水平軸升力型風力發(fā)電機葉片數(shù)量葉片傾角與輸出功率的關系研究

聶建峰，柳博偉，何璟恒，程 霞，萬澤華，于 晨，陳東生

(上海電力學院，上海 200090)

風機可分為水平軸風機和垂直軸風機。水平軸風機可分為升力型風機和阻力型風機，常見的風機，如當下正式用于發(fā)電的風力發(fā)電機都是屬于水平軸升力型風力發(fā)電機。風機與發(fā)電機的組合即為風力發(fā)電機。文章中將著重介紹水平軸升力型風力發(fā)電機的原理，以及它的風葉數(shù)量、風葉傾斜角度與輸出功率之間的關系。

1 實驗原理介紹

1．1 風葉受力分析

風作為流體，流動時具有動能，所以風機在風的作用下，能將風的流動動能轉(zhuǎn)化為風機軸的轉(zhuǎn)動動能，從而帶動發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電能。首先說明水平軸升力型風力發(fā)電機風力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動動能的機制。

如圖1所示為風流經(jīng)葉片時的受力示意圖，經(jīng)過葉片上方的空氣流速變快，相對壓強變小，而葉片下方的風速幾乎不變，以致相對壓強幾乎不變，這樣風葉的上下兩方即會產(chǎn)生壓力差，使風葉受到一個沿右上方的力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，從而推動葉片轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為風機軸的轉(zhuǎn)動動能，最后把風的動能轉(zhuǎn)化為電能［1-6］。

1．2 原理圖

由于實際風機對風機高度、風的對流環(huán)境等方面的要求較高，本實驗采用小型永磁體直流風力發(fā)電機模擬驗證風機風葉數(shù)量，風葉傾角與輸出功率之間的關系。在實驗風速不變(8 m/s)的情況下，測量風葉數(shù)量為2片、3片、4片，傾斜角度為60°時，風機帶動負載輸出的電壓和電流情況。在各組的測量中，調(diào)節(jié)負載電阻，將負載電阻從0Ω增大至200Ω，每隔20Ω測量一組值。直流發(fā)電機裝有轉(zhuǎn)速計T，在每組測量中，測定電壓U(V)、電流I(mA)以及轉(zhuǎn)速計的輸出電壓UT。

根據(jù)功率的計算公式:

可以得出一系列負載阻值下的輸出功率。

此風機測速計的輸出電壓和轉(zhuǎn)速n(min－1)之間存在關系:

可得到一系列負載阻值下的轉(zhuǎn)速值。

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

圖2 電路原理圖

2 實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析

2．1 風機風葉數(shù)量與輸出功率之間的關系

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)的趨勢具有相似性(見后文輸出功率和風葉數(shù)量關系圖)，這里只提供風速8 m/s，傾斜角度為60°時的原始數(shù)據(jù):

表1

2．2 風機風葉頃角與輸出功率之間的關系

所以根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，在固定風速8 m/s，傾斜角度為60°時，可得出如下所示的不同風葉數(shù)量對應的輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的關系圖，見圖3。

圖3 60°時輸出功率與轉(zhuǎn)速關系

此時，通過分析四張圖，可以看出:1)．固定風速不變時，在每60°角度下，4片風葉對應最佳的輸出功率，在角度偏大時，更能突出4片風葉的優(yōu)越性;2)．不同角度對應著不同的輸出功率，在8 m/s風速下，隨著傾斜角度的增大，發(fā)電機的最大輸出功率在增大;3)．在每條曲線的末端，都越來越趨近于與功率軸平行，說明風機已達到此風速下的最大轉(zhuǎn)速。

但在實際生產(chǎn)應用時，常見的風機都為3個風葉，這看似與實驗的結果不符。其實不然，實踐證明，實際的風力發(fā)電機，在風葉從2片增加到3片時，發(fā)電效率(即風能的轉(zhuǎn)化效率)大約增加4%左右，從3片增加到4片時，發(fā)電效率大約增加2%。實際生產(chǎn)中，由于風力發(fā)電機的風葉造價較高，2個百分點的效率增加并不足以彌補生產(chǎn)1個風葉產(chǎn)生的生產(chǎn)成本;最后，需要補充的一點是，實際的傾斜角度與電機輸出功率間的關系，并不是始終隨著傾斜角度的變大功率增加的，發(fā)電機的輸出功率應先隨傾角的增大而增大，后隨傾角的增大而減小。

3 結 論

通過實驗可以證明，風葉數(shù)量、傾斜角度與風力發(fā)電機的輸出功率之間確實存在著某種關系，而且是非線性的，并不是由風葉數(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。實驗中，當傾斜角度為60°、風葉數(shù)量為4片時可以達到風速8 m/s下風機的最佳工作狀態(tài)，得到最大輸出功率，由于實際生產(chǎn)應用不僅需要考慮發(fā)電效率的問題，還需要考慮到生產(chǎn)成本等一系列因素，例如多一個風葉而增加的幾個百分點的效率，并不一定是值得的，關鍵是綜合考慮因素以達到經(jīng)濟效益最大化。

［1］ 姚興佳，王士榮．風力機的工作原理［J］．技術講座，2006，126(2):87-89．

［2］ Mathew，Sathyajith．Wind Energy Fundamentals，Resource Analysis and Economics［M］．Netherlands．Springerlink，2006．

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

［4］ 張照煌，劉衍串．中型水平軸風力發(fā)電機原理的研究［J］．電力情報，1998(3):36-38．

［5］ Jelavic，M．Peric，N．＆ Ivan．P．Identification of Wind Turbine Model for Controller Design［J］．IEEE，2006，1608-1613．

［6］ 林閩，張崇?。⌒惋L力發(fā)電機葉輪設計［J］．風機技術，2007(1):28-47．

［7］ A．Stabile，A．J．Marques Cardoso．Efficiency Analysis of Power Converters for Urban Wind Turbine Applications［J］．IEEE，2010，6-9．