桨距角对风力发电机输出功率影响实验装置的研究设计

赵丽军，檀炜民，鲍金雨，张立宝，蔺　凯

(沈阳工业大学,沈阳　110870)



桨距角对风力发电机输出功率影响实验装置的研究设计

赵丽军，檀炜民，鲍金雨，张立宝，蔺凯

(沈阳工业大学,沈阳110870)

利用风力发电原理，制作简易定桨距风力发电实验装置。测量风力发电装置输出功率及风能利用系数，利用测量结果探究同风速下风力发电机有关运行参数随桨距角改变的变化规律。

风力发电机；桨距角；叶尖速比；风能利用系数

煤、石油、天然气等能源在地球上已探明的蕴藏量是有限的，人类目前利用这些能源的消耗速度估算，石油和天然气不过几十年，煤不过一百年就会消耗尽。因此，进一步开发利用新能源已显得十分迫切。风能是一种清洁的可再生新能源,储量丰富且取之不尽、用之不竭[1]。风能的利用日益受到全世界的重视近些年来，我国对风能利用的重视程度不断加大，对风力发电的研究得到很多高校和研究所的重视。

叶轮是风力发电机吸收风能的关键部件，它直接决定风力发电机的重要性能指标—风能利用系数,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素[2-4]。而风能利用系数大小与叶尖速比和桨叶节距角有直接关系。在本实验装置的研究设计中，主要采用设计不同的叶片安装角度来模拟叶片的桨距角，分析风机的输出功率与桨距角关系曲线，确定所制作风力发电装置的叶片在确定风速下的最优桨距角度。

1　风力发电基本原理

风力发电机的主要由桨叶轮毂、机械传动机构、发电机、控制系统、变频装置等组成。其中，风轮从风能中捕获的功率为:

(1)

式中，P—风力机机械功率；ρ—空气密度；A—桨叶扫掠面积；CP—风能利用系数；λ—叶尖速比；β—桨距角；V—风速。

在风力机系统中利用风能利用系数CP来描述风力机对风能的利用率，其可看作为叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数关系。根据公式(1)或贝兹理论推导可得

(2)

叶轮叶片尖端的线速度与来流风速之比称为叶尖速比，可表示为：

(3)

式中，V1—叶轮叶片尖端的线速度；n—叶轮转速；R叶轮半径。

尖速比决定了叶轮的功率[5-6]，合理的选取最优尖速比可使叶轮功率达到峰值。

如图1所示，风轮叶片转动速度V1与风速V的相对速度W称为相对风速，其方向与叶片弦线形成的夹角α为攻角，在气流作用下产生的作用力dR分解为升力dL及阻力dD，在不同桨距角下的攻角不同，攻角增大到某个临界角度后，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速，此时的攻角即为失速角。当风力发电机出于恶劣环境中工作或风速大于额定风速时，人们设法使风轮叶片进入失速攻角降低风轮转速从而保护发电机。由于本实验所用叶片无扭角，因此同一桨距角下从叶根到叶尖随着线速度增大攻角减小，通过改变桨距角来改变攻角，测量在同风速下不同桨距角下转速、功率、叶尖速比及风能利用系数的变化情况。

图1　叶片在气流中的受力分析

2　实验装置

实验装置如图2所示，整个实验装置包括风力发电模拟装置、负载电路及测试仪器。风力模拟装置包括联接片、叶片、三相同步交流发电机、支架和对风装置；测试仪器包括示波器及风速计。由于实验条件限制，叶片桨距角角度的变化采用具有不同角度的叶片联接片来实现。联接片桨距角从5°到70°共14片，每两片间相差5°，更换联接片即可获得不同桨距角。由风扇模拟来流风，经叶片转动带动发电机产生交流三相电，其中一相接入示波器测量周期，再经过整流滤波电路转换为直流电接入负载电路。

图2　实验装置图

3　数据测量

风力发电装置功率为：

P=UI

(4)

式中，U—发电机输出电压；I—发电机输出电流。

本实验装置中发电机为三相同步交流发电机，磁极对数为6，由频率与转速间关系：

f=pn/60

(5)

式中，f—电压频率；p—磁极对数；n—转速。

用示波器测出电压频率即可求出转速，从而求出叶片线速度。叶片上获取的风速可直接由风速计测出，至此利用公式3就可求出叶尖速比的大小。叶片长度(包括连接片)R=0.186 m，风速设定为V=5.1 m/s，空气ρ=1.29 kg/m3。实验测得数据如表1所示。

表1　实验测得数据

4　数据处理

由公式2和公式4可直接计算出功率P和风能利用系Cp；根据线速度与角速度和转速关系V1=2πnR/60可得线速度；由公式3及频率与周期间关系可得叶尖速比λ=2πR/(TP)，具体数据处理结果见表2。

表2　计算结果

根据数据算结果，可得桨距角与转速、叶尖速比、功率及风能利用系数之间的关系曲线如图3所示。

图3　桨距角与风机运行相关参数间关系曲线

由上图可以看出，随着桨距角增大，当桨距角增大到25°附近，转速n减小幅度较大，此时叶尖失速比达到最大为4.66，这说明所测试的叶片在桨距角θ为25°左右时受失速影响最大，若此桨叶用于风力发电，遇突发状况时可将桨距角调至大于25°方可减小转速，保护风力发电设备。从P变化曲线看出，测试的桨叶在桨距角为25°左右能获得较高的Cp值，结合两图看出，桨距角在接近25°时，转速相对稳定，Cp值也较高。可见，若将此桨叶投入应用，将桨距角设定在接近临界角25°能充分发挥桨叶的潜力，提高风力发电机使用价值。

5　结　　论

利用自制实验仪器，通过桨距角的大小改变可以测量出负载上电压及电流的变化。由实验测得的桨距角与风机运行各相关参数关系曲线可看出，叶尖速比及转速曲线变化规律相似而风能利用系数及功率曲线的变化规律相似，这样结果与理论是相符的，因此认为此实验装置是可行的。但是通过分析实数据也看出该实验装置存在一些问题，比如在桨距角为5°、10°及70°的时候，叶片没有旋转，所以发电机没有发电。分析其原因可能是由于叶片为手工制作，不能得到纯理论计算中的理想翼型，所以出现在5°、10°桨距角度的情况下，叶片不转，发电机不能发电的情况；而在桨距角为70°的情况下，由于达到失速角度后，叶片自行抑制了发电机转轴的旋转，所以也不会有电产生。另外风能利用系数，根据理论计算风能利用系数的最大值可达到0.593，而经本实验装置测试计算后最大只能达到，分析其原因可能有两方面。其一，跟前面所述的问题原因相同，由于叶片的翼型不理想造成；其二，由于装置后面交直流转换部分及负载部分电路简单，造成发电机产生的电能损失较多。

[1]王长贵,喜文华,张焕芬,等.中国新能源的开发与利用[M].北京:能源出版社,1986,109-113.

[2]聂建峰，柳博伟，何琛恒，等.水平轴升力型风力发电机叶片数量叶片倾角与输出功率的关系研究[J].大学物理实验，2015(4)：12-15.

[3]汪浩，张骁勇.利用地铁隧道风能发电的设计与研究[J].大学物理实验，2012(4)：9-13.

[4]Juul.Wind Machine[C].Wind and Solar Energy-Proceeding.Paris:New Delhi Symposium,1988,68-71.

[5]Ricardo a.Prado,Mario A.Storti,et al.Numerical Simulation of 3D Laminar Viscous Flow on a Horizontal-axis Wind Turbine Blade[J].International Journal Computation Fluid Dynamics,2002,16(4):283-295.

[6]王金铭,卢奭瑄,何新，等.大型风力发电机风能利用系数参数拟合的研究[J].太阳能学报,2012:221-224.

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