槳距角對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率影響實(shí)驗(yàn)裝置的研究設(shè)計(jì)

趙麗軍，檀煒民，鮑金雨，張立寶，藺　凱

(沈陽工業(yè)大學(xué),沈陽　110870)

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槳距角對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率影響實(shí)驗(yàn)裝置的研究設(shè)計(jì)

趙麗軍，檀煒民，鮑金雨，張立寶，藺凱

(沈陽工業(yè)大學(xué),沈陽110870)

利用風(fēng)力發(fā)電原理，制作簡易定槳距風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置。測量風(fēng)力發(fā)電裝置輸出功率及風(fēng)能利用系數(shù)，利用測量結(jié)果探究同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)有關(guān)運(yùn)行參數(shù)隨槳距角改變的變化規(guī)律。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；槳距角；葉尖速比；風(fēng)能利用系數(shù)

煤、石油、天然氣等能源在地球上已探明的蘊(yùn)藏量是有限的，人類目前利用這些能源的消耗速度估算，石油和天然氣不過幾十年，煤不過一百年就會消耗盡。因此，進(jìn)一步開發(fā)利用新能源已顯得十分迫切。風(fēng)能是一種清潔的可再生新能源,儲量豐富且取之不盡、用之不竭[1]。風(fēng)能的利用日益受到全世界的重視近些年來，我國對風(fēng)能利用的重視程度不斷加大，對風(fēng)力發(fā)電的研究得到很多高校和研究所的重視。

葉輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，它直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性能指標(biāo)—風(fēng)能利用系數(shù),其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素[2-4]。而風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有直接關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)裝置的研究設(shè)計(jì)中，主要采用設(shè)計(jì)不同的葉片安裝角度來模擬葉片的槳距角，分析風(fēng)機(jī)的輸出功率與槳距角關(guān)系曲線，確定所制作風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片在確定風(fēng)速下的最優(yōu)槳距角度。

1　風(fēng)力發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要由槳葉輪轂、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、變頻裝置等組成。其中，風(fēng)輪從風(fēng)能中捕獲的功率為:

(1)

式中，P—風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率；ρ—空氣密度；A—槳葉掃掠面積；CP—風(fēng)能利用系數(shù)；λ—葉尖速比；β—槳距角；V—風(fēng)速。

在風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中利用風(fēng)能利用系數(shù)CP來描述風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率，其可看作為葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)關(guān)系。根據(jù)公式(1)或貝茲理論推導(dǎo)可得

(2)

葉輪葉片尖端的線速度與來流風(fēng)速之比稱為葉尖速比，可表示為：

(3)

式中，V1—葉輪葉片尖端的線速度；n—葉輪轉(zhuǎn)速；R葉輪半徑。

尖速比決定了葉輪的功率[5-6]，合理的選取最優(yōu)尖速比可使葉輪功率達(dá)到峰值。

如圖1所示，風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)動速度V1與風(fēng)速V的相對速度W稱為相對風(fēng)速，其方向與葉片弦線形成的夾角α為攻角，在氣流作用下產(chǎn)生的作用力dR分解為升力dL及阻力dD，在不同槳距角下的攻角不同，攻角增大到某個(gè)臨界角度后，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速，此時(shí)的攻角即為失速角。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出于惡劣環(huán)境中工作或風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，人們設(shè)法使風(fēng)輪葉片進(jìn)入失速攻角降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速從而保護(hù)發(fā)電機(jī)。由于本實(shí)驗(yàn)所用葉片無扭角，因此同一槳距角下從葉根到葉尖隨著線速度增大攻角減小，通過改變槳距角來改變攻角，測量在同風(fēng)速下不同槳距角下轉(zhuǎn)速、功率、葉尖速比及風(fēng)能利用系數(shù)的變化情況。

圖1　葉片在氣流中的受力分析

2　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括風(fēng)力發(fā)電模擬裝置、負(fù)載電路及測試儀器。風(fēng)力模擬裝置包括聯(lián)接片、葉片、三相同步交流發(fā)電機(jī)、支架和對風(fēng)裝置；測試儀器包括示波器及風(fēng)速計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，葉片槳距角角度的變化采用具有不同角度的葉片聯(lián)接片來實(shí)現(xiàn)。聯(lián)接片槳距角從5°到70°共14片，每兩片間相差5°，更換聯(lián)接片即可獲得不同槳距角。由風(fēng)扇模擬來流風(fēng)，經(jīng)葉片轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流三相電，其中一相接入示波器測量周期，再經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電接入負(fù)載電路。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置圖

3　數(shù)據(jù)測量

風(fēng)力發(fā)電裝置功率為：

P=UI

(4)

式中，U—發(fā)電機(jī)輸出電壓；I—發(fā)電機(jī)輸出電流。

本實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)電機(jī)為三相同步交流發(fā)電機(jī)，磁極對數(shù)為6，由頻率與轉(zhuǎn)速間關(guān)系：

f=pn/60

(5)

式中，f—電壓頻率；p—磁極對數(shù)；n—轉(zhuǎn)速。

用示波器測出電壓頻率即可求出轉(zhuǎn)速，從而求出葉片線速度。葉片上獲取的風(fēng)速可直接由風(fēng)速計(jì)測出，至此利用公式3就可求出葉尖速比的大小。葉片長度(包括連接片)R=0.186 m，風(fēng)速設(shè)定為V=5.1 m/s，空氣ρ=1.29 kg/m3。實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)

4　數(shù)據(jù)處理

由公式2和公式4可直接計(jì)算出功率P和風(fēng)能利用系Cp；根據(jù)線速度與角速度和轉(zhuǎn)速關(guān)系V1=2πnR/60可得線速度；由公式3及頻率與周期間關(guān)系可得葉尖速比λ=2πR/(TP)，具體數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。

表2　計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)算結(jié)果，可得槳距角與轉(zhuǎn)速、葉尖速比、功率及風(fēng)能利用系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　槳距角與風(fēng)機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)間關(guān)系曲線

由上圖可以看出，隨著槳距角增大，當(dāng)槳距角增大到25°附近，轉(zhuǎn)速n減小幅度較大，此時(shí)葉尖失速比達(dá)到最大為4.66，這說明所測試的葉片在槳距角θ為25°左右時(shí)受失速影響最大，若此槳葉用于風(fēng)力發(fā)電，遇突發(fā)狀況時(shí)可將槳距角調(diào)至大于25°方可減小轉(zhuǎn)速，保護(hù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。從P變化曲線看出，測試的槳葉在槳距角為25°左右能獲得較高的Cp值，結(jié)合兩圖看出，槳距角在接近25°時(shí)，轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，Cp值也較高?？梢姡魧⒋藰~投入應(yīng)用，將槳距角設(shè)定在接近臨界角25°能充分發(fā)揮槳葉的潛力，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用價(jià)值。

5　結(jié)　　論

利用自制實(shí)驗(yàn)儀器，通過槳距角的大小改變可以測量出負(fù)載上電壓及電流的變化。由實(shí)驗(yàn)測得的槳距角與風(fēng)機(jī)運(yùn)行各相關(guān)參數(shù)關(guān)系曲線可看出，葉尖速比及轉(zhuǎn)速曲線變化規(guī)律相似而風(fēng)能利用系數(shù)及功率曲線的變化規(guī)律相似，這樣結(jié)果與理論是相符的，因此認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)裝置是可行的。但是通過分析實(shí)數(shù)據(jù)也看出該實(shí)驗(yàn)裝置存在一些問題，比如在槳距角為5°、10°及70°的時(shí)候，葉片沒有旋轉(zhuǎn)，所以發(fā)電機(jī)沒有發(fā)電。分析其原因可能是由于葉片為手工制作，不能得到純理論計(jì)算中的理想翼型，所以出現(xiàn)在5°、10°槳距角度的情況下，葉片不轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)不能發(fā)電的情況；而在槳距角為70°的情況下，由于達(dá)到失速角度后，葉片自行抑制了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，所以也不會有電產(chǎn)生。另外風(fēng)能利用系數(shù)，根據(jù)理論計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)的最大值可達(dá)到0.593，而經(jīng)本實(shí)驗(yàn)裝置測試計(jì)算后最大只能達(dá)到，分析其原因可能有兩方面。其一，跟前面所述的問題原因相同，由于葉片的翼型不理想造成；其二，由于裝置后面交直流轉(zhuǎn)換部分及負(fù)載部分電路簡單，造成發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能損失較多。

[1]王長貴,喜文華,張煥芬,等.中國新能源的開發(fā)與利用[M].北京:能源出版社,1986,109-113.

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[3]汪浩，張驍勇.利用地鐵隧道風(fēng)能發(fā)電的設(shè)計(jì)與研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012(4)：9-13.

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Study on the Effect of Pitch Angle Design of the Wind Generator Output Power and Other Parameters of the Experiment Equipment

ZHAO Li-jun，TAN Wei-min，BAO Jin-yu，LIN Kai

(Shenyang University of Technology,Liaoning Shenyang 110870)

The wind power generation principle is used to make the simple fixed pitch wind power generation experimental device.Measurements of wind power generation unit output power and Rotor power coefficient.By the measurement results to explore variation under the same wind speed wind generator operating parameters concerned with pitch angle change.

windturbine；pitch angle；tip speed ratio；rotor power coefficient

2016-03-18

1007-2934(2016)04-0008-04

O 4-3

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.003