扭矩傳感器加裝于旋轉風輪與電機之間，直接測量旋轉風輪的輸出扭矩，從而獲取軸功率。但是受限于扭矩傳感器尺寸，需要配備較大的風力機與發電機，一般所需風輪直徑1 m 以上，因此對于實驗教學有較大的限制[10]。對于教學研究而言，需要將風機模型小型化，即需要采用微型直流電機來制作微型風力機，而此類電機的機電轉換效率性能通常較差。已有的研究一般使用電機的電功率來表征風力機的性能[11-12]。然而由于發電機的機械和電氣損耗，電功率的數值Pe 顯然會小于風輪輸出的軸功率Pmech，兩者之間存在摩擦力矩損耗功率Pf，具體如圖1 所示。通過電功率表征將會得到有關風力機氣動性能的錯誤信息，而其他一些研究則利用已知的直流發電機方程來估計[13]，然而這樣的方法需要的電機特性參數過多，實驗過于繁瑣。為此在風洞試驗前需要準確測試模型風力機的性能。