槳距角和材料對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率的影響

李契 吳昌義 付雯靜 楊珂

摘 要：本工作根據(jù)自制的YFL-1型多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀研究了影響風(fēng)機(jī)輸出功率的影響因素，為了弄清影響風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀各個(gè)因素對(duì)輸出功率的作用效果，得出了不同的風(fēng)速對(duì)輸出功率的效果顯著，并自制了30°和60°漿距角的葉片，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，同時(shí)制作料鎂合金和鋁合金的風(fēng)輪葉片，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，澄清了風(fēng)輪葉片的風(fēng)速、風(fēng)輪葉片的槳距角、葉片材料對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出功率的影響的規(guī)律，能夠指導(dǎo)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 實(shí)驗(yàn)儀 輸出功率 風(fēng)速 槳距角

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（c）-0036-02

1 論文研究背景及研究意義

風(fēng)能是可再生的清潔能源，資源分布廣、總儲(chǔ)量巨大，在一定的技術(shù)條件下，風(fēng)能可作為一種重要的能源得到開(kāi)發(fā)利用。隨著對(duì)環(huán)境的保護(hù)更加重視，作為環(huán)保型能源的風(fēng)能，未來(lái)的發(fā)展前景更為可觀[1]。

對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀的研制，特別是對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀的輸出功率的研究，取得了一些實(shí)驗(yàn)和理論成果。耿耀輝等人[2]進(jìn)行風(fēng)輪葉尖速比與實(shí)驗(yàn)儀輸出功率關(guān)系實(shí)驗(yàn)，分析了影響實(shí)驗(yàn)儀輸出功率的因素。但是在葉片的材料和漿距角對(duì)輸出功率的影響上，目前在國(guó)內(nèi)報(bào)道的比較少[3]。

本項(xiàng)目將風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行了改進(jìn)和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出不同材料和槳距角的葉片，并研究了其對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出功率的影響。

2 研究過(guò)程和方法

本工作的所有的測(cè)量全部在自制的YFL-1型多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀上進(jìn)行，采用兩種不同漿距角和鎂以及鋁材料的葉片，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。風(fēng)機(jī)電壓是220V，負(fù)載正常工作后為5V，電流為1A，風(fēng)速測(cè)量采用風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 風(fēng)速對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響

用風(fēng)速儀測(cè)量出軌道上不同在位置的風(fēng)速，移動(dòng)風(fēng)力發(fā)電滑塊到不同風(fēng)速位置上，觀察不同葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)雙顯表上的電流電壓大小，將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄匯總并得到圖1。

由此可見(jiàn)，在風(fēng)速較小時(shí)，由于摩擦阻力或其他阻力導(dǎo)致的內(nèi)部阻礙作用，輸出功率幾乎為零。在風(fēng)速超過(guò)4m/s之后，發(fā)電機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的增加而增加，輸出功率與風(fēng)速是成正相關(guān)的關(guān)系。

3.2 葉片特性對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響

該實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，在測(cè)量風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率關(guān)系時(shí)以型號(hào)為1，葉片數(shù)量為6、槳距角為30°，葉片長(zhǎng)度為17.5cm的鋁制和鎂制風(fēng)輪葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

3.2.1 葉片槳距角對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響

將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄匯總得到圖2。

由圖2可以得出，槳距角對(duì)風(fēng)機(jī)的輸出功率無(wú)較大影響。不同風(fēng)速下，槳距角為15°時(shí)的風(fēng)機(jī)輸出功率略大于槳距角為30°時(shí)的風(fēng)機(jī)輸出功率，尤其在風(fēng)速較強(qiáng)時(shí)，更加顯著。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為不同的槳距角直接決定的是葉片迎風(fēng)面積的大小，可能在高風(fēng)速時(shí)，面積越打，輸出功率越高。

3.2.2 葉片材料對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響

其他變量不變，設(shè)計(jì)了鎂和鋁不同材料葉片下的發(fā)電機(jī)輸出功率值，并將數(shù)據(jù)記錄整理得到圖3。

由此可見(jiàn)，鋁制葉片相比于鎂制葉片，其風(fēng)機(jī)輸出功率略高。相對(duì)而言，可能密度越大的材料的輸出功率越大。而且，這種差距在風(fēng)速越大的時(shí)候，表現(xiàn)的越顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析和整理，最終我們認(rèn)為風(fēng)速和葉片的材料對(duì)風(fēng)力發(fā)電儀的輸出功率產(chǎn)生影響。其中風(fēng)速是直接影響輸出功率的主要因素之一。另外，通過(guò)對(duì)葉片特性的分析，認(rèn)為葉片槳距角對(duì)輸出功率影響不大，而葉片的材質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著影響。影響的具體原因主要是葉片的密度，葉片密度越大，慣性越大，能量損耗越低。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅承先.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景預(yù)測(cè)[J].中外能源，2012，17（3）：24-31.

[2] 耿耀輝，張穎濤，孫佩雄，等.風(fēng)能發(fā)電物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].大學(xué)物理，2014，33（4）：25-28.

[3] 刁瑞盛.風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響研究[D].浙江大學(xué)，2006.