風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，蘊(yùn)量巨大。全球的風(fēng)能約為2.7×10 8萬千瓦，其中可利用的風(fēng)能為2×10 6萬千瓦，比地球上可開發(fā)利用的水能總量要大10倍。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求日益增加，對環(huán)境的保護(hù)更加重視，風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國的青睞。大力發(fā)展風(fēng)電等新能源是我國的重大戰(zhàn)略決策，也是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。發(fā)展風(fēng)電不但具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且與自然環(huán)境和諧共生，不對環(huán)境產(chǎn)生有害影響。近幾年，隨著我國的風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)取得突破，風(fēng)力發(fā)電取得飛速發(fā)展。據(jù)2011年4月國家電網(wǎng)公司促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展白皮書。截至2010年底，

2、全國風(fēng)電并網(wǎng)容量2956萬千瓦，“十一五”期間年均增速接近100%。2010年，全國風(fēng)電機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)2097小時(shí)。蒙東、蒙西、吉林、黑龍江風(fēng)電發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比例分別達(dá)到21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，風(fēng)電利用已達(dá)到較高水平。預(yù)計(jì)到2015年，我國風(fēng)電規(guī)模將超過9000萬千瓦，2020年將達(dá)到1.5億千瓦以上。與其它能源相比，風(fēng)力，風(fēng)向隨時(shí)都在變動(dòng)中。為適應(yīng)這種變動(dòng)，最大限度地利用風(fēng)能，近年來在風(fēng)葉翼型設(shè)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型研制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式，并網(wǎng)發(fā)電的安全性等方面，都進(jìn)行了大量的研究，取得重大進(jìn)展，為風(fēng)力發(fā)電的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)電的飛速發(fā)展提供大量的就業(yè)與

3、個(gè)人發(fā)展機(jī)會(huì)，普及風(fēng)電知識，在高等院校培養(yǎng)相關(guān)專門人才已成當(dāng)務(wù)之急。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)1 風(fēng)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速（也是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速），發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢之間關(guān)系測量實(shí)驗(yàn)2 測量扭曲型可變漿距3葉螺旋槳風(fēng)輪葉尖速比l與功率系數(shù)CP關(guān)系實(shí)驗(yàn)3 切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)4 額定風(fēng)速到切出風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn) 變漿距調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)5 風(fēng)帆型3葉螺旋槳風(fēng)輪葉尖速比l與功率系數(shù)CP關(guān)系的測量實(shí)驗(yàn)6 平板型4葉螺旋槳風(fēng)輪葉尖速比l與功率系數(shù)CP關(guān)系的測量實(shí)驗(yàn)原理1、風(fēng)能與風(fēng)速測量風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電的源動(dòng)力，風(fēng)況資料是風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)的第一要素。設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定一般應(yīng)收集有關(guān)氣象站風(fēng)速風(fēng)向30年的系列資料，發(fā)電場場址實(shí)測資料一年

4、以上。在現(xiàn)有技術(shù)及成本條件下，在年平均風(fēng)速6米以上的場址建風(fēng)力發(fā)電站，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速，也要參考年平均風(fēng)速設(shè)計(jì)。設(shè)風(fēng)速為V1，單位時(shí)間通過垂直于氣流方向，面積為S的截面的氣流動(dòng)能為：空氣的動(dòng)能與風(fēng)速的立方成正比。（1）式中r為空氣密度，由氣體狀態(tài)方程，密度與氣壓p，絕對溫度T的關(guān)系為：（2）式中M是氣體的摩爾質(zhì)量，R為普適氣體常數(shù)。氣壓會(huì)隨海拔高度h變化，代入0°C時(shí)反映氣壓隨高度變化的恒溫氣壓公式：（3）式在h小于2km時(shí)比較準(zhǔn)確。將（3）式代入（2）式：（4）式中h的單位為米，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（T=273K，h=0），空氣密度值為1.293kg/m3。

5、（4）式表明海拔高度和溫度是影響空氣密度的主要因素，它是一種近似計(jì)算公式，實(shí)際上，即使在同一地點(diǎn)，同一溫度，氣壓與濕度的變化也會(huì)影響空氣密度值。在不同的書籍中，經(jīng)?？煽吹讲煌慕乒健y量風(fēng)速有多種方式，目前用得較多的是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)及熱線（片）式風(fēng)速計(jì)。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)是利用風(fēng)杯或螺旋槳的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成線性關(guān)系的特性，測量風(fēng)杯或螺旋槳轉(zhuǎn)速，再將其轉(zhuǎn)換成風(fēng)速顯示。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)的最佳測量范圍是540m/s。熱線（片）式風(fēng)速計(jì)有一根被電流加熱的金屬絲（片），流動(dòng)的空氣使它散熱，利用散熱速率和風(fēng)速之間的關(guān)系，即可制成熱線（片）風(fēng)速計(jì)。在小風(fēng)速（5m/s以下）時(shí)，熱線（片）式風(fēng)速計(jì)精度高于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)。2、

6、發(fā)電方式與發(fā)電機(jī)選擇風(fēng)力發(fā)電有離網(wǎng)運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行2種發(fā)電方式。離網(wǎng)運(yùn)行是風(fēng)力發(fā)電機(jī)與用戶組成獨(dú)立的供電網(wǎng)絡(luò)。由于風(fēng)電的不穩(wěn)定性，為解決無風(fēng)時(shí)的供電，必需配有儲能裝置，或能與其它電源切換，互補(bǔ)。中小型風(fēng)電機(jī)組大多采用離網(wǎng)運(yùn)行方式。并網(wǎng)運(yùn)行是將風(fēng)電輸送到大電網(wǎng)中，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配，輸送給用戶。此時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出的電能必需與電網(wǎng)電能同頻率，同相位，并滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行的諸多要求。大型風(fēng)電機(jī)組大都采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。發(fā)電機(jī)由靜止的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子一般由鐵芯和繞組組成，鐵芯的功能是靠鐵磁材料提供磁的通路，以約束磁場的分布，繞組是由表面絕緣的銅線纏繞的金屬線圈。發(fā)電機(jī)原理可用圖1說明。

7、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁場，風(fēng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組切割磁力線，感應(yīng)出電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體與磁場的相對運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是3相電機(jī)，圖1中定子繞組只畫了1相中的1組，對應(yīng)于一對磁極，若電機(jī)中每相定子繞組由空間均勻分布的P組串聯(lián)的鐵芯和繞組組成，則會(huì)形成P對磁極。風(fēng)力發(fā)電常用的發(fā)電機(jī)有以下3種。1. 永磁同步直驅(qū)發(fā)電機(jī)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁材料制造，省去了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和相應(yīng)的勵(lì)磁電路，無需勵(lì)磁電源，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較簡單，效率高，是今后電機(jī)發(fā)展的主流機(jī)型之一。永磁發(fā)電機(jī)通常由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電，沒有齒輪箱等中間部件，提高了機(jī)組的可靠性，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率，在低風(fēng)速環(huán)境下

8、運(yùn)行效率比其它發(fā)電機(jī)更高。大型風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速最高為每分幾十轉(zhuǎn)，采用直驅(qū)方式，發(fā)出的交流電頻率遠(yuǎn)低于電網(wǎng)交流電頻率。為滿足并網(wǎng)要求，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用交流-直流-交流的全功率變流模式，即風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流成直流，再變頻為與電網(wǎng)同頻同相的交流電輸入電網(wǎng)。全功率變流模式的缺點(diǎn)是對換流器的容量要求大，會(huì)增加成本。優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)風(fēng)力優(yōu)化，最大限度的利用風(fēng)能，能提供性能穩(wěn)定，符合電網(wǎng)要求的高品質(zhì)電能。本實(shí)驗(yàn)采用的發(fā)電機(jī)為永磁同步電機(jī)。國內(nèi)的金風(fēng)科技等風(fēng)電企業(yè)采用永磁發(fā)電機(jī)。2. 雙饋式變速恒頻發(fā)電機(jī)由發(fā)電機(jī)原理可知，若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為fm（通常用f表示每秒轉(zhuǎn)速，n表示每分轉(zhuǎn)速），電機(jī)的極

9、對數(shù)為p，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流為頻率為f1的交流電，則發(fā)出的交流電頻率為：f pfm ±f1 （5）上式表明，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速發(fā)生變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可以調(diào)整勵(lì)磁電流的頻率，使輸出電流頻率不變。雙饋式發(fā)電機(jī)的定子端直接連接電網(wǎng)，f為50Hz。當(dāng)pfm小于50Hz時(shí)，為亞同步狀態(tài)，（5）式中f1前面取正號，由電網(wǎng)通過變頻電路向勵(lì)磁電路提供頻率為f1的交流勵(lì)磁電流，使輸出恒定在50Hz。當(dāng)pfm等于50Hz時(shí)，為同步狀態(tài)，變頻電路向勵(lì)磁電路提供直流勵(lì)磁電流。當(dāng)pfm大于50Hz時(shí)，為超同步狀態(tài)，（5）式中f1前面取負(fù)號，輸出恒定仍在50Hz。此時(shí)勵(lì)磁電流流向反向，由勵(lì)磁電路通過變頻電路向電網(wǎng)

10、提供能量。即發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，通過定子電路和轉(zhuǎn)子電路雙向向電網(wǎng)饋送能量。由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于電網(wǎng)頻率要求的轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪提供的能量要通過變速箱增速，再傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，雙饋式發(fā)電機(jī)只需對勵(lì)磁電路的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可控制輸出電流的頻率與電網(wǎng)匹配，實(shí)現(xiàn)變速恒頻。由于勵(lì)磁功率只占發(fā)電機(jī)額定功率的一小部分，只需較小容量的雙向換流器就可實(shí)現(xiàn)。雙饋式發(fā)電機(jī)是目前風(fēng)電機(jī)組采用最多的發(fā)電機(jī)。3. 恒速恒頻發(fā)電機(jī)恒速恒頻機(jī)組一般采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)又稱異步發(fā)電機(jī)，它是利用定子繞組中3相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用而工作的。運(yùn)行時(shí)定子直接接外電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子不需外加勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子

11、以超過同步速3%5%的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出頻率為f1的感應(yīng)電流，（5）式中f1的前面取負(fù)號。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略有變化時(shí)，f1的頻率隨之改變，而輸出電流頻率始終與電網(wǎng)頻率一致，無需加以調(diào)節(jié)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間通過變速箱增速。感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不需外加勵(lì)磁，沒有滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單，基本無需維護(hù)，運(yùn)行控制也很簡單，早期風(fēng)電機(jī)組很多采用這種發(fā)電機(jī)。但感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定，對風(fēng)輪最大限度捕獲風(fēng)能非常不利，比前述兩種發(fā)電機(jī)年發(fā)電量低10%以上，現(xiàn)在的大型風(fēng)電機(jī)組已很少采用。3、風(fēng)能的利用風(fēng)機(jī)能利用多少風(fēng)能？什么條件下能最大限度的利用風(fēng)能？這是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的首要問題。風(fēng)力機(jī)的第一個(gè)

12、氣動(dòng)理論是由德國的貝茲（Betz）于1926年建立的。貝茲假定風(fēng)輪是理想的，氣流通過風(fēng)輪時(shí)沒有阻力，氣流經(jīng)過整個(gè)風(fēng)輪掃掠面時(shí)是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向。以V1表示風(fēng)機(jī)上游風(fēng)速，Vo表示流過風(fēng)機(jī)葉片截面S時(shí)的風(fēng)速，V2表示流過風(fēng)扇葉片截面后的下游風(fēng)速。根據(jù)沖量定律，流過風(fēng)機(jī)葉片截面S，質(zhì)量為m的空氣，在風(fēng)機(jī)上產(chǎn)生的作用力為：風(fēng)輪吸收的功率為：此功率是由空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來，從風(fēng)機(jī)上游至下游，空氣動(dòng)能的變化量為：令（7）（8）兩式相等，得到：將（9）式代入（7）式，可得到功率隨上下游風(fēng)速的變化關(guān)系式：當(dāng)上游風(fēng)力V1不變時(shí)，令dP/dV2=0，可知當(dāng)V2=1/3V1時(shí)（9）式取得極大

13、值，且：將上式除以氣流通過風(fēng)機(jī)截面時(shí)空氣的動(dòng)能，可以得到風(fēng)力機(jī)的最大理論效率(貝茲極限)：風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）CP定義為風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出功率與流過風(fēng)輪截面S的風(fēng)能之比。CP隨風(fēng)力機(jī)的葉片型式及工作狀態(tài)而變，并且總是小于貝茲極限，商品風(fēng)機(jī)工作時(shí)，CP一般在0.4左右。風(fēng)力機(jī)實(shí)際的功率輸出為：在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過程中，通常將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系合并為一個(gè)變量葉尖速比，定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，即：上式中w為風(fēng)輪角速度，R為風(fēng)輪最大旋轉(zhuǎn)半徑（葉尖半徑）。理論分析與實(shí)驗(yàn)表明，葉尖速比l是風(fēng)機(jī)的重要參數(shù)，其取值將直接影響風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)CP。圖2表示某風(fēng)輪葉尖速比與功率系數(shù)CP的關(guān)系

14、，由圖可見在一定的葉尖速比下，風(fēng)輪獲得最高的風(fēng)能利用率。對于同一風(fēng)輪，在額定風(fēng)速內(nèi)的任何風(fēng)速，葉尖速比與功率系數(shù)的關(guān)系都是一致的。不同翼型或葉片數(shù)的風(fēng)輪，CP曲線的形狀不一樣，CP最大值與最大值對應(yīng)的值也不一樣。葉尖速比在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與功率控制過程中都是重要參數(shù)。目前大型風(fēng)機(jī)都采用3葉片設(shè)計(jì)。增多葉片會(huì)增加風(fēng)輪質(zhì)量，增加成本。CP最大值取決于風(fēng)輪葉片翼型設(shè)計(jì)，與葉片數(shù)量關(guān)系不大。4、風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)方式任何地方的自然風(fēng)力都是隨時(shí)變動(dòng)的，風(fēng)力的變化范圍大，無法控制，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)必需適應(yīng)風(fēng)能的特點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)都有切入風(fēng)速，額定風(fēng)速，切出風(fēng)速幾個(gè)參數(shù)。切入風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的開機(jī)風(fēng)速。高于

15、此風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)組能克服傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的效率損失，產(chǎn)生有效輸出。切出風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)風(fēng)速。高于此風(fēng)速后，為保證風(fēng)電機(jī)組的安全而停機(jī)。額定風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。額定風(fēng)速與額定功率對應(yīng)，在此風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到最大輸出功率。額定風(fēng)速對風(fēng)電機(jī)組的平均輸出功率有決定性的作用。額定風(fēng)速偏低，風(fēng)電機(jī)組會(huì)損失掉高于額定風(fēng)速時(shí)的很多風(fēng)能。額定風(fēng)速過高，額定功率大，相應(yīng)的設(shè)備投資會(huì)增加，若實(shí)際風(fēng)速大部分時(shí)間都達(dá)不到此風(fēng)速，會(huì)造成資金浪費(fèi)。而且額定風(fēng)速高，設(shè)備大以后，切入風(fēng)速會(huì)相應(yīng)提高，會(huì)損失低風(fēng)速風(fēng)能。額定風(fēng)速要根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)速統(tǒng)計(jì)規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)。商業(yè)風(fēng)電機(jī)組，額定風(fēng)速在1018m/s，切入風(fēng)速在3

16、4m/s，切出風(fēng)速在2030m/s。漿距角b定義為的槳葉上某一指定剖面處(通常在相對半徑0.7處)，風(fēng)葉橫截面前后緣連線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，如圖4所示。假設(shè)螺旋槳在一種不能流動(dòng)的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，那么螺旋槳每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)向前進(jìn)一段距離，這段距離稱為漿距。 顯然，槳距角越大，漿距也越大。對于葉片形狀確定的槳葉，漿距角b有一最佳值，使功率系數(shù)CP達(dá)到最大。風(fēng)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速的基本關(guān)系如圖3所示。風(fēng)速在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時(shí)，一般使?jié){距角b保持在最佳值，風(fēng)力改變時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載（雙饋發(fā)電機(jī)可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大?。淖儼l(fā)電機(jī)的阻力矩，使風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M改變（風(fēng)機(jī)輸出功率P=M），控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)

17、工作在最佳葉尖速比狀態(tài)，最大限度的利用風(fēng)能。風(fēng)速在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，要使輸出功率保持在額定功率，使電器部分不因輸出過載而損壞。目前的商業(yè)風(fēng)電機(jī)組采用定漿距被動(dòng)失速調(diào)節(jié)，主動(dòng)失速調(diào)節(jié)或變漿距調(diào)節(jié)3種方式之一達(dá)到此目的。被動(dòng)失速調(diào)節(jié)是漿距角b保持不變，通過葉片的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)，使風(fēng)速高于額定風(fēng)速后，葉片的轉(zhuǎn)矩下降，功率系數(shù)CP迅速下降，達(dá)到控制功率的目的。這種方式對葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間輸出功率難以保持恒定，在大型風(fēng)電機(jī)組中已較少采用。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，減小漿距角b，使功率系數(shù)CP下降，風(fēng)電機(jī)組在額定功率輸出電能。變漿距調(diào)節(jié)是在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后

18、，增大漿距角b，使功率系數(shù)CP下降，風(fēng)電機(jī)組在額定功率輸出電能，是目前主要采用的功率調(diào)節(jié)方式。采用變漿距調(diào)節(jié)有如下優(yōu)點(diǎn)：輸出功率特性平穩(wěn) 當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，通過變漿距調(diào)節(jié)，可以使輸出功率平穩(wěn)地保持在額定功率，如圖3的平直線段所示，而失速調(diào)節(jié)難以達(dá)到此種效果。風(fēng)能利用系數(shù)高 定漿距風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)，由于要兼顧失速特性，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)較高，接近額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)已下降，超過額定風(fēng)速后風(fēng)能利用系數(shù)大幅下降。變漿距葉片可以設(shè)計(jì)得在啟動(dòng)風(fēng)速到額定風(fēng)速都保持高的風(fēng)能利用系數(shù)。啟動(dòng)和制動(dòng)性能好 變漿距風(fēng)輪在啟動(dòng)時(shí)，漿距角可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪在低風(fēng)速下啟動(dòng)。在風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速或因其它原因

19、需要停機(jī)時(shí)，可以將漿距角調(diào)到90度，稱為順漿，此時(shí)沒有轉(zhuǎn)矩作用于發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組可以無沖擊的脫離電網(wǎng)。5、風(fēng)電的儲存與切換互補(bǔ)（選配選作內(nèi)容） 離網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組必需解決風(fēng)電的儲存問題。 大中型風(fēng)電機(jī)組可以采用抽水蓄能的方式，即在風(fēng)電富裕時(shí)將下水位水庫的水抽到上水位水庫，風(fēng)電不足時(shí)用水力發(fā)電補(bǔ)充。 小型風(fēng)電機(jī)組可以采用電解水氫能儲存，蓄電池儲能等多種方式儲能。本實(shí)驗(yàn)采用電解水氫能儲存，燃料電池發(fā)電，與風(fēng)能互補(bǔ)。風(fēng)電充足時(shí)用風(fēng)電電解水，生成氫氣和氧氣分別儲存，風(fēng)電不足時(shí)氫和氧通過燃料電池產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。反應(yīng)后氫和氧生成水，整個(gè)過程綠色循環(huán)。燃料電池的原理和相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容請參閱本公司的燃料電池

20、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。 燃料電池最早應(yīng)用于衛(wèi)星及宇航系統(tǒng)，與宇航器上的太陽能電池互補(bǔ)，提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)?，F(xiàn)在人們正積極探索將其用于民用儲能，以及電動(dòng)汽車，手機(jī)電池等需要移動(dòng)電源的地方，是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。 風(fēng)輪直接固定在發(fā)電機(jī)軸上，由緊固螺帽鎖緊。緊固螺帽是反螺紋，緊固與松開的旋轉(zhuǎn)方向與普通螺紋相反。用手即可松開或旋緊緊固螺帽，取下緊固螺帽，可以更換風(fēng)輪。風(fēng)扇由調(diào)壓器供電。改變調(diào)壓器輸出電壓，可以改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)速。為減小其它氣流對實(shí)驗(yàn)的影響，風(fēng)扇與風(fēng)輪之間用有機(jī)玻璃風(fēng)罩連接。風(fēng)輪快速旋轉(zhuǎn)時(shí)肉眼看似無物，故在風(fēng)輪端裝有10cm寬的保護(hù)罩。應(yīng)提醒學(xué)生，風(fēng)

21、輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不得將手伸入保護(hù)罩內(nèi)。風(fēng)罩內(nèi)裝有熱片式風(fēng)速傳感器，發(fā)電機(jī)端裝有轉(zhuǎn)速傳感器，由轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表的2行顯示分別顯示轉(zhuǎn)速與風(fēng)速。 發(fā)電機(jī)輸出的3相交流電經(jīng)整流濾波成直流電后輸出到電子負(fù)載，電壓、電流表測量負(fù)載兩端的電壓與流經(jīng)負(fù)載的電流，電流電壓的乘積即為發(fā)電機(jī)輸出功率。電壓、電流表的2行顯示分別顯示電壓與電流。電子負(fù)載是利用電子元件吸收電能并將其消耗的一種負(fù)載。其中的電子元件一般為功率場效應(yīng)管，絕緣柵雙極型晶體管等功率半導(dǎo)體器件。由于采用了功率半導(dǎo)體器件替代電阻等作為電能消耗的載體，使得負(fù)載的調(diào)節(jié)和控制易于實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，還具有可靠性高，壽命長等特點(diǎn)。電子負(fù)載有恒流模式，恒壓

22、模式，恒阻模式，恒功率模式等工作模式，我們測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出時(shí)采用恒壓模式。在恒壓工作模式時(shí)，將負(fù)載電壓調(diào)節(jié)到某設(shè)定值后即保持不變，負(fù)載電流隨發(fā)電機(jī)輸出改變而改變。風(fēng)機(jī)葉片翼型對風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率影響很大，葉片翼型可分為平板型，風(fēng)帆型和扭曲型。平板型和風(fēng)帆型易于制造，但效率不高。扭曲型葉片制造困難，效率高。實(shí)驗(yàn)裝置配扭曲型可變漿距3葉螺旋槳，風(fēng)帆型3葉螺旋槳及平板型4葉螺旋槳3種螺旋槳，供對比研究。圖6.實(shí)驗(yàn)用各螺旋槳照片大型風(fēng)機(jī)的變漿距系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)控制。我們的裝置采用手動(dòng)調(diào)節(jié)。扭曲型可變漿距3葉螺旋槳上有角度刻線，松開風(fēng)葉緊固螺釘，風(fēng)葉可以繞軸旋轉(zhuǎn)，改變漿距角。風(fēng)葉離

23、指示圓點(diǎn)最近的刻度線對準(zhǔn)風(fēng)葉座上的刻度線時(shí)，風(fēng)葉位于最佳漿距角。以后每轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)刻度線，漿距角改變3度。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟連接調(diào)壓器，電子負(fù)載及測量表的電源。風(fēng)扇連接到調(diào)壓器輸出端。轉(zhuǎn)速，風(fēng)速傳感器輸出連接到轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表。負(fù)載及電壓電流表按圖7連接。電壓、電流表，轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表的同步信號端口不連接，以后功能擴(kuò)展用。風(fēng)速易受外界氣流干擾，進(jìn)而影響其它測量值的穩(wěn)定性。為提高測量精度，電壓、電流，轉(zhuǎn)速、風(fēng)速表都有讀取平均值的功能。40秒顯示瞬時(shí)值，顯示瞬時(shí)值時(shí)表頭最后一位的小數(shù)點(diǎn)閃爍，此時(shí)可以觀察數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性或參數(shù)調(diào)節(jié)的效果。然后10秒顯示前40秒的平均值，顯示平均值時(shí)表頭最后一位的小數(shù)點(diǎn)不閃爍，瞬時(shí)平均

24、循環(huán)顯示。讀取平均值時(shí)應(yīng)注意，剛調(diào)節(jié)完參數(shù)顯示的平均值不讀取，所有數(shù)據(jù)都讀取正常工作40秒后的平均值。實(shí)驗(yàn)1 風(fēng)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速（也是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速），發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢之間關(guān)系測量使扭曲型可變漿距3葉螺旋槳處于最佳漿距角（風(fēng)葉離指示圓點(diǎn)最近的刻度線對準(zhǔn)風(fēng)葉座上的刻度線），風(fēng)葉凹面朝向風(fēng)扇，將風(fēng)輪安裝在發(fā)電機(jī)軸上（緊固螺釘是反螺紋，緊固與松開的旋轉(zhuǎn)方向與普通螺紋相反）。斷開負(fù)載，此時(shí)電壓表測量的是開路電壓，即發(fā)電機(jī)輸出的電動(dòng)勢。調(diào)節(jié)調(diào)壓器使得風(fēng)速從3.0m/s開始以0.5m/s的間隔來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后記錄在不同風(fēng)速下螺旋槳轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1。表1 風(fēng)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速，發(fā)電

25、機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢之間關(guān)系風(fēng)速值(m/s)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)電動(dòng)勢 (V)以風(fēng)速做橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速做縱坐標(biāo)作圖，分析兩者之間的關(guān)系。以轉(zhuǎn)速做橫坐標(biāo)，感應(yīng)電動(dòng)勢做縱坐標(biāo)作圖，分析兩者之間的關(guān)系。預(yù)期結(jié)果：螺旋槳空載轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成線性關(guān)系，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)就是根據(jù)這一原理制成的。發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成正比，符合電磁感應(yīng)原理。實(shí)驗(yàn)2 測量扭曲型可變漿距3葉螺旋槳風(fēng)輪葉尖速比l與功率系數(shù)CP關(guān)系連接負(fù)載，順時(shí)針調(diào)節(jié)負(fù)載調(diào)節(jié)旋紐，將負(fù)載調(diào)到最小，此時(shí)負(fù)載電流為0，負(fù)載電壓最高（負(fù)載電阻最大）。調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使風(fēng)速約為5m/s。各表顯示穩(wěn)定后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)為表2的第一行數(shù)據(jù)。逆時(shí)針調(diào)節(jié)負(fù)載調(diào)節(jié)旋紐，使輸出電壓以每隔1.0V調(diào)節(jié)

26、，將每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2。表2中的空氣密度r用（4）式計(jì)算。表2 扭曲型可變漿距3葉螺旋槳風(fēng)輪葉尖速比l與功率系數(shù)CP關(guān)系 葉片半徑R0.134m轉(zhuǎn)速n (轉(zhuǎn)/分)輸出電壓U (V)輸出電流I (mA)輸出功率P=U×I (W)葉尖速比 l=2nR /60 V1功率系數(shù)CP =2P/pR2rV13以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作風(fēng)輪葉尖速比與功率系數(shù)CP的關(guān)系曲線，并比較葉尖速比與功率系數(shù)CP的關(guān)系與圖2是否相似？ 預(yù)期結(jié)果：實(shí)驗(yàn)得出的風(fēng)輪葉尖速比與功率系數(shù)CP的關(guān)系大體與圖2一致，說明風(fēng)輪在最佳葉尖速比時(shí)，功率系數(shù)最大。CP的最高值比圖2略低，CP峰值對應(yīng)的l值也不一定一樣。這是由葉片翼型不一樣及實(shí)驗(yàn)

27、條件的差異導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)3 切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行受兩方面的限制，一是由機(jī)械強(qiáng)度決定的轉(zhuǎn)速限制，二是由發(fā)電機(jī)、變流器容量決定的功率限制。若整機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)先達(dá)到功率限制，則切入風(fēng)速到額定風(fēng)速之間采用同一的調(diào)節(jié)方案，本實(shí)驗(yàn)只考慮這種情況。若整機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)先達(dá)到轉(zhuǎn)速限制，則要采用兩段控制方案，達(dá)到轉(zhuǎn)速限制后需調(diào)節(jié)負(fù)載保持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力增大時(shí)轉(zhuǎn)速不變而轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率增加，直至達(dá)到功率限制。采用何種功率調(diào)節(jié)方式可以使風(fēng)機(jī)從風(fēng)力中獲取最大風(fēng)能？本實(shí)驗(yàn)比較調(diào)節(jié)葉尖速比，恒定轉(zhuǎn)速2種方式下，風(fēng)機(jī)輸出功率的情況。如實(shí)驗(yàn)原理部分所述，永磁發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)采用控制葉尖速比的調(diào)節(jié)方

28、式，感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定。控制葉尖速比調(diào)節(jié)方式時(shí)，由實(shí)驗(yàn)2確定最佳葉尖速比lm，由nm=60l mV1/2pR計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速，在各種風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)負(fù)載使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，記錄輸出電壓，電流，功率于表3控制葉尖速比列下。固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，一般使轉(zhuǎn)速在額定風(fēng)速時(shí)CP達(dá)到最大。若隨意選擇轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用效率會(huì)更低。固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，不同風(fēng)速下調(diào)節(jié)負(fù)載大小，保持轉(zhuǎn)速不變，記錄風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)輸出電壓，電流，功率于表6固定轉(zhuǎn)速列下。表3 切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn) R=0.134m 額定風(fēng)速6m/s 調(diào)節(jié) 方式風(fēng)速 m/s控制葉尖速比（lm）固定轉(zhuǎn)速（n360lm /2pR） 轉(zhuǎn)速n=60l

29、m V1/2pR電壓V電流mA功率W轉(zhuǎn)速n=360lm /2pR電壓V電流mA功率W44.555.56畫出以上2種調(diào)節(jié)方式下輸出功率隨風(fēng)速的變化曲線。比較上述2條曲線，能得出什么結(jié)論？預(yù)期結(jié)果：2條曲線在額定風(fēng)速時(shí)重合，在其它區(qū)段控制葉尖速比曲線高，說明采用控制葉尖速比的調(diào)節(jié)方式，風(fēng)機(jī)獲取的能量最大。實(shí)驗(yàn)4 額定風(fēng)速到切出風(fēng)速區(qū)間功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn) 變漿距調(diào)節(jié)風(fēng)速在額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率達(dá)到額定功率。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，若負(fù)載維持不變，采用變漿距調(diào)節(jié)使風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速不變，就可使輸出功率維持在額定功率。 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，檢測輸出功率和轉(zhuǎn)速，連續(xù)調(diào)節(jié)漿距角就可以使風(fēng)力變化時(shí)輸出功率維持不變。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為增加感性認(rèn)識，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，從原理上驗(yàn)證以上過程。調(diào)節(jié)負(fù)載大小，使在5m/s的