聶建峰，柳博偉，何璟恒，程 霞，萬(wàn)澤華，于 晨，陳東生

(上海電力學(xué)院，上海 200090)

風(fēng)機(jī)可分為水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)機(jī)可分為升力型風(fēng)機(jī)和阻力型風(fēng)機(jī)，常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)，如當(dāng)下正式用于發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是屬于水平軸升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的組合即為風(fēng)力發(fā)電機(jī)。文章中將著重介紹水平軸升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理，以及它的風(fēng)葉數(shù)量、風(fēng)葉傾斜角度與輸出功率之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)原理介紹

1．1 風(fēng)葉受力分析

風(fēng)作為流體，流動(dòng)時(shí)具有動(dòng)能，所以風(fēng)機(jī)在風(fēng)的作用下，能將風(fēng)的流動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。首先說(shuō)明水平軸升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的機(jī)制。

如圖1所示為風(fēng)流經(jīng)葉片時(shí)的受力示意圖，經(jīng)過(guò)葉片上方的空氣流速變快，相對(duì)壓強(qiáng)變小，而葉片下方的風(fēng)速幾乎不變，以致相對(duì)壓強(qiáng)幾乎不變，這樣風(fēng)葉的上下兩方即會(huì)產(chǎn)生壓力差，使風(fēng)葉受到一個(gè)沿右上方的力F，等效于向上的力FY(稱為升力)和向右的力FX(稱為阻力)的合力，從而推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，最后把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能［1-6］。

1．2 原理圖

由于實(shí)際風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)高度、風(fēng)的對(duì)流環(huán)境等方面的要求較高，本實(shí)驗(yàn)采用小型永磁體直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬驗(yàn)證風(fēng)機(jī)風(fēng)葉數(shù)量，風(fēng)葉傾角與輸出功率之間的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速不變(8 m/s)的情況下，測(cè)量風(fēng)葉數(shù)量為2片、3片、4片，傾斜角度為60°時(shí)，風(fēng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載輸出的電壓和電流情況。在各組的測(cè)量中，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，將負(fù)載電阻從0Ω增大至200Ω，每隔20Ω測(cè)量一組值。直流發(fā)電機(jī)裝有轉(zhuǎn)速計(jì)T，在每組測(cè)量中，測(cè)定電壓U(V)、電流I(mA)以及轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出電壓UT。

根據(jù)功率的計(jì)算公式:

可以得出一系列負(fù)載阻值下的輸出功率。

此風(fēng)機(jī)測(cè)速計(jì)的輸出電壓和轉(zhuǎn)速n(min－1)之間存在關(guān)系:

可得到一系列負(fù)載阻值下的轉(zhuǎn)速值。

由此可以得出輸出功率與葉片數(shù)量、葉片傾角之間的關(guān)系曲線，此關(guān)系由輸出功率——轉(zhuǎn)速曲線直接反應(yīng)。其實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示:

圖2 電路原理圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析

2．1 風(fēng)機(jī)風(fēng)葉數(shù)量與輸出功率之間的關(guān)系

根據(jù)以上原理，可得到如表1的一系列數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的趨勢(shì)具有相似性(見(jiàn)后文輸出功率和風(fēng)葉數(shù)量關(guān)系圖)，這里只提供風(fēng)速8 m/s，傾斜角度為60°時(shí)的原始數(shù)據(jù):

表1

2．2 風(fēng)機(jī)風(fēng)葉頃角與輸出功率之間的關(guān)系

所以根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，在固定風(fēng)速8 m/s，傾斜角度為60°時(shí)，可得出如下所示的不同風(fēng)葉數(shù)量對(duì)應(yīng)的輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖，見(jiàn)圖3。

圖3 60°時(shí)輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系

此時(shí)，通過(guò)分析四張圖，可以看出:1)．固定風(fēng)速不變時(shí)，在每60°角度下，4片風(fēng)葉對(duì)應(yīng)最佳的輸出功率，在角度偏大時(shí)，更能突出4片風(fēng)葉的優(yōu)越性;2)．不同角度對(duì)應(yīng)著不同的輸出功率，在8 m/s風(fēng)速下，隨著傾斜角度的增大，發(fā)電機(jī)的最大輸出功率在增大;3)．在每條曲線的末端，都越來(lái)越趨近于與功率軸平行，說(shuō)明風(fēng)機(jī)已達(dá)到此風(fēng)速下的最大轉(zhuǎn)速。

但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)都為3個(gè)風(fēng)葉，這看似與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不符。其實(shí)不然，實(shí)踐證明，實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在風(fēng)葉從2片增加到3片時(shí)，發(fā)電效率(即風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率)大約增加4%左右，從3片增加到4片時(shí)，發(fā)電效率大約增加2%。實(shí)際生產(chǎn)中，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉造價(jià)較高，2個(gè)百分點(diǎn)的效率增加并不足以彌補(bǔ)生產(chǎn)1個(gè)風(fēng)葉產(chǎn)生的生產(chǎn)成本;最后，需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，實(shí)際的傾斜角度與電機(jī)輸出功率間的關(guān)系，并不是始終隨著傾斜角度的變大功率增加的，發(fā)電機(jī)的輸出功率應(yīng)先隨傾角的增大而增大，后隨傾角的增大而減小。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明，風(fēng)葉數(shù)量、傾斜角度與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率之間確實(shí)存在著某種關(guān)系，而且是非線性的，并不是由風(fēng)葉數(shù)量的增加而成倍的增加，也不是隨角度的增加而成倍的增加。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)傾斜角度為60°、風(fēng)葉數(shù)量為4片時(shí)可以達(dá)到風(fēng)速8 m/s下風(fēng)機(jī)的最佳工作狀態(tài)，得到最大輸出功率，由于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用不僅需要考慮發(fā)電效率的問(wèn)題，還需要考慮到生產(chǎn)成本等一系列因素，例如多一個(gè)風(fēng)葉而增加的幾個(gè)百分點(diǎn)的效率，并不一定是值得的，關(guān)鍵是綜合考慮因素以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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