风力发电实验仪研制-大学本科毕业论文

.2风力发电现状1.2.1世界风力发电现状能源已成为当今世界的战略资源，风电作为可再生能源中最重要的能源之一，越来越受到追捧。近二十年来，风电成为世界相对成熟的一种新能源，得到迅猛发展。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式。丹麦是最成功的典范，在这个只有500万人、4.3万平方公里的国土上，风机数量高达5344台，总装机容量为312万KW，为全世界提供50％的风机和该国20％的电力，计划到2030年风电占总发电量比重将达到50％。德国是目前世界第一风电大国，总装机容量为1844万KW，占总发电量的比重为6.2％，德政府2000年提出今后将不再发展新的核电站，新增电力需求主要靠发展风电和其他可再生能源来解决，计划到2020年风电占总发电量的比重至少达到20％。美国到2015年，风电总装机容量预计为3500万KW，2025年将达到1亿KW。印度计划到2012年风电总装机容量达到1200万KW。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。据欧洲风能协会预测，到2020年世界风电装机将达到12.3亿KW，年新增装机1.5亿KW，发电量占总发电量的比重将达到11.8％，有可能超过核电和水电。近些年来，我国风力发电发展迅猛。据全球风能理事会消息，2009年全球风电总装机容量达到157.9GW，但新增装机容量中有近三分之一来自中国。中国风电装机容量连续第5年实现100%增长，2009年增加到了26.1kMW，超过德国成为全球第二大风电国家。据全球风能理事会（GWEC）介绍，2011年全球风电新装容量41GW以上，比2010年增加21%，使全球总装机容量超过238GW。迄今全世界已有75个国家安装了商业化风电，其中22个国家超过了1GW。中国超过美国，成为世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家1.2.2中国风能储备现状据中国气象科学研究院初步探明，中国风能总储量达32.26亿KW，居世界第一位。其中可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿KW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿KW，共计约10亿KW，大于中国的水能资源储量。中国风能储量是印度的30倍，德国的5倍，截至到2011年底，中国风电装机容量仅为印度的1/2.5，德国的1/8。因此，风能储量丰富，空间巨大。中国未来风机行业发展空间巨大。根据中国公布的《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展十一五规划》，到2010年可再生能源在能源消费中的比重达到10％，全国可再生能源年利用量达到3亿吨标准煤。到2020年中国可再生能源发电装机占总电力装机容量的比例达到30％以上。作为可再生能源，在国家政策支持下，水电投资将稳步增加，但由于中国现有技术下可供开发的水电资源有限，估计未来水电在电源结构中的比例很难大幅增加。而太阳能和生物质发电在中国刚刚起步，产业政策力度大力支持，未来将面临良好发展机遇。最后，常规能源价格持续波动促使风电更受重视。煤炭、石油、天然气等常规能源的供应日趋紧张。随着风电制造技术趋于成熟，以及单机容量不断增大，风电单位发电成本持续下降，在过去的5年中，中国风力发电的成本下降了约20％。据《风力12在中国》的预测，2020年前后中国的风力发电成本将与煤电相当。新成立的国家能源局已经将风力发电作为国家中长期能源发展的重要内容，规划今后将重点发展内蒙、河北、江苏、甘肃等多个千万KW等级的“风电三峡”，数十个10-100万KW的大型风电场。1.3风力发电的研究进展风力发电包括了由风能到机械能和由机械能到电能的两个转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。由于风力发电是新能源中技术最成熟的、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式,在世界范围内得到了迅速发展。在国家宏观政策引导和市场需求的拉动下,近年来,世界的风力发电研究得到了迅速发展，下面仅就并网型风力发电系统进行论述。大中型风力发电系统依据发电机结构的不同，可分为恒速恒频发电机系统和变速恒频发电机系统。并网型风力发电系统,也称作并网型风电机组,一般指能够与公共电网并联运行的大型风力发电系统。并网型风电机组一般由桨叶、轮毂、增速传动机构、偏航机构、风力发电机、塔架和控制系统等部分组成。在风力发电中,当风力发电机与电网并联运行时,要求风电频率和电网频率保持一致,即风电频率保持恒定。并网型风力发电系统分为恒速恒频发电系统(CSCF系统)和变速恒频发电系统(VSCF系统)。其中,单机容量为750kW以下的风电机组多采用恒速恒频运行方式;容量范围1MW以上的风电机组一般采用变速恒频运行方式。恒速恒频发电机系统包括同步发电机与异步感应发电机；变速恒频发电机系统则包括不连续变速系统和连续变速系统。常规同步发电机对风力这类波动性很强的源动力很难适用，使得结构和控制十分复杂，造价提升。恒速恒频发电系统是指在风力发电过程中,通过定桨距失速控制风轮机,使风力发电机的转速保持恒定,从而保证风力发电机的端输出电压的频率和幅值恒定的风力发电技术。采用恒速恒频发电技术的风电机组,其配套的风力发电机一般是同步发电机或鼠笼式异步发电机,机组控制简单,制造方便、可靠性高、并网容易,但运行范围相对较窄。恒速恒频发电系统虽不是目前市场的主流技术,但技术成熟,运行维护经验相对丰富,设备性能和产能比较稳定。功率调节是风电机组的关键技术之一,按功率调节的方式不同,恒速恒频风电机组主要分为定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种调节控制方式。变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中,发电机的转速可以随风速变化而变化,并通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能的风力发电技术。采用变速恒频发电技术的风电机组,风力机根据风速不同而变速运行,使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值,从而获得更多的能量。与恒速恒频发电系统相比,变速恒频发电系统通过变桨距控制风力机,不但可以最大限度地捕捉风能,减小风力机的机械应力,使风力机在很大的速度范围内按最佳效率运行,而且还可以减少风电机组向电网输送功率的波动。变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行,这是当前风力发电发展的一个趋势。变速恒频发电系统主要分为双馈式变速恒频风力发电系统、直驱式变速恒频风力发电系统和混合式变速恒频风力发电系统三大类。下面介绍一下目前应用广泛并代表未来发展方向的两种电机—双馈式和直驱式变速恒频发电技术。双馈发电机的结构与绕线式感应电动机类似，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源供给三相励磁电流。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的转速与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速。从而，在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。其原理图如下所示。变频器变频器主发电机定子绕组励磁机定子绕组A'B'C'ABCfff=50Hz~~f=50Hza'b'c'nnf主发电机转子绕组励磁机转子绕组转子转轴风力机风轮abcnfn图1.1无刷双馈异步发电机结构原理图Fig.1.1Schematicstructureofthebrushlessdoubly-fedinductiongenerator当风速变化时，机械转速随之变化，这时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，以补偿电机速度的变化，保持输出频率恒定。双馈发电系统所用的电力电子变换装置容量小、控制灵活，很适于大型风机的恒频连续变速。直驱式变速恒频风力发电系统,即直驱式风电机组。该类机组采用风力机直接驱动风力发电机的驱动形式。发电机采用永磁同步发电机,其转子为永磁式结构,无须外部提供励磁电源,提高了效率,变速恒频控制也是在定子电路实现的,把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电,因此变频器的容量与系统的额定容量相同。由于直接耦合,永磁发电机的转速很低,使发电机体积很大,成本较高,但由于省去了价格更高的齿轮箱,所以,整个系统的成本还是降低了。与恒速恒频发电系统相比，变速恒频风力发电系统具有非常突出的优点：（1）风力机可以最大限度的捕获风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大。（2）较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化。（3）采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率。（4）可抑制谐波，减少损耗，提高效率。其主要问题是由于增加了交直交变换装置，大大增加了设备费用。由于以上原因，变速恒频风电系统已成为了目前国内外风电机组的主流技术，被各个风电工程广泛采用。1.4风力发电的优缺点1.4.1风力发电的优点风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。用它发电十分有利。与火力发电、燃油发电、核电相比它无需购買燃料，也无需支付运费，更无需对发电残渣,大气进行环保治理.风力发电是绿色能源.风力发电是财神爺。风来、发电、生财。风是财富。风是大自然对人类的无私奉献。1.4.2风力发电的缺点风力发电有很強的地域性。不是任何地方都可以建站的。它必须建在风力资源丰富的地方。即风速大、持续时间长。在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，风力资源大小与地势、地貌有关,山口、海岛常是优选地址。如新彊达板城、年平均风速6。2米/秒，内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7。2米/秒，江西鄱阳湖，年平均风速7。6米/秒，河北张北，年平均风速6。8米/秒，辽宁东港，年平均风速6。7米/秒，广东南澳，年平均风速8。5米/秒，福建平潭岛全县年平均风速8。4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8。5米/秒，年可发电风时数为3343小时，为目前中国之冠。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国这样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高。风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建。第二章风力发电实验仪的基础理论2.1风力发电机原理是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。2.2风力发电实验仪原理的理论推导2.2.1气流的动能空气的定向流动就形成了风。设风速为V1，质量为Δm的空气，单位时间通过垂直于气流方向，面积为S的截面的气流动能为：（2.1）式中L为气流在时间t内所通过的距离；为空气密度，在标准状态下取值为1.293kg/m3，一般随高度及温度增大而减小，见表1。由上式可见空气的动能与风速的立方成正比。表2.1空气密度与海拔高度的关系Table2.1Therelationshipbetweenairdensityandaltitude海拔高度(m)0100020002500300040005000相对大气压力10.8810.7740.7240.6770.5910.514相对空气密度10.9030.8130.7700.7300.6530.583注：标准状态下大气压力为1，相对空气密度为1。2.2.2风能的利用风力发电机能利用多少风能？什么条件下能最大限度的利用风能？这是风机设计的首要问题。一般来说，影响风电转换效率的因素有风轮、发电机、负载以及控制系统等，其中风轮是重要的影响因素。风轮是将风能转化为机械能的风机部件，由轮毂和固定在轮毂上的叶片组成。2.3贝兹理论2.3.1贝兹理论贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，它由德国物理学家AlbertBetz于1919年提出。贝兹假定风轮是理想的，气流通过风轮时没有阻力，气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。以V1表示风机上游风速，Vo表示流过风轮旋转面S时的风速，V2表示流过风扇叶片截面后的下游风速。根据动量定理，流过风轮旋转面S，质量为Δm的空气，在风轮上产生的作用力为：（2.2）风轮吸收的功率为：（2.3）此功率是由空气动能转换而来，从风机上游至下游，单位时间内空气动能的变化量为：（2.4）令（2.3）（2.4）两式相等，得到：（2.5） 将（2.5）式代入（2.3）式，可得到功率随上下游风速的变化关系式：（2.6） 当上游风力V1不变时，令dP/dV2=0，可知当V2=1/3V1时（2.6）式取得极大值，且：（2.7）将上式除以（2.1）式，可以得到风力发电机的最大理论效率(贝兹极限)：（2.8）我们将风力发电机的实际风能利用系数（功率系数）CP定义为风力发电机实际输出功率与流过风轮旋转面S的全部风能之比，即：（2.9）功率系数CP总是小于贝兹极限，商品风机工作时，CP一般在0.4左右。但CP不是一个常数，它随风速、发电机转速、负载以及叶片参数如翼型、翼长、桨距角等而变化。 由上式，风力机实际的功率输出为：（2.10）式中R为风轮半径。（2.10）式是本实验的基本理论依据，它展示了风力发电机功率输出与各物理量的依赖关系。2.3.2影响贝兹理论的环境因素①、对风力发电机功率输出影响最大的因素依次是风速V1和风轮半径R，而空气密度的影响也不容忽视（参见表1）。这对风场的选址和叶片长度的选择具有决定性的指导意义。②、一个地区的四季平均风速同比不会有很大变化，叶片也不可能制作的无限长，当风场位置选定后，空气密度基本确定。这时，公式中功率系数CP对风机功率输出的影响至关重要，而CP是一个多元变量，受风速、发电机性能、负载以及叶片参数如叶片光滑度、翼型、翼长、桨距角等影响而变化，较为复杂。如何提高功率系数，需要综合考虑各因素的影响，也需要实验。找出提高CP的方法，制作出具有最佳CP的风机是设计人员的重要任务。③、在本实验仪的实验内容中，将分别就这些参量对风机输出功率的影响进行实验。注意到功率系数CP是一个变量，风机输出功率P与风速V1和风轮半径之间的函数关系并不是严格的立方和平方关系。2.4风轮叶尖速比与功率系数CP关系在风机的设计过程中，为了找出提高CP的实验方法，通常将风轮转速与风速的关系合并为一个变量叶尖速比，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比，即：（2.11） 上式中为风轮角速度，R为风轮最大旋转半径（叶尖半径）。 理论分析与实验表明，叶尖速比是风机的重要参数，其取值将直接影响风机的功率系数CP。图7表示某风轮叶尖速比与功率系数CP的关系，由图可见在一定的叶尖速比下，风轮获得最高的风能利用率。图2.1风轮叶尖速比与功率系数CP关系Fig2.1TherelationshipbetweentipspeedratioofwindwheelandthepowercoefficientCP对于同一风轮，在额定风速内的任何风速，叶尖速比与功率系数的关系都是一致的。不同翼型或叶片数的风轮，CP曲线的形状不一样，CP最大值与最大值对应的λ值也不一样。 叶尖速比在风力发电机的设计与功率控制过程中都是重要参数。风力发电机的功率调节方式 任何地方的自然风力都是随时变动的，风力的变化范围大，无法控制，风力发电机的设计必需适应风能的特点。 风力发电机设计时都有切入风速，额定风速，切出风速几个参数。 切入风速是风力发电机的开机风速。高于此风速后，风力发电机能克服传动系统和发电机的效率损失，产生有效输出。 切出风速是风力发电机的停机风速。高于此风速后，为保证风力发电机的安全而停机。额定风速是风力发电机的基本设计参数。额定风速与额定功率对应，在此风速下，风力发电机已达到最大输出功率。 额定风速对风力发电机的平均输出功率有决定性的作用。额定风速偏低，风力发电机会损失掉高于额定风速时的很多风能。额定风速过高，额定功率大，相应的设备投资会增加，若实际风速大部分时间都达不到此风速，会造成资金浪费。而且额定风速高，设备大以后，切入风速会相应提高，会损失低风速风能。 额定风速要根据风电场风速统计规律优化设计。商业风电机组，额定风速在10～18m/s，切入风速在3～4m/s，切出风速在20～30m/s。这里的风速与气象中所说的风级间对应关系如表2。表2.2风级与风速的对应关系Table2.2thecorrespondingrelationshipbetweenWindlevelandairflow风级0123456风速(m/s)0.0-0.20.3-1.51.6-3.33.4-5.45.5-7.98.0-10.710.8-13.8风级789101112风速(m/s)13.9-17.117.2-20.720.8-24.424.5-28.428.5-32.632.6以上风机上的桨距角指的是叶片顶端附近弦线与风轮旋转平面的夹角，对于形状确定的叶片，桨距角有一最佳值，使功率系数CP达到最大。风力发电机输出功率与风速的基本关系如图8所示。图2.2风力发电机输出功率与风速的基本关系Fig2.2TherelationshipbetweenWindturbineoutputpowerandwindspeed 风速在切入风速与额定风速之间时，一般使桨距角保持在最佳值，使风机工作在最佳叶尖速比状态，最大限度的利用风能。风速在额定风速与切出风速之间时，要使输出功率保持在额定功率，使电器部分不因输出过载而损坏，要采用一定的调节方式。目前商业风机采用的调节方式有3种，分别是定桨距被动失速调节、主动失速调节和变桨距调节。其中变桨距调节采用的最多，我们只讨论这种方法。变桨距调节是在风速超过额定风速后，增大桨距角，使功率系数CP下降，风电机在额定功率输出电能。采用变桨距调节有如下优点：输出功率特性平稳。当风速超过额定风速后，通过变桨距调节，可以使输出功率平稳地保持在额定功率，如图2.2的平直线段所示。风能利用系数高。变桨距叶片可以设计的在启动风速到额定风速都保持高的风能利用系数。启动和制动性能好。变桨距风轮在启动时，桨距角可以转到合适的角度，使风轮在低风速下启动。在风速达到切出风速或因其它原因需要停机时，可以将桨距角调到90度，称为顺桨，此时没有转矩作用于发电机组，发电机组可以无冲击的脱离电网。第三章实验仪的研制与参数研究3.1引言本实验旨在研制一种多功能的风力发电实验仪。该实验仪包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、导轨。整流滤波电路包括与三相交流发电机连接的六个二极管以及电容并联支路。测量电路包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路。电能的存储与利用电路包括由双刀双掷开关控制的发光二极管回路和储能充电器回路。利用本发明实验仪，可实现多种与风能利用有关的基础物理实验，诸如：翼长、翼形、桨距角、叶片数量与系统输出功率的变化关系实验；风力发电使用演示实验；风力发电储能方式实验；三相交流电整流滤波电路搭建实验；风力发电储能方式及输出电路的搭建等。3.2实验原理风力发电实验装置结构原理示意图如图9所示，整机实物照片及各部位标注如图10所示，其中九孔插板上各元件标注如图11所示。实验装置结构原理示意图9表明，该实验仪包括风源S、风速计M（通过支架Z2安装在导轨上）、风轮（由轮毂2和叶片1构成）、三相交流永磁同步发电机4、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨3。其中的整流滤波电路、电能的存储与利用电路中的所有电学元件及测量电路中的可变负载插在“九孔插板”上并通过该插板实现连接，实现即插即用、方便快捷搭建电路的目的。风轮、三相交流永磁同步发电机通过水平转动轴连接并安装在支架Z3上。所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给发电机。图3.1风力发电实验装置结构原理示意图Fig3.1windpowerschematicdiagramofdevicestrcture所述整流滤波电路：包括与三相交流永磁同步发电机连接的六个二极管（D1，D2，D3，D4，D5，D6）以及电容5并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接，用以将发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容5，用以对电流进一步滤波。测量电路：包括智能电压表6支路和由一个可变负载7与一个智能电流表8串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。所述电能的存储与利用电路：包括由双刀双掷开关K2控制的发光二极管LED回路和储能蓄电池9回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关K1。所述导轨的两侧带有可定位的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。3.3实验步骤设计本实验仪的目的是解决现有实验仪存在功能单一、演示内容粗略、显示效果差、系统不稳定、系统复杂等技术问题，提供一种多功能风力发电实验仪，可以稳定、形象、直观、即插即用、方便的演示风能转换及利用的全过程，以及演示风速、叶片数量、翼型、翼长、桨距角、负载等与系统输出功率的变化关系，并能对其中某些参数关系做出定量测试。多功能风力发电实验仪：包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、支架、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨。所述风源采用轴流风机，通过风源支架安装在导轨上，用以输出速度相对稳定的风。所述风速计通过风速计支架安装在导轨上，用以测量风速。所述风轮、三相发电机通过水平转动轴连接并安装在风轮和交流发电机支架上。所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给三相发电机。所述整流滤波电路：包括与三相交流发电机连接的六个二极管以及电容并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接，用以将三相交流发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容，用以对电流进一步滤波和电能的短暂存储。测量电路：包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。所述电能的存储与利用电路：包括由双刀双掷开关控制的发光二极管回路和储能充电器回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关。所述导轨的一侧带有可测量距离的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。所述风轮由风轮轮毂和安装在风轮轮毂上的风轮叶片构成，风轮叶片数量分别为2、3或6。3.4实验仪器成果展示1123456789101211131415166图3.2风力发电实验仪全图fig3.2windpowerexperimentapparament1-风源、2-风源电源开关、3-风速仪探头、4-风速仪读数表、5-风轮、6-发电机、7-导轨、8-移动滑块、9-电流表电压表工作电源开关、10-电流表、11-电流测量端口、12-电压表、13-电压测量端口、14-电机三相交流电输出端口、15-转速仪、16-九孔插板。1-windsource-thewindsourcepowerswitch,3-anemometerprobe,4-anemometerreadingsinTable5-windwheel,6-generators,7-rail,8-Movetheslider9-ammetervoltagepowerswitchofthetablework,10-ammeter,11-currentmeasurementport,12-voltmeter,13-voltagemeasurementport14-themotorthree-phaseACoutputport15-Tachometer,16-abaloneflapper.22314567891-可调负载、2-整流二极管、3-发光二极管、4-储电器

、5-储电器插头、6-短接桥、7-滤波电容、8-单刀开关、9-双刀双掷开关。1-adjustableload,2-rectifierdiode,3-light-emittingdiodes,4-storageappliances,5-Chuelectricalplug,6-shortbridge,7-filtercapacitor,8-single-poleswitch,9-poledouble-throwswitch.3.5风力发电参数测量3.5.1电路连接与测试（1）、用万用表测量可变负载插件a、b、c、d、e、f、g各点的电阻值，记录到表格3中。表3.1可调负载各点的电阻值Table3.1Adjustableloadresistancevalueofeachpoint负载指示点abcdefg电阻值（Ω）01503004806708501010（2）、按照原理图3.1，将有关电学元件插到九孔板上，用短接桥或导线连接，组成三相桥式全波整流滤波电路、测量电路和电能的存储与利用电路。九孔板上实际元件的参考插接方法见图11。断开开关K1,将三相桥式全波整流电路的3个输入端分别与发电机的3个输出端相连。用导线连接电流表和电压表的4个接线端口到九孔板可变负载上，并调整负载阻值到最大值。将发电机滑块安放在靠近风源附近的导轨上，旋紧固定螺栓。在风轮轮毂上安装3个异型叶片，将风轮安装在发电机转轴上。合上风源和测量电表的供电开关，实验仪开始工作，电流表和电压表有数字显示。（3）、将负载调整到适当位置（480Ω左右），用示波器对三相桥式全波整流滤波电路的三个输入相端两两测试，观察波形并测出频率。注意：为尽量减小示波器对被测电路的负载效应，测量时应选择高阻抗探头。用示波器测试三相桥式全波整流滤波电路的两个输出端，观察整流滤波效果。将风力发电机滑块沿轨道移动0.2米左右距离，重复上述测试，观察频率变化。3.5.2电能的利用与存储（1）、移动风力发电机滑块到靠近风源位置，调整负载阻值，使电压表显示在8.0伏以上。合上开关K1，将双刀双掷开关K2拨到电能利用一侧，该侧电路导通，发光二极管发光。调整负载，增大电压，观察发光二极管亮度变化。注意：每个发光二极管的额定电压是3伏，6个发光二极管采用两两并联，三组串联的联接方式，电路总额定承压9伏。（2）、将双刀双掷开关K2拨到储能一侧，该侧电路导通，蓄电池上充电指示灯点亮。该蓄电池采用太阳能电池板补充充电，以模拟实际风力发电机离网系统的电能储存环节。从安全因素考虑没有设计逆变电路，但可以演示蓄电池储电后电能的利用，如点亮手电筒和为手机充电等。3.5.3用风速仪测量轨道上不同位置的风速在轨道上移动风力发电机滑块到远离风源一端，风机和风源间放置风速仪探头滑块，在距风源10厘米的位置上调整探头高度和角度使风速仪显示出该位置的最大读数值(约5.8米/秒以上)。在轨道上移动探头滑块到不同设定位置，测量风速值并记录到表4。由于在开放环境下总会有一定的气流干扰，风源输出气流也难免有波动，这导致风速仪读数不稳，测量难度增大。建议做此项实验时，尽量减小外界气流扰动，从高风速开始向低风速依次测量，待读数稳定后再记录，并重复测量3次取平均值。注意:测量时风速仪要用平均值测量挡！表3.2轨道上不同位置风速Table3.2Differentlocationsofthewindspeedonthetrack轨道位置（cm）900850800750700650600550500450400350风速1（m/s）4.34.2风速2（m/s）风速3（m/s）平均风（m/s）4.34.2根据上表画出风速与轨道位置关系图。图3.3风速与轨道位置关系图Fig3.3Diagramofwindspeedandtrackposition3.5.4风速与风力发电机输出功率关系实验放置风速仪探头滑块到离风源最远端轨道上。发电机滑块安放在探头和风源之间。在风轮轮毂上安装3个异型叶片并调到最长位置，调整叶片在轮毂上的角度到50左右位置，安装风轮到发电机转轴上。合上风源开关和电压表、电流表工作开关，观察表上显示的电压、电流值。调整负载电阻到480Ω左右。根据实验3测出的风速与轨道位置关系,在轨道上移动风力发电机滑块到不同风速位置上，观察表上的电压、电流值并记录到表5中。根据功率与电压及电流关系算出相应的风机输出功率。表3.3风速与风力发电机输出功率间关系Table3.3TherelationshipbetweenwindspeedandwindturbineoutputpowerP=IV风速（m/s）5.25.04.2电流（mA）20.620.319.819.217.617.214.610.78.3电压（V）4.33.3功率（W）166.8162.4154.4145.9121.4116.983.2246.0127.39画出风速和风力发电机输出功率关系图。说明风速对风机输出功率的影响。图3.4功率与风速的关系Fig3.4Therelationshipbetweenpowerandwindspeed3.5.5风速，风轮转速，发电机电动势之间关系实验调整风轮上的3叶异型叶片使其处于最佳桨距角，将风轮安装在发电机转轴上。断开负载，此时电压表测量的是开路电压，即发电机输出的电动势。移动发电机滑块使其处在确定风速位置上，调节稳定后用转速仪测量各风速下风轮转速（也是发电机转速），同时测量电压（即发电机感应电动势）值，将实验数据记入表3.4。表3.4风速，发电机转速，发电机感应电动势之间关系Table3.4Therelationshipbetweenwindspeed,generatorspeed,generatorinducedelectromotiveforce风速值5.85.454.64.2转速136213301180890650电动势11.3以风速做横坐标，转速做纵坐标作图，分析两者之间的关系。他们之间的关系可以用图3.5来表示：图3.5风速，发电机转速，发电机感应电动势之间关系图Fig3.5windspeed,generatorspeed,generatorinducedelectromotiveforcediagram以转速做横坐标，感应电动势做纵坐标作图，分析两者之间的关系。图3.6转速与感应电动势关系图Fig3.6Diagramofspeedandtheinducedelectromotiveforce预期结果：①风轮空载转速与风速成线性关系，旋转式风速计就是根据这一原理制成的。②发电机感应电动势与转速成正比，符合电磁感应原理。3.5.6异型3叶片风轮叶尖速比与功率系数关系实验调节负载旋纽，使负载电阻最大，此时负载电流最小，负载电压最高。移动发电机滑块使其处在风速约为5.8米/秒位置上。用转速仪测量风轮转速。各表显示稳定后测量相关数据为表12的第一行数据。调小负载电阻，使输出电压减小，每隔0.5V测量一次，将每次实验数据记入表12。表12中的空气密度取1.20kg/m3。表3.5异型3叶片风轮叶尖速比与功率系数关系Table3.5Shaped3-bladewindturbinebladetipspeedratioandpowercoefficient叶片半径R＝12.3cm转速n(转/分)输出电压U(V)输出电流I(mA)输出功率P=U×I(mW)叶尖速比=2πnR/60V1功率系数CP=2P/R2V13125011.113144.32.7745689660.025947123010.616.4173.842.7301758620.031259120510.120.5207.052.6746844830.03723111759.624.5235.22.6080948280.04229211559.127.7252.072.5637017240.04532611258.632275.22.4971120690.04948510908.134.8281.882.4194241380.05068610657.637.52852.3639327590.05124710307.140.2285．422.2862448280.0513239956.642.7281．822.2085568970.050675图3.7风轮叶尖速比与功率系数CP的关系曲线图Fig3.7Windroundthetipspeedratioandpowercoefficientcurve预期结果：实验得出的风轮叶尖速比与功率系数CP的关系曲线形状大体与图7一致，功率系数最大处对应最佳叶尖速比。CP的最大值比图7略低，CP峰值对应的值也不一定一样。此处学生可自行设计一项实验，验证同一风机在各参数不变时，额定风速内的任何风速叶尖速比与功率系数的关系都是确定的。3.6研究与总结（1）改变叶片长度将会影响发电机的发电功率。发电机的叶片越长越好。通常大型风能发电机风轮直径在几十米到上百米之间。（2）改变叶片角度将会影响发电机的发电功率。叶片总会在一个合适的角度达到最大输出功率。一般大型发电机的叶片做成流线型，根据空气动力学原理找到最佳值。这也是风能发电提高功率的一个主要研究方向。（3）选择不同的叶片数，对发电功率影响不大。一般大型风能发电机以3叶片为多，主要考虑风能发电支架在大风的情况下能够保持稳定。（4）改变风速将会影响发电机的发电功率。为获得较高的输出，一般大型风能发电机应安装在风能条件比较好的区域。（5）经过整流滤波后，转化的电能应用到生活中。在外出或紧急的情况下，可以利用小型风能发电机提供照明，给手机充电等。本实验仪的电路部分，所有的原件都是即插即用，非常方便，在实验过程中使学生对风能发电及其应用有个直观的认识，提高了同学们学习的兴趣，培养他们的动手能力。同时诸多影响风能发电效率的因素给学生留下对风能发电的思考，如何进一步提高风能发电效率，如何将其方便、有效地应用到日常生活中。第四章全文总结及展望4.1全文总结本文主要从对风力发电实验仪研制这一论题展开，大致论述了风能发电的研究进展及其现状，探讨了中国的风能分布，风力发电原理，风力发电实验仪所需要的各种材料，研制的过程。研制完成后，对风力发电实验仪的性能进行了测试，并与理论数值进行比较，在研究的过程中，我们也在其中发现一些现象和问题，并力图对此作出解释。总之，此次设计的风力发电实验仪可以广泛应用与基础物理教学实验，并能有效解决现有实验仪存在功能单一、演示内容粗略、显示效果差、系统不稳定、系统复杂等技术问题，提供一种多功能风力发电实验仪，可以稳定、形象、直观、即插即用、方便的演示风能转换及利用的全过程，以及演示风速、叶片数量、翼型、翼长、桨距角、负载等与系统输出功率的变化关系，并能对其中某些参数关系做出定量测试。在整个实验中我们的工作主要集中在以下几个方面：(1)对材料的购买与收集,这一部分主要涉及到：包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、支架、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨。而扇叶是全体组员共同设计制作的。(2)对整个风力发电实验仪的安装。所述风源采用轴流风机，通过风源支架安装在导轨上，用以输出速度相对稳定的风。导轨的一侧带有可测量距离的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。测量电路：包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。(3)对实验仪的演示。①叶片长度对功率的影响；②叶片角度对功率的影响;③叶片形状对功率的影响；④叶片数量对功率的影响；⑤风速对功率的影响;⑥负载对功率的影响;4.2本设计的创新之处本实验仪的电路部分，所有的原件都是即插即用，非常方便，而且对于轮毂设计也有独到之处。对于轮毂的设计，我们突出了其可调节的性能，在导轨上可以自由滑动，在不同的位置能得到不同的风速和风力，而轮毂的高度可以自由调节，这使得该实验对于不同的风源都能很好的适应。此外，该轮毂可以装载不同的叶片，用该实验仪可以测量不同的数据。在实验过程中，学生对风能发电及其应用有个直观的认识，提高了同学们学习的兴趣，培养他们的动手能力。同时诸多影响风能发电效率的因素给学生留下对风能发电的思考，如何进一步提高风能发电效率，如何将其方便、有效地应用到日常生活中。4.3该实验有待改进之处本次实验所研制的风力发电实验仪，总体上是非常成功，但有些细微之处仍需要改进，譬如，在进行六扇叶的演示实验时，由于风源的功率过小，在小角度不容易转动，同时风源发出的风具有不稳定性，易受干扰，对数据的测量带来一些不便，而且对于风速的测量也是一个不小的难题。所以，如何避免风源产生的风扩散，找到切实有效的测量风速的办法，以提高实验的精确度这是我们完成该实验后值得思考的问题。参考文献【1】PenaR,ClareJandAsherGM.DoublyFedInductionGeneratorusingBack-to-BackPWMConvertersanditsApplicationtoVariable-SpeedWind-EnergyGeneration.IEEProceedings-ElectricPowerApplicationsMay1996;143;3;231–241.【2】KelberCandSchumacherW.ControlofDoubly-FedInductionMachinesasanAdjustableSpeedMotor/Generator,VSSHy2000-EuropeanConferenceVariableSpeedinSmallHydro.【3】RanL,BumbyJRandTavnerPJ.UseofTurbineInertiaforPowerSmoothingofWindTurbineswithaDFIG.11thInternationalConferenceonHarmonicsandQualityofPower2004;106–111.【4】MüllerS,DeickeMandDeDonckerRW.Doublyfedinductiongeneratorsystemsforwindturbines.IEEEIndustryApplicationsMagazine2002;May/June;26–33.【5】HansenAD,IovF,BlaabergFandHansenLH.ReviewofContemporaryWindTurbineConceptsandtheirMarketPenetration.WindEngineering2004;28;3;247–263.【6】ChengwuLandFengxiangWandYongT.DesignandImplementationofADoubly-FedVSCFWindPowerControlSystem.InternationalConferenceonPowerSystemTechnology:PowerCon2002;4;2126–2129.【7】HofmannW.OptimalReactivePowerSplittinginWindPowerPlantsControlledbyDouble-FedInductionGenerator.IEEEAFRICONSeptember1999;2;943–948.【8】SmithS,ToddR,BarnesMandTavnerPJ.ImprovedEnergyConversionforDoubly-FedWindGenerators.IEEETransactionsonIndustryApplications2006;42;1421–1428.【9】HopfenspergerB,AtkinsonDJandLakinRA.Stator-Flux-OrientedControlofaDoubly-FedInductionMachineWithandWithoutPositionEncoder.IEEProceedings-ElectricPowerApplicationsJuly2000;147;4;241–250.【10】HoldsworthL,WuXG,EkanayakeJBandJenkinsN.ComparisonofFixedSpeedandDoubly-FedInductionWindTurbinesDuringPowerSystemDisturbances.IEEProceedings-Generation,TransmissionandDistributionMay2003;150;3;343–352.【11】NationalGrid,ConnectionConditionsSeptember2005;Rev12;Issue3.【12】ToddR,“HighPowerWindEnergyConversionSystems,”Eng.Dthesis,SchoolofElectricalandElectronicEng.,Univ.ofManchester,【13】ParkJW,LeeKWandLeeHJ.ControlofActivePowerinaDoubly-FedInductionGeneratorTakingintoAccounttheRotorSideApparentPower.35thAnnualIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference2004;2060–2064.【14】晋社民，《浅谈风电技术》，甘肃科技，2010【15】李俊峰.马玲娟等，《中国风电发展报告》，中国环境科学出版社，2008【16】北京银联，《中国风电产业发展研究报告》，北京银联信信息咨询中心，2009【17】谭伟璞，《电力电子技术在发电系统中的应用PPT》，华电课件，2010【18】刘其辉，《风力发电技术PPT》，华电课件，2010【19】世界能源理事会.新的可再生能源一未来发展指南.北京海洋出版社，1998【20】中国国家科委一欧盟能源总司.中国一欧洲联盟能源合作大会文集，1996【21】中华人民共和国国家发展计划委员会基础产业发展司编.中国新能源与可再生能源1999白皮书.中国计划出版社，2000【22】国家经贸委可再生能源发电及热利用研究项目组.中国可再生能源技术评价.中国环境科学出版社，1999【23】胡蛟抨.取之不尽的风力发电.生态经济，2001【24】黄素逸.能源科学导论.中国电力出版社，1999【25】国家经贸委可再生能源发展经济激励政策研究组中国可再生经济激励政策研究.中国环境科学出版社，1998【26】张焕芬.喜文华.先进国家的风力发电现状及其前景.甘肃科学学报，1998【27】江文.政府的支持推动新能源快速发展.能源政策研究，1997【28】张广盛.风能的利用.青海科技，1997【29】郭继高.风能发电一小型风能发电及其发电机(1).微特机，1999【30】NREL.RenewableDataOverview.RenewableEnergyAnnual，1997【31】EnergyPoliciesofIEACountries.1997Review.OECD，1997【32】ENEL.RenewableenergySoureintheIntemalEuroPeanProeedingMilanConferenee.1996【33】姚兴佳，依雪峰.风力发电在跨世纪能源结构中的地位.节能，1997【34】中国能源情报网主编.中国新能源的开发与利用.能源出版社1996【35】胡成春，刘鹤守，张国成著.新能源利用.重庆能源出版社，1997【36】陈宗器.风力发电综述与我国的开发设想.电机与控制学报，1999【37】倪受元.风力发电机的讲座一第一讲.风力机的类型与结构.太阳能，2000【38】(日)牛山泉，三野正洋著.小型风车手册.汪淑贞译.机械工社，1987【39】呼和浩特牧机所编.国外风能利用机械.内蒙古人民出版社，1987【40】郭继高.小型风能发电及其发电机(1).风能发电，1999【41】Maleolm，D.J.DynamieallysoftDarrleusrotors.WindEngineering，1992【42】张广盛.风能的利用.青海科技，1997【43】梁水林.风能资源的评估及风电场场址的选择.电力勘测，1997【44】王锦侠.车茂隆.风能利用装置的设计基础.机械工业出版，1986【45】张鹏举.风电场空气密度对风电机输出功率的影响.电力勘测，1999【46】张照煌.刘衍平，李林.关于风力发电技术的几点思考.电力情报1998【47】吴望一.流体力学.北京:北京大学出版社，1989【48】朱兆瑞.风压计算的研究.科学出版社，1976【49】中国农业机械化科学院主编.中国风力机图册，1基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统HYPERLINK"/d