自制風力發電機及其特性研究*①

吳 斌 劉耀昌 田冰濤 王 穎 徐正興 陳東生

(上海電力學院數理學院 上海 201300)

1 引言

當今世界正面臨著能源危機，隨著新能源研究的推進與深入，風力發電得到了很好的普及.一個風力發電機組運用到多種原理知識，如電磁感應、流體力學及電能儲存技術等等.為了更好地探究風力發電機發電的模式和特性，學好風力發電機的原理、工作方法及風力發電過程，我們自制了一臺小型風力發電機，并發掘了以它為載體的一些應用性實驗.

2 流體力學原理

此風力發電機的設計關鍵在于風葉的設計，發電機依靠風葉將風能轉化為機械能.風葉的設計涉及到流體力學原理，其原理如圖1所示.

圖1 風葉受力原理圖

當氣流流經圖1 所示形狀的葉片時，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，會在葉片的上、下方產生壓強差，從而產生向上的升力Fy，方向與氣流方向垂直；又由于風的沖力，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，風力發電機的葉輪帶動發電機工作，從而產生電能[3].

3 風力發電裝置的制作

考慮到取材的方便性,制作的簡便性，我們采用廢舊的飲料瓶作為葉片材料，葉片數量為3片,結構如圖2所示，一般實際應用的風機為2～3[4]片.制作時，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，固定時使凸面朝上.當其受到風的作用時即可形成與圖1相類似的力場.將風力發電機的葉輪套在直流發電機上即可組成風力發電機.

圖2 風葉設計圖

4 風力發電機的特性研究

圖3為發電機最終結構，主要由3大部分組成，風葉、直流發電機、底座.風葉根據流體力學設計，當氣流經過時，葉輪旋轉，帶動發電機轉子轉動而切割磁感線，產生感應電流[5].整個過程是先把風能轉化為機械能，再把機械能轉化為電能，這些都和真實的風力發電機無異.下面應用此風力發電機，探究其輸出功率與負載大小的關系，圖4為實驗原理圖.

圖3 實物結構圖

圖4 實驗原理圖

風力發電機產生電能，并輸出功率.當改變負載時(此處為電阻)，發電機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系.在風速為8 m/s時測定的數據如表1所示.

表1 發電機輸出功率與負載大小的關系

由表1可得如圖5所示的電阻大小與輸出功率關系圖像.

從圖5可以看出，隨著電阻的增大，發電機的輸出功率圖線先上升后下降，存在著峰值功率，即當電阻值在90 Ω左右時，發電機的輸出功率可達到最大值.這與實際的風力發電具有同樣的特性.由此可以看出，我們自制的風力發電機對于定性分析風力發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系

5 擴展性研究

若此發電機的各部分組件能夠精密制作，則可以當作測量風速的風速儀.由于風速不同發電機產生的電壓不同，我們可以根據發電機工作時產生的電壓大小與風速之間的關系確定風速的大小.

此演示儀還可以作為廢風能回收裝置，收集某些排氣設備的風能，如收集空調排風口的風，使能源可以二次利用，節約能源.目前，空調室外排風器排出的風能都被大量浪費，此發電機可以安裝在空調排風扇外，接收空調風扇排出的廢棄風能，實現空調廢棄風能的二次利用，提高能源的利用率.設計示意圖如圖6所示.

圖6 空調廢風能回收裝置設計示意圖

6 結束語

此風力發電機結構簡單，制作方便，特別適合想探究風力發電機性能卻又沒有條件的學生使用.這不僅給我們一個認識、理解、應用風力發電的機會，而且能培養我們的動手能力、創新能力，讓我們在實踐中學習，培養我們的創新意識.

參考文獻

1 林閩，張崇巍，張艷紅,等. 小型風力發電機葉輪設計.風機技術，2007(1):28～30

2 姚興佳，王士榮，董麗萍. 風力機的工作原理.技術講座，2006(2):87～89

3 李濱波，段向陽. 風力發電機原理及風力發電技術.湖北電力,2007,31(6):54～55

4 S J Appleyard . Constructing a plastic bottle wind turbine as a practical aid for learning about using wind energy to generate electricity Physics Education, 2009,44(4):379～382

5 Mathew, Sathyajith. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Netherlands,Springerlink,2006