吳 斌 劉耀昌 田冰濤 王 穎 徐正興 陳東生

(上海電力學院數(shù)理學院 上海 201300)

1 引言

當今世界正面臨著能源危機，隨著新能源研究的推進與深入，風力發(fā)電得到了很好的普及.一個風力發(fā)電機組運用到多種原理知識，如電磁感應、流體力學及電能儲存技術(shù)等等.為了更好地探究風力發(fā)電機發(fā)電的模式和特性，學好風力發(fā)電機的原理、工作方法及風力發(fā)電過程，我們自制了一臺小型風力發(fā)電機，并發(fā)掘了以它為載體的一些應用性實驗.

2 流體力學原理

此風力發(fā)電機的設計關(guān)鍵在于風葉的設計，發(fā)電機依靠風葉將風能轉(zhuǎn)化為機械能.風葉的設計涉及到流體力學原理，其原理如圖1所示.

圖1 風葉受力原理圖

當氣流流經(jīng)圖1 所示形狀的葉片時，葉片上方的氣流速度增大，而葉片下方氣流的速度幾乎保持與原來相同，由于氣流速度的不一致，會在葉片的上、下方產(chǎn)生壓強差，從而產(chǎn)生向上的升力Fy，方向與氣流方向垂直；又由于風的沖力，葉片受到向右的力Fx，方向與氣流的方向一致，于是葉片受到總的作用力F[1,2].在該力的作用下，風力發(fā)電機的葉輪帶動發(fā)電機工作，從而產(chǎn)生電能[3].

3 風力發(fā)電裝置的制作

考慮到取材的方便性,制作的簡便性，我們采用廢舊的飲料瓶作為葉片材料，葉片數(shù)量為3片,結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般實際應用的風機為2～3[4]片.制作時，首先將飲料瓶沿瓶的軸線方向切成大小相似的3片，再用剪刀截成凸起的矩形，然后截去一半，留下一頭作固定之用，固定時使凸面朝上.當其受到風的作用時即可形成與圖1相類似的力場.將風力發(fā)電機的葉輪套在直流發(fā)電機上即可組成風力發(fā)電機.

圖2 風葉設計圖

4 風力發(fā)電機的特性研究

圖3為發(fā)電機最終結(jié)構(gòu)，主要由3大部分組成，風葉、直流發(fā)電機、底座.風葉根據(jù)流體力學設計，當氣流經(jīng)過時，葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而切割磁感線，產(chǎn)生感應電流[5].整個過程是先把風能轉(zhuǎn)化為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電能，這些都和真實的風力發(fā)電機無異.下面應用此風力發(fā)電機，探究其輸出功率與負載大小的關(guān)系，圖4為實驗原理圖.

圖3 實物結(jié)構(gòu)圖

圖4 實驗原理圖

風力發(fā)電機產(chǎn)生電能，并輸出功率.當改變負載時(此處為電阻)，發(fā)電機的輸出功率也隨之變化，輸出功率和電阻大小之間存在著某種關(guān)系.在風速為8 m/s時測定的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 發(fā)電機輸出功率與負載大小的關(guān)系

由表1可得如圖5所示的電阻大小與輸出功率關(guān)系圖像.

從圖5可以看出，隨著電阻的增大，發(fā)電機的輸出功率圖線先上升后下降，存在著峰值功率，即當電阻值在90 Ω左右時，發(fā)電機的輸出功率可達到最大值.這與實際的風力發(fā)電具有同樣的特性.由此可以看出，我們自制的風力發(fā)電機對于定性分析風力發(fā)電特性還是具有一定可行性的.

圖5 電阻大小與輸出功率的關(guān)系

5 擴展性研究

若此發(fā)電機的各部分組件能夠精密制作，則可以當作測量風速的風速儀.由于風速不同發(fā)電機產(chǎn)生的電壓不同，我們可以根據(jù)發(fā)電機工作時產(chǎn)生的電壓大小與風速之間的關(guān)系確定風速的大小.

此演示儀還可以作為廢風能回收裝置，收集某些排氣設備的風能，如收集空調(diào)排風口的風，使能源可以二次利用，節(jié)約能源.目前，空調(diào)室外排風器排出的風能都被大量浪費，此發(fā)電機可以安裝在空調(diào)排風扇外，接收空調(diào)風扇排出的廢棄風能，實現(xiàn)空調(diào)廢棄風能的二次利用，提高能源的利用率.設計示意圖如圖6所示.

圖6 空調(diào)廢風能回收裝置設計示意圖

6 結(jié)束語

此風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，特別適合想探究風力發(fā)電機性能卻又沒有條件的學生使用.這不僅給我們一個認識、理解、應用風力發(fā)電的機會，而且能培養(yǎng)我們的動手能力、創(chuàng)新能力，讓我們在實踐中學習，培養(yǎng)我們的創(chuàng)新意識.

參考文獻

1 林閩，張崇巍，張艷紅,等. 小型風力發(fā)電機葉輪設計.風機技術(shù)，2007(1):28～30

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

4 S J Appleyard . Constructing a plastic bottle wind turbine as a practical aid for learning about using wind energy to generate electricity Physics Education, 2009,44(4):379～382

5 Mathew, Sathyajith. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Netherlands,Springerlink,2006