小型風(fēng)力機(jī)功率測試方法分析

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

前言

風(fēng)能在清潔能源中占有了比較大的占有比重,風(fēng)能發(fā)電為作對風(fēng)能利用的主要形式逐漸受到了普遍的看重。風(fēng)，是人類最早認(rèn)識的自然現(xiàn)象之一，同時也無處不在，由陽光照射到地球表面時導(dǎo)致各處受熱不均勻，形成溫差引起大氣的相對運動而產(chǎn)生的。風(fēng)能卻是空氣流動所產(chǎn)生的動能，風(fēng)能是一種活躍的清潔能源，取之不盡，用之不竭，儲量豐富。科學(xué)利用風(fēng)能資源，不僅可以因能源短缺造成的日益嚴(yán)重的危機(jī)，而且可以減少對環(huán)境的破壞。

中小型風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步受到缺乏獨立的性能測試和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的限制。對于中小型風(fēng)力機(jī)的紡織試驗工作世界各國紛紛投資進(jìn)入。其中，相繼啟動了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能試驗項目研究的是美國、英國、加拿大和臺灣。中國對于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測試和認(rèn)證也非常重視。在評價中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)中，功率特性是最重要的。它不僅可以作為風(fēng)力機(jī)控制方案的依據(jù)，而且可以判斷風(fēng)力機(jī)的輸出性能。整機(jī)改進(jìn)起到指導(dǎo)作用。

一、理論基礎(chǔ)

(一)功率系數(shù)

1.風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率

(1-1)

式中 р——風(fēng)能轉(zhuǎn)換功率，w；

ρ——空氣密度，kg/m2；

s——風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效作用面積，m2；

ν——平均風(fēng)速，m/s。

二、功率測試方法分析

(一)Matlab工具計算法

分析風(fēng)力機(jī)葉片的受力，借助Matlab工具進(jìn)行算式推演，使用風(fēng)力功率公式進(jìn)行算式推演。

(二)FLuent軟件模擬法

利用FLuent軟件在風(fēng)力機(jī)給定風(fēng)速下的氣動流場流態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行分析，力矩風(fēng)能利用系數(shù)和入流角等參數(shù)進(jìn)行計算來進(jìn)行研究。

對兩種方法的優(yōu)缺點比較：分析風(fēng)力機(jī)葉片，借助外部流體阻力算式，查表找出阻力系數(shù)，采用Matlab計算機(jī)軟件，得到了許多系列方程的能量使用系數(shù)c的途徑，查找表格得到了阻力系數(shù)。大量的該系數(shù)是從實驗測試?yán)锏贸鰜淼?，實驗條件和空氣壓力、溫度、濕度等因素都會對其造成影響，以及書中常用的數(shù)值都來自于很多都是很久以前測得的，欠缺了可信度。該方法還存在許多的缺陷，需要解決。

得到功率值和風(fēng)能利用系數(shù)的得出，首先要得到轉(zhuǎn)軸的扭矩值，而轉(zhuǎn)軸的扭矩值是通過對風(fēng)力機(jī)流場進(jìn)行分析和仿真(利用fluent軟件)來得到的。還有一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)如風(fēng)速、空氣密度和轉(zhuǎn)速，需要實驗測量。最后，需要將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較是為了更有效地設(shè)計和改進(jìn)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)。

(三)Matlab軟件編程法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測試系統(tǒng)采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)，并通過Matlab軟件編寫的分析程序?qū)Σ杉降娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場分析處理的基礎(chǔ)是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測試工作。縮減整個測試期間的效果顯著，對風(fēng)力機(jī)的測試工作進(jìn)行精簡化處理，測試設(shè)施增加了可視化性能，使用起來變得更加方便快捷。

(四)Matlab軟件和GUI控制模塊綜合編程法

以試驗標(biāo)準(zhǔn)中的bin法為方法的前提條件。針對現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組功率特性試驗結(jié)果分析方法中存在著不能自動篩選和計算現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的不足的問題，提出了一種改進(jìn)的現(xiàn)場風(fēng)電機(jī)組功率特性試驗數(shù)據(jù)分析方法。對具體的風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組試驗數(shù)據(jù)作為實驗對象，編寫測試程序(采Matlab軟件和GUI控制模塊)，對測試的風(fēng)力機(jī)功率曲線進(jìn)行處理和分析放在試驗現(xiàn)場進(jìn)行，對傳統(tǒng)分析方法的不足進(jìn)行了改進(jìn)，風(fēng)力機(jī)功率的測試效果得到了提高，測試結(jié)果時間得到了縮短。

優(yōu)點:與過去的實驗方法相較而言，測試數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、功率曲線去除可視化等是本發(fā)明具有的鮮明特點，風(fēng)電功率測量的效率得到了提高，整個測試周期得到了縮短，對后期風(fēng)機(jī)功率預(yù)期等工具具有一定的實用價值。

傳統(tǒng)測試方法的缺點:一、對計算結(jié)果和風(fēng)機(jī)實時功率曲線的可視化傳統(tǒng)設(shè)備是沒有的；其次，對風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的后處理來由人工完成，手動解析，測試周期得到了增加。結(jié)合Matlab數(shù)據(jù)處理軟件采集平臺和LabVIEW軟件，功率測試按照IEC標(biāo)準(zhǔn)。

本方法具有大時間范圍監(jiān)測現(xiàn)場中的參量、預(yù)修正、記憶、解析等能力，現(xiàn)有的excel生成報表過程工作量不輕松、易出錯等瑕疵得到了改進(jìn)，Matlab強(qiáng)大的功能對現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，為可靠的評估實際系統(tǒng)的功率特性供給了的實驗數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論

1)數(shù)值模擬對相關(guān)參數(shù)有嚴(yán)格的要求，現(xiàn)場測試對實驗條件有要求。

2)功率測試法改進(jìn)的方向是是在進(jìn)一步提高功率測試的可視性化和精確度化、縮短測試周期。進(jìn)而能更加真實客觀的反映風(fēng)力機(jī)運行性能，進(jìn)而為提高經(jīng)濟(jì)效益提供建設(shè)性意見，風(fēng)力機(jī)實驗功率測試中，對于可能影響到功率測試的相關(guān)因素要進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而提高整體測試的精確性。