风力发电实验指导及操作说明书.doc

ZKY-FD 风力发电 实验指导及操作说明书 成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司 四 川 世 纪 中 科 光 电 技 术 有 限 公 司 地址：成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 邮编：610100 电话：（028）85247006 传真：（028）85247006 85243932 网址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKY@ZKY.Cn 2015-11-30 风力发电实验指导及操作说明书 第 0 页 共 13 页 风力发电 风能是一种清洁的可再生能源，储量巨大。全球的风能约为 2.7×10 8 万千瓦，其中可利用的风 能为 2×10 6 万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大 10 倍。随着全球经济的发展，对能源的需 求日益增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。 大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。发 展风电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。近几年，随 着我国的风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。 据 2011 年 4 月《国家电网公司促进风电发展白皮书》，截至 2010 年底，全国风电并网容量 2956 万千瓦，“十一五”期间年均增速接近 100%。2010 年，全国风电机组平均利用小时数 2097 小时。 蒙东、蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到 21.1%、8.7%、5.6%、4.6%， 风电利用已达到较高水平。预计到 2015 年，我国风电消纳规模将超过 9000 万千瓦，2020 年将达到 1.5 亿千瓦以上。 与其它能源相比，风力、风向随时都在变动中。为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年 来在风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面， 都进行了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。 风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人 才已成当务之急。 实验目的 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 风速，螺旋桨转速（也是发电机转速） ，发电机感应电动势之间关系的测量 扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与风轮叶尖速比关系的测量 切入风速到额定风速区间的功率调节实验 额定风速到切出风速区间的功率调节实验——变桨距调节 风帆型 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与风轮叶尖速比关系的测量 平板型 4 叶螺旋桨的功率系数 CP 与风轮叶尖速比关系的测量 风电的储存与切换互补（选配选做内容） 实验原理 1. 风能与风速测量 风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。设计规程规定一般应收集有 关气象站风速风向 30 年的系列资料，发电场场址实测资料一年以上。在现有技术及成本条件下，在 年平均风速 6m/s 以上的场址建风力发电站，可以获得良好的经济效益。风力发电机组的额定风速， 也要参考年平均风速设计。 设风速为 V1，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： 1 2 1 2 E  mV12  SV13 （1） 式（1）中 Δm 为单位时间作用在截面 S 上的空气质量，为空气密度。可见，空气的动能与风 速的立方成正比。由气体状态方程，密度与气压 p、热力学温度 T 的关系为：  Mp p  3.48103 RT T （2） 式（2）中 M=2.89×10-2 kg/mol 是空气的摩尔质量，R=8.31 J/(mol∙K)为普适气体常数。气压会随 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 1 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 海拔高度 h 变化，代入 0C（273.15K）时反映气压随高度变化的恒温气压公式：  p  p0e Mg h RT  Mg   p0 1 h  1.013105 1 1.25104 h  RT    （3） 其中 g=9.8 m/s2 为重力加速度。式（3）在 h<2km 时比较准确。将式（3）代入式（2）： 2   3.5310 1 1.25104 h T （4） 式（4）中 h 的单位为米，在标准情况下（p=1.013×105 Pa，T=273.15 K），h=0 m 时，空气密度 值为 1.292 kg/m3。 式（4）表明海拔高度和温度是影响空气密度的主要因素，它是一种近似计算公式，实际上，即 使在同一地点，同一温度，气压与湿度的变化也会影响空气密度值。在不同的书籍中，经常可看到 不同的近似公式。 测量风速有多种方式，目前用得较多的是旋转式风速计及热线（片）式风速计。 旋转式风速计是利用风杯或螺旋桨的转速与风速成线性关系的特性，测量风杯或螺旋桨转速， 再将其转换成风速显示。旋转式风速计的最佳测量范围是 5～40m/s。 热线（片）式风速计有一根被电流加热的金属丝（片） ，流动的空气使它散热，利用散热速率和 风速之间的关系，即可制成热线（片）风速计。在小风速（5m/s 以下）时，热线（片）式风速计精 度高于旋转式风速计。 在本套实验仪器中，由于风速与风源电机（即风扇）转速成一一对应关系，所以在出厂前已通 过风扇转速对风速进行了校准，故在本套实验仪器中并未使用风速传感器来测量风速，而是通过风 扇转速转换成风速显示在风速表上。 2. 发电方式与发电机选择 风力发电有离网运行与并网运行 2 种发电方式。 离网运行是风力发电机与用户组成独立的供电网络。由于风电的不稳定性，为解决无风时的供 电，必需配有储能装置，或能与其它电源切换、互补。中小型风电机组大多采用离网运行方式。 并网运行是将风电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时风电机组输出的电能 必需与电网电能同频率、同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型风电机组大都采用并网运 行方式。 发电机由静止的定子和可以旋转的转子两大部分组成，定子和转子一般由铁芯和绕组组成，铁 芯的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场的分布，绕组是由表面绝缘的铜线缠绕的金属线 圈（励磁线圈）组成。 发电机原理可用图 1 说明。转子励磁线圈通电产生磁场，螺旋桨带动转子转动，使转子成为一 个旋转磁场，定子绕组切割磁力线，感应出电动势，感应电动势的大小与导体和磁场的相对运动速 度有关。 N 定子 n 转子 S 图 1 发电机原理示意图 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 风力发电实验指导及操作说明书 第 2 页 共 13 页 风力发电机都是 3 相电机，图 1 中定子绕组只画了 1 相中的 1 组，对应于一对磁极，若电机中 每相定子绕组由空间均匀分布的 N 组串联的铁芯和绕组组成，则会形成 N 对磁极。 风力发电常用的发电机有以下 3 种。 永磁同步直驱发电机 永磁同步电机的转子采用永磁材料制造，省去了转子励磁绕组和相应的励磁电路，无需励磁电 源，转子结构比较简单，效率高，是今后电机发展的主流机型之一。 永磁发电机通常由螺旋桨直接驱动发电，没有齿轮箱等中间部件，提高了机组的可靠性，减少 了传动损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率比其它发电机更高。 大型风机螺旋桨的转速最高为每分几十转，采用直驱方式，发出的交流电频率远低于电网交流 电频率。为满足并网要求，永磁风力发电机组采用交流-直流-交流的全功率变流模式，即风电机组发 出的交流电整流成直流，再变频为与电网同频同相的交流电输入电网。全功率变流模式的缺点是对 换流器的容量要求大，会增加成本。优点是螺旋桨的转速可以根据风力优化，最大限度的利用风能， 能提供性能稳定，符合电网要求的高品质电能。 本实验采用的发电机为永磁同步电机。国内的金风科技等风电企业采用的也是永磁发电机。 双馈式变速恒频发电机 由发电机原理可知，若发电机转子转速为 fm（通常用 f 表示每秒转速，n 表示每分转速），电机 的极对数为 N，转子励磁电流为频率为 f1 的交流电，则发出的交流电频率为： f  Nfm  f1 （5） 上式表明，当螺旋桨转速发生变化导致发电机转子转速变化时，可以通过调整励磁电流的频率， 使输出电流频率不变。 双馈式发电机的定子端直接连接电网，f 为 50Hz。当 Nfm 小于 50Hz 时，为亚同步状态，式（5） 中 f1 前面取正号， 由电网通过变频电路向励磁电路提供频率为 f1 的交流励磁电流，使输出恒定在 50Hz。 当 Nfm 等于 50Hz 时，为同步状态，变频电路向励磁电路提供直流励磁电流。当 Nfm 大于 50Hz 时， 为超同步状态，式（5）中 f1 前面取负号，输出仍恒定在 50Hz。此时励磁电流流向反向，由励磁电 路通过变频电路向电网提供能量。即发电机超同步运行时，通过定子电路和转子电路双向向电网馈 送能量。 由于螺旋桨转速远低于电网频率要求的转速，螺旋桨提供的能量要通过变速箱增速，再传递给 发电机转子。 当螺旋桨的转速变化时，双馈式发电机只需对励磁电路的频率进行调节，就可控制输出电流的 频率与电网匹配，实现变速恒频。由于励磁功率只占发电机额定功率的一小部分，只需较小容量的 双向换流器就可实现。 双馈式发电机是目前风电机组采用最多的发电机。 恒速恒频发电机 恒速恒频机组一般采用感应发电机，感应发电机又称异步发电机，它是利用定子绕组中 3 相交 流电产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的。运行时定子直接接外电网，转子 不需外加励磁。转子以超过同步速 3%～5%的转速运行，定子旋转磁场在转子绕组中感应出频率为 f1 的感应电流，式（5）中 f1 的前面取负号。当转子转速略有变化时，f1 的频率随之改变，而输出电流 频率始终与电网频率一致，无需加以调节。 恒速恒频发电机螺旋桨与发电机转子之间通过变速箱增速。 感应发电机转子不需外加励磁，没有滑环和电刷，结构简单，基本无需维护，运行控制也很简 单，早期风电机组很多采用这种发电机。但感应发电机转速基本恒定，对螺旋桨最大限度捕获风能 非常不利，比前述两种发电机年发电量低 10%以上，现在的大型风电机组已很少采用。 3. 风能的利用 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 风力发电实验指导及操作说明书 第 3 页 共 13 页 风机能利用多少风能？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。 风机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于 1926 年建立的。贝兹假定螺旋桨是理想的， 气流通过螺旋桨时没有阻力，气流经过整个螺旋桨扫掠面时是均匀的，并且气流通过螺旋桨前后的 速度为轴向方向。 以 V1 表示风机上游风速，V0 表示流过风机叶片截面 S 时的风速，V2 表示流过风扇叶片截面后的 下游风速。 根据冲量定律，流过风机叶片截面 S，质量为 Δm 的空气，在风机上产生的作用力为： F mV1  V2  SV0tV1  V2    SV0 V1  V2  t t （6） 式中，Δt 为作用时间。螺旋桨吸收的功率为： P  FV0  SV02 V1  V2  （7） 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： 1 2 P  SV0 V12  V22  （8） 令（7）（8）两式相等，得到： V0  1 V1  V2  2 （9） 将式（9）代入式（7），可得到功率随上下游风速的变化关系式： 1 4 P  SV1  V2 V12  V22  当上游风力 V1 不变时，令 （10） 1 dP  0，可知当 V2  V1 时（9）式取得极大值，且： 3 dV2 Pmax  8 SV13 27 （11） 将上式除以气流通过风机截面时空气的动能，可以得到风机的最大理论效率（贝兹极限）：  max  Pmax 1 SV13 2  16  0.5926 27 （12） 风机的实际风能利用系数（功率系数）CP 定义为风机实际输出功率与流过螺旋桨截面 S 的风能 之比。CP 随风力机的叶片型式及工作状态而变，并且总是小于贝兹极限，商品风机工作时，CP 一般 在 0.4 左右。 风机实际的输出功率为： 1 2 Po  C P SV13 （13） 在风电机组的设计过程中，通常将螺旋桨转速与风速的关系合并为一个变量——叶尖速比，定 义为螺旋桨叶片尖端线速度与风速之比，即：  R V1 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 （14） 邮编：610100 第 4 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 上式中为螺旋桨角速度，R 为螺旋桨最大旋转半径（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 2 表示某螺旋桨功率系数 CP 与螺旋桨叶尖速比 λ 的关系，由图可见在一定的叶尖速比下，螺旋桨 能够获得最高的风能利用率。 0.5 CP 0.4 0.3 0.2 0.1 0 图 2 2 4 6 8 功率系数 CP 与风轮叶尖速比的关系 对于同一螺旋桨，在额定风速内的任何风速，功率系数与叶尖速比的关系都是一致的。不同翼 型或叶片数的螺旋桨，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组的设计与功率控制过程中都是重要参数。 目前大型风机都采用 3 叶片设计。增多叶片会增加螺旋桨质量，增加成本。CP 最大值取决于螺 旋桨叶片翼型设计，与叶片数量关系不大。 4. 风电机组的功率调节方式 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，风电机组的设计必需适 应风能的特点。 风电机组设计时都有切入风速，额定风速，切出风速几个参数。 切入风速是风电机组的开机风速。高于此风速后，风电机组能克服传动系统和发电机的效率损 失，产生有效输出。 切出风速是风电机组的停机风速。高于此风速后，为保证风电机组的安全而停机。 额定风速是风电机组的基本设计参数。额定风速与额定功率对应，在此风速下，风电机组已达 到最大输出功率。 额定风速对风电机组的平均输出功率有决定性的作用。额定风速偏低，风电机组会损失掉高于 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。 变浆距调节 主动失速调节  风向 风叶横截面 风轮旋转平面 图 3 超过额定风速后的功率调节方式 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 5 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 桨距角定义为螺旋桨桨叶上某一指定剖面处（通常在相对半径 0.7 处），风叶横截面前后缘连 线与螺旋桨旋转平面之间的夹角，如图 3 所示。 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前前进一段距离，这 段距离称为桨距。显然，桨距角越大，桨距也越大。 对于叶片形状确定的桨叶，桨距角有一最佳值，使功率系数 CP 达到最大。 风电机组输出功率与风速关系如图 4 所示。 功率 P 额定功率 风速 V 切入风速 图 4 额定风速 切出风速 风电机组输出功率与风速的关系 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，风力改变时调节发电机负载 （双馈发电机可调节励磁电流大小），改变发电机的阻力矩，使风机输出转矩 M 改变（风机输出功 率 Po=ωM） ，控制螺旋桨转速，使风机工作在最佳叶尖速比状态，最大限度利用风能。 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，目前的商业风电机组采用定桨距被动失速调节，主动失速调节或变桨距调节 3 种方式之一 达到此目的。 被动失速调节是桨距角保持不变，通过叶片的空气动力设计，使风速高于额定风速后，叶片转 矩下降，功率系数 CP 迅速下降，达到控制功率的目的。该方式对叶片气动和结构设计要求高，在额 定风速与切出风速之间输出功率难以保持恒定，在大型风电机组中已较少采用。 主动失速调节是在风速超过额定风速后，减小桨距角，使功率系数 CP 下降，风电机组在额定 功率输出电能。 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，风电机组在额定功 率输出电能，是目前主要采用的功率调节方式。采用变桨距调节有如下优点： 1) 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 4 的平直线段所示，而失速调节难以达到此种效果。 2) 风能利用系数高：定桨距风机叶片设计时，由于要兼顾失速特性，在低风速段的风能利用 系数较高，接近额定风速时风能利用系数已下降，超过额定风速后风能利用系数大幅下降。 变桨距叶片可以设计得在启动风速到额定风速都保持高的风能利用系数。 3) 启动和制动性能好：变桨距螺旋桨在启动时，桨距角可以转到合适的角度，使螺旋桨在低 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。 5. 风电的储存与切换互补（选配选做内容） 离网运行的风电机组必需解决风电的储存问题。 大中型风电机组可以采用抽水蓄能的方式，即在风电富裕时将下水位水库的水抽到上水位水库， 风电不足时用水力发电补充。 小型风电机组可以采用电解水储存氢能，蓄电池储能等多种方式储能。本实验采用电解水储存 氢能，燃料电池发电，与风能互补。 风电充足时用风电电解水，生成氢气和氧气分别储存，风电不足时氢和氧通过燃料电池产生电 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 6 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 化学反应发电。反应后氢和氧生成水，整个过程绿色循环。燃料电池的原理和相关实验内容请参阅 本公司的《燃料电池综合特性实验仪实验指导及操作说明书》 。 燃料电池最早应用于卫星及宇航系统，与宇航器上的太阳能电池互补，提供稳定的电力供应。 现在人们正积极探索将其用于民用储能，以及电动汽车，手机电池等需要移动电源的地方，是一项 极具发展潜力的高新技术。 实验仪器 风力发电实验装置如图 5 所示。 保护罩 风扇及保护罩 风罩 螺旋桨 配电箱 电子负载 电压电流表 图 5 转速风速表 调压器 风力发电实验装置示意图 螺旋桨直接固定在发电机轴上，由紧固螺帽锁紧。紧固螺帽是反螺纹（使得螺旋桨旋转越快， 螺帽固定越紧） ，紧固与松开的旋转方向与普通螺纹相反。用手即可松开或旋紧紧固螺帽，取下紧固 螺帽，可以更换螺旋桨。 螺旋桨快速旋转时肉眼看似无物，故在螺旋桨端装有保护罩，应提醒学生，螺旋桨旋转时不得 将手伸入保护罩内。 为减小其它气流对实验的影响，风扇与螺旋桨之间用有机玻璃风罩连接。 风扇由调压器供电。改变调压器输出电压，可以改变风扇转速，改变风速。 风扇端装有风扇转速传感器，由标定的风扇转速与风速关系给出风速。螺旋桨端装有螺旋桨转 速传感器，由转速、风速表的 2 行分别显示转速与风速。 发电机输出的 3 相交流电经整流滤波成直流电后输出到电子负载，电压、电流表测量负载两端 的电压与流经负载的电流，电流电压的乘积即为发电机输出功率。电压、电流表的 2 行分别显示电 压与电流。发电机的额定转速为 50r/s，实验表格中风速均按照常温和海拔 500m 条件下发电机转速 不超过额定转速进行设置，实验时严禁随意增大风速，避免发电机转速超过额定转速而影响其寿命。 电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。其中的电子元件一般为功率场效应 管，绝缘栅双极型晶体管等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗 的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性，还具有可靠性高，寿 命长等特点。 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 7 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 电子负载有恒流模式，恒压模式，恒阻模式，恒功率模式等工作模式，我们测量风力发电机组 输出时采用恒压模式。在恒压工作模式时，将负载电压调节到某设定值后即保持不变，负载电流随 发电机输出改变而改变。 配电箱：为风力发电仪提供各种电源（包括多个低压直流电源、AC220V 市电），以及自动控 制风扇通断。市电接口为调压器供电，同步信号接口用于监测发电机转速，其余多个低压直流电源 孔分别为电子负载、电压电流表和风速转速表等供电。未连接同步信号时，市电断开，调压器和风 扇不工作；配电箱接线正确时，若发电机转速超过额定转速，风扇立即断电，当发电机转速低于某 一阈值，风扇又再次通电，短时间内若风扇断电三次，风扇将一直处于断电状态，不再启动，以保 护发电机。关断并重新打开配电箱电源，配电箱重新工作，风扇可以再次通电启动。 风机叶片翼型对风力机的风能利用效率影响很大，叶片翼型可分为平板型，风帆型和扭曲型。 平板型和风帆型易于制造，但效率不高。扭曲型叶片制造困难，效率高。 实验装置配扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨，风帆型 3 叶螺旋桨及平板型 4 叶螺旋桨 3 种螺旋桨， 供对比研究，如图 6 所示。 a 扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨 b 风帆型 3 叶螺旋桨 图 6 c 平板型 4 叶螺旋桨 实验用各螺旋桨照片 大型风机的变桨距系统采用步进电机或液压驱动，自动控制。我们的装置采用手动调节。扭曲 型可变桨距 3 叶螺旋桨上有角度刻线，松开风叶紧固螺钉，风叶可以绕轴旋转，从而改变桨距角。 风叶离指示圆点最近的刻度线对准风叶座上的刻度线时，风叶位于最佳桨距角。以后每转动 1 个刻 度线，桨距角改变 3 度。 实验内容及步骤 风扇连接到调压器输出端，调压器连接到配电箱市电接口，电子负载、电压电流表、风速转速 表的电源端分别连接到配电箱的低压直流电源孔，风速转速表中同步信号输出连接到配电箱中的同 步信号接口，转速，风速输出连接到转速风速表。电子负载及电压电流表按图 7 连接。 电压、电流表的同步信号端口不连接，作以后功能扩展用。 电子负载 + 发电机输出 电压表 电流表 － 图 7 发电机输出连接图 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 8 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 1. 风速、螺旋桨转速（即发电机转速）、发电机感应电动势之间关系的测量 实验前确认扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨处于最佳桨距角（即风叶离指示圆点最近的刻度线对准 风叶座上的刻度线），风叶凹面朝向风扇，将螺旋桨安装在发电机轴上（紧固螺帽是反螺纹，紧固 与松开的旋转方向与普通螺纹相反） 。 断开电子负载，此时电压表测量的是开路电压，即发电机输出的电动势。 调节调压器使得风速从 5.0m/s 开始以 0.5m/s 的间隔来逐渐调低风速，风速稳定后记录在不同风 速下的螺旋桨转速及发电机感应电动势，将实验数据记入表 1。 表 1 风速、螺旋桨转速、发电机感应电动势之间的关系 风速(m/s) 转速(r/s) 电动势(V) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 以风速做横坐标，转速做纵坐标作图，分析两者之间的关系。 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。 2. 扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比关系的测量 调节调压器，使风速为 5.0m/s。 接上电子负载，逆时针旋转电子负载旋钮，直到电流显示不为零，然后顺时针旋转电子负载旋 钮使电流显示刚好为零，各表显示稳定后记录输出电压、输出电流、转速。 逆时针调节电子负载调节旋纽，使输出电压以每隔 1.0V 进行调节，将每次实验数据记入表 2。 表 2 中的空气密度用式（4）计算。 表 2 转速 f (r/s) 扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比的关系 当地海拔 h： m 环境温度 T： 输出电压 U (V) 输出电流 I (mA) ℃ 输出功率 P=U×I (W) 叶片半径 R＝0.134m 额定风速 V1：5.0 m/s 叶尖速比 =2πfR /V1 功率系数 CP =2P/R2V13 以实验数据作螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比的关系曲线，并比较功率系数 CP 与叶尖速比 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 9 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 的关系与图 2 是否相似？ 3. 切入风速到额定风速区间的功率调节实验 风机的运行受两方面的限制，一是由机械强度决定的转速限制，二是由发电机、变流器容量决 定的功率限制。 若整机设计导致运行时先达到功率限制，则切入风速到额定风速之间采用统一的调节方案，本 实验只考虑这种情况。 若整机设计导致运行时先达到转速限制，则要采用两段控制方案，达到转速限制后需调节负载 保持转速恒定，风力增大时转速不变而转矩增大，输出功率增加，直至达到功率限制。 采用何种功率调节方式可以使风机从风力中获取最大风能？本实验比较固定叶尖速比、固定转 速 2 种方式下，风机输出功率的情况。如实验原理部分所述，永磁发电机和双馈发电机采用固定叶 尖速比的调节方式，感应发电机转速基本恒定。 固定叶尖速比调节方式时，由内容 2 确定最佳叶尖速比m，由 f=mV1/2R 计算最佳转速，在各 风速下通过调节电子负载使风机转速达到最佳转速，记录输出电压，电流于表 3 固定叶尖速比列下。 固定转速调节方式时，一般使转速在额定风速时 CP 达到最大。若随意选择转速，风能利用效率 会更低。 固定转速调节方式时，不同风速下调节电子负载大小，保持转速不变，记录风速变化时风机输 出电压，电流于表 3 固定转速列下。 表 3 调节 方式 风速 m/s 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 切入风速到额定风速区间的功率调节实验 固定叶尖速比(m＝ 转速(r/s) f=m V1/2R 电压 (V) 固定转速(f＝5m /2R) ) 电流 (mA) 功率 (W) 转速(r/s) 电压 (V) 电流 (mA) 功率 (W) 画出以上 2 种调节方式下输出功率随风速的变化曲线。 比较上述 2 条曲线，能得出什么结论？ 4. 额定风速到切出风速区间的功率调节实验——变桨距调节 风速在额定风速时，输出功率达到额定功率。当风速超过额定风速后，若负载维持不变，采用 变桨距调节使风速变化时转速不变，就可使输出功率维持在额定功率。 在风力发电系统中，检测输出功率和转速，连续调节桨距角就可以使风力变化时输出功率维持 不变。在我们的实验系统中，为增加感性认识，采用手动调节，从原理上验证以上过程。 停机取下螺旋桨，将 3 个风叶的桨距角调大 3 度（即逆时针转动 1 格） 。开机并调节风速略大于 5.0m/s，调节电子负载使得转速、电压为表 3 中“固定叶尖速比”方式下风速 5.0m/s 中的对应数据， 然后缓慢调节风速使得电流达到表 3 中“固定叶尖速比”方式下风速 5.0m/s 中的电流值，记录此时 的风速，并停机。停机后取下螺旋桨，逐次调节桨距角，重复以上步骤，但保持电子负载不变，可 以观测到桨距角增大后，在更大的风速下转速才能达到额定风速下的转速。 表 4 桨距角变化量(°) 3 6 9 12 风速(m/s) 转速(r/s) 变桨距调节实验 电压(V) 电流(mA) 功率(W) 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 第 10 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 将表 3 控制叶尖速比数据和表 4 数据结合，画出变桨距调节下输出功率随风速的变化，与图 4 比较。 5. 风帆型 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比关系的测量 将风帆型 3 叶螺旋桨装在发电机上，按内容 2 的方法进行测量。 表 5 风帆型 3 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比的关系 转速 f (r/s) 当地海拔 h： m 环境温度 T： 输出电压 U (V) 输出电流 I (mA) ℃ 输出功率 P=U×I (W) 叶片半径 R＝0.127m 额定风速 V1：5.0 m/s 叶尖速比 功率系数 CP =2P/R2V13 =2πfR /V1 以实验数据作螺旋桨功率系数 CP 与叶尖速比的关系曲线，与内容 2 的结果比较并讨论。 6. 平板型 4 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比关系的测量 将平板型 4 叶螺旋桨装在发电机上，按内容 2 的方法进行测量。 表 6 平板型 4 叶螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比的关系 转速 f (r/s) 当地海拔 h： m 环境温度 T： 输出电压 U (V) 输出电流 I (mA) ℃ 输出功率 P=U×I (W) 叶片半径 R＝0.127m 额定风速 V1：5.0 m/s 叶尖速比 =2πfR /V1 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 功率系数 CP =2P/R2V13 邮编：610100 第 11 页 共 13 页 风力发电实验指导及操作说明书 以实验数据作螺旋桨的功率系数 CP 与叶尖速比的关系曲线，与内容 2 的结果比较并讨论。 7. 风电的储存与切换互补（选配选做内容） 本实验利用风电电解水储存氢能，燃料电池发电，与风能互补。 螺旋桨换成扭曲型可变桨距 3 叶螺旋桨，桨距角调为 0°。根据表 2 的输出功率与输出电压关 系可知，当输出电压为某值时，发电机输出功率达到最大，称该电压为最佳电压 Um。通常，燃料电 池中电解池的工作电压与发电机输出的最佳电压并不相等，若发电机与电解池直接连接会拉低发电 机的输出电压，使得发电机不能以最大功率输出，降低了风能的利用率。 如何能既让发电机产生最大输出电功率，同时又可以与电解池的电压进行匹配，这是风电储存 的关键。解决的办法是：在二者之间加一个 DC-DC 模块。 DC-DC 为直流电压变换电路，相当于交流电路中的变压器。本实验所用 DC-DC 采用输入反馈 控制，使用时通过旋转 DC-DC 模块上的旋钮来增大或减小 DC-DC 输入端的电压 Uin（不旋转旋钮 时输入端电压基本保持稳定），输入的功率除 DC-DC 自身消耗部分外，剩余的功率输出给电解池， 电解池根据自身特性分配电压和电流。 下图是风电的储存示意图： + + 发 电 机 DC + 电 | V V DC 池 模 A 图 8 - 块 解 - 风电的储存示意图 按图 8 连接电路，但要先将 DC-DC 输入端断开，否则 DC-DC 无法正常工作，DC-DC 输出端 接燃料电池中的电解池。关于燃料电池实验时的有关说明请参阅本公司的《燃料电池综合特性实验 仪实验指导及操作说明书》。 实验步骤如下： 1) 调节风速稳定在 5.0m/s，螺旋桨旋转基本稳定； 2) 将发电机的输出端与 DC-DC 输入端相连，首次通电时，应调节 DC-DC 旋钮，使得输入电 压 Uin 从高到低变化（否则 DC-DC 可能无法正常工作） ； 3) 然后顺时针或逆时针旋转 DC-DC 旋钮， 比较 DC-DC 前后端电压变化的差异，试说明 DC-DC 的功能； 4) 调节 DC-DC 旋钮，使得输入电压为发电机的最佳电压 Um，同时关闭燃料电池实验仪中两 输气管的止水夹，观察电解池中的现象，以及气水塔中下部液面的变化情况。 由《燃料电池综合特性实验仪实验指导及操作说明书》中介绍可知，气水塔下部液面逐渐降低， 说明风力发电机产生的电使电解池工作，电解池开始电解水并将产生的氢气和氧气分别储存在两气 水塔中。 将风力发电的风机电源调为 0V，发电机螺旋桨逐渐减速至停转，此为模拟当风力发电机输出不 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100 风力发电实验指导及操作说明书 第 12 页 共 13 页 足（实为 0W）时的情况。若此时有负载需要工作，而风电不能满足时，可以使用之前储存在燃料 电池气水塔中的氢能，实现风电与燃料电池的互补。具体操作为：打开燃料电池实验仪中的两输气 管止水夹，打开负载小风扇开关，可以观察到小风扇开始转动。 注意事项 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 实验前确认各表头已连接电源线，观察表头上有无示数即可。 风扇刚开始启动时转得很缓慢，此时应缓慢增大调压器电压，若突然增大调压器电压，风 扇会迅速增大转速。 若螺旋桨已经开始转动，而转速表显示转速为 0，应检查转速与发电机塔的连接是否正确。 螺旋桨旋转时不得将手伸入保护罩内。 不得向风罩内扔东西，以免实验时仪器受损。 电子负载刚上电时电流为零，要让电子负载工作，须先逆时针调节电子负载至电流不为零。 不要将风速调得过大，避免引起共振。 内容 7 为选配选做实验，需要与我公司的燃料电池综合特性实验仪配套组合使用。 四川世纪中科光电技术有限公司 地址：四川省成都市经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 邮编：610100