自制風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其特性研究*①

吳 斌 劉耀昌 田冰濤 王 穎 徐正興 陳東生

(上海電力學(xué)院數(shù)理學(xué)院 上海 201300)

1 引言

當(dāng)今世界正面臨著能源危機(jī)，隨著新能源研究的推進(jìn)與深入，風(fēng)力發(fā)電得到了很好的普及.一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)用到多種原理知識(shí)，如電磁感應(yīng)、流體力學(xué)及電能儲(chǔ)存技術(shù)等等.為了更好地探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的模式和特性，學(xué)好風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理、工作方法及風(fēng)力發(fā)電過程，我們自制了一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并發(fā)掘了以它為載體的一些應(yīng)用性實(shí)驗(yàn).

2 流體力學(xué)原理

此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于風(fēng)葉的設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)依靠風(fēng)葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.風(fēng)葉的設(shè)計(jì)涉及到流體力學(xué)原理，其原理如圖1所示.

圖1 風(fēng)葉受力原理圖

當(dāng)氣流流經(jīng)圖1 所示形狀的葉片時(shí)，葉片上方的氣流速度增大，而葉片下方氣流的速度幾乎保持與原來相同，由于氣流速度的不一致，會(huì)在葉片的上、下方產(chǎn)生壓強(qiáng)差，從而產(chǎn)生向上的升力Fy，方向與氣流方向垂直；又由于風(fēng)的沖力，葉片受到向右的力Fx，方向與氣流的方向一致，于是葉片受到總的作用力F[1,2].在該力的作用下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，從而產(chǎn)生電能[3].

3 風(fēng)力發(fā)電裝置的制作

考慮到取材的方便性,制作的簡(jiǎn)便性，我們采用廢舊的飲料瓶作為葉片材料，葉片數(shù)量為3片,結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)機(jī)為2～3[4]片.制作時(shí)，首先將飲料瓶沿瓶的軸線方向切成大小相似的3片，再用剪刀截成凸起的矩形，然后截去一半，留下一頭作固定之用，固定時(shí)使凸面朝上.當(dāng)其受到風(fēng)的作用時(shí)即可形成與圖1相類似的力場(chǎng).將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪套在直流發(fā)電機(jī)上即可組成風(fēng)力發(fā)電機(jī).

圖2 風(fēng)葉設(shè)計(jì)圖

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性研究

圖3為發(fā)電機(jī)最終結(jié)構(gòu)，主要由3大部分組成，風(fēng)葉、直流發(fā)電機(jī)、底座.風(fēng)葉根據(jù)流體力學(xué)設(shè)計(jì)，當(dāng)氣流經(jīng)過時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流[5].整個(gè)過程是先把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這些都和真實(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)無異.下面應(yīng)用此風(fēng)力發(fā)電機(jī)，探究其輸出功率與負(fù)載大小的關(guān)系，圖4為實(shí)驗(yàn)原理圖.

圖3 實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，并輸出功率.當(dāng)改變負(fù)載時(shí)(此處為電阻)，發(fā)電機(jī)的輸出功率也隨之變化，輸出功率和電阻大小之間存在著某種關(guān)系.在風(fēng)速為8 m/s時(shí)測(cè)定的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 發(fā)電機(jī)輸出功率與負(fù)載大小的關(guān)系

由表1可得如圖5所示的電阻大小與輸出功率關(guān)系圖像.

從圖5可以看出，隨著電阻的增大，發(fā)電機(jī)的輸出功率圖線先上升后下降，存在著峰值功率，即當(dāng)電阻值在90 Ω左右時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率可達(dá)到最大值.這與實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電具有同樣的特性.由此可以看出，我們自制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于定性分析風(fēng)力發(fā)電特性還是具有一定可行性的.

圖5 電阻大小與輸出功率的關(guān)系

5 擴(kuò)展性研究

若此發(fā)電機(jī)的各部分組件能夠精密制作，則可以當(dāng)作測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速儀.由于風(fēng)速不同發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓不同，我們可以根據(jù)發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電壓大小與風(fēng)速之間的關(guān)系確定風(fēng)速的大小.

此演示儀還可以作為廢風(fēng)能回收裝置，收集某些排氣設(shè)備的風(fēng)能，如收集空調(diào)排風(fēng)口的風(fēng)，使能源可以二次利用，節(jié)約能源.目前，空調(diào)室外排風(fēng)器排出的風(fēng)能都被大量浪費(fèi)，此發(fā)電機(jī)可以安裝在空調(diào)排風(fēng)扇外，接收空調(diào)風(fēng)扇排出的廢棄風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)空調(diào)廢棄風(fēng)能的二次利用，提高能源的利用率.設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示.

圖6 空調(diào)廢風(fēng)能回收裝置設(shè)計(jì)示意圖

6 結(jié)束語

此風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，特別適合想探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能卻又沒有條件的學(xué)生使用.這不僅給我們一個(gè)認(rèn)識(shí)、理解、應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電的機(jī)會(huì)，而且能培養(yǎng)我們的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，讓我們?cè)趯?shí)踐中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)我們的創(chuàng)新意識(shí).

參考文獻(xiàn)

1 林閩，張崇巍，張艷紅,等. 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪設(shè)計(jì).風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007(1):28～30

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