桨距角和材料对风力发电功率的影响

李契 吴昌义 付雯静 杨珂

摘 要：本工作根据自制的YFL-1型多功能风力发电实验仪研究了影响风机输出功率的影响因素，为了弄清影响风力发电实验仪各个因素对输出功率的作用效果，得出了不同的风速对输出功率的效果显著，并自制了30°和60°浆距角的叶片，进行实验比较，同时制作料镁合金和铝合金的风轮叶片，进行相关的实验研究，澄清了风轮叶片的风速、风轮叶片的桨距角、叶片材料对风力发电输出功率的影响的规律，能够指导进行风力发电实验设备的开发和研究。

关键词：风力发电 实验仪 输出功率 风速 桨距角

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0036-02

1 论文研究背景及研究意义

风能是可再生的清洁能源，资源分布广、总储量巨大，在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发利用。随着对环境的保护更加重视，作为环保型能源的风能，未来的发展前景更为可观[1]。

对风力发电实验仪的研制，特别是对风力发电实验仪的输出功率的研究，取得了一些实验和理论成果。耿耀辉等人[2]进行风轮叶尖速比与实验仪输出功率关系实验，分析了影响实验仪输出功率的因素。但是在叶片的材料和浆距角对输出功率的影响上，目前在国内报道的比较少[3]。

本项目将風力发电实验仪进行了改进和设计，设计出不同材料和桨距角的叶片，并研究了其对风力发电输出功率的影响。

2 研究过程和方法

本工作的所有的测量全部在自制的YFL-1型多功能风力发电实验仪上进行，采用两种不同浆距角和镁以及铝材料的叶片，进行实验。风机电压是220V，负载正常工作后为5V，电流为1A，风速测量采用风速仪进行测量。

3 实验结果和讨论

3.1 风速对风力发电机输出功率的影响

用风速仪测量出轨道上不同在位置的风速，移动风力发电滑块到不同风速位置上，观察不同叶片转动时双显表上的电流电压大小，将测试数据记录汇总并得到图1。

由此可见，在风速较小时，由于摩擦阻力或其他阻力导致的内部阻碍作用，输出功率几乎为零。在风速超过4m/s之后，发电机的输出功率随风速的增加而增加，输出功率与风速是成正相关的关系。

3.2 叶片特性对风力发电机输出功率的影响

该实验采用控制变量法，在测量风速与风力发电机输出功率关系时以型号为1，叶片数量为6、桨距角为30°，叶片长度为17.5cm的铝制和镁制风轮叶片进行实验对比。

3.2.1 叶片桨距角对风力发电机输出功率的影响

将测试数据记录汇总得到图2。

由图2可以得出，桨距角对风机的输出功率无较大影响。不同风速下，桨距角为15°时的风机输出功率略大于桨距角为30°时的风机输出功率，尤其在风速较强时，更加显著。经过分析，认为不同的桨距角直接决定的是叶片迎风面积的大小，可能在高风速时，面积越打，输出功率越高。

3.2.2 叶片材料对风力发电机输出功率的影响

其他变量不变，设计了镁和铝不同材料叶片下的发电机输出功率值，并将数据记录整理得到图3。

由此可见，铝制叶片相比于镁制叶片，其风机输出功率略高。相对而言，可能密度越大的材料的输出功率越大。而且，这种差距在风速越大的时候，表现的越显著。

4 结语

经过分析和整理，最终我们认为风速和叶片的材料对风力发电仪的输出功率产生影响。其中风速是直接影响输出功率的主要因素之一。另外，通过对叶片特性的分析，认为叶片桨距角对输出功率影响不大，而叶片的材质会产生显著影响。影响的具体原因主要是叶片的密度，叶片密度越大，惯性越大，能量损耗越低。

参考文献

[1] 罗承先.世界风力发电现状与前景预测[J].中外能源，2012，17（3）：24-31.

[2] 耿耀辉，张颖涛，孙佩雄，等.风能发电物理实验教学探讨[J].大学物理，2014，33（4）：25-28.

[3] 刁瑞盛.风力发电对电网的影响研究[D].浙江大学，2006.