改善垂直軸風機效率的葉片轉動慣量試驗研究

吳偉斌 劉思遠 李 榮 羅澤欣 陳海聰 羅朝軍 洪添勝

(華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點試驗室1，廣東 廣州 510642;國家柑橘產業技術體系機械研究室2，廣東 廣州 510642;華南農業大學工程學院3，廣東 廣州 510642)

0 引言

風力發電機的效率是指發電機所發出的功率與風機掃風面積內的風能之比。目前，絕大部分研究都是針對自然風狀態下提高發電效率［1－6］。而現實過程中，類似火車行駛、飛機起降所制造的風大多具有風速大、持續時間短的特點。在這種條件下，風機有效工作時間短、發電效率較低。

S型垂直軸風力發電機具有葉片簡單、抗風能力強等特點［1－6］。Ushiyama等學者對S型風機進行了大量的理論和試驗研究，分析了結構參數對風機效率的影響［7－12］。事實上，由于應用場合不同，單純從理論上分析難以真實地反映風機性能的變化［13－15］。

本文對S型垂直軸風機進行了改進，在風機葉片邊沿上采用加厚型設計(作為一種配重)，從而增加風機的轉動慣量，使風機在停風后的轉動時間延長，最終提高了風機的效率。

1 研究方法

1.1 設計方案

本文通過利用試驗室的大功率工業風扇模擬自然風，測試具有不同葉片質量的風能發電機的輸出電壓。利用虛擬儀器LabVIEW平臺，實現風機輸出電壓信號采集處理系統的構建，并據此得出不同葉片的轉動慣量對風能發電機發電效率的影響。試驗設計方案如圖1所示。

圖1 試驗設計方案示意圖Fig.1 Block diagram of experiment scheme

1.2 試驗理論基礎

風力發電機是將風能先轉換成風機葉片的動能，再轉換成電能的裝置。在風機的葉片上安裝配重，可以起到增加轉動慣量的作用。

風機繞z軸轉動時，角速度為ω、轉動慣量為J、質點mi到主軸的垂直距離為ri，則任一點mi的速度為vi=riω，于是風機的動能為:

式中:∑mi為對風力發電機所有點的轉動慣量的積分，其值等于J。

理論分析表明，在同樣的風源條件下，提高風機的轉動慣量可以增加風機的動能，同時延長風機的發電時間，進而提高風機的效率。

1.3 風機發電效率的計算

風機發電效率的計算公式為:

①風機的輸入功率

當空氣流吹過風輪掃面A時，其質量流量為ρvA，每秒所攜帶的能量為:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3，通常因風速較低而視為不可壓縮流體;v為風速，m/s;A為旋轉直徑D與高度H的乘積。

②風機的輸出功率

風能發電為間斷發電，實際應用中一般將風機所發的電存儲到蓄電池再使用，這個過程中須經過整流、濾波、升壓、穩壓等過程，電能轉換效率進一步下降。風機輸出功率測量方案示意圖如圖2所示。

圖2 風機輸出功率測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of the measurement of output power of wind turbine

試驗時，采用負載箱等效設計了一個回路，用來代替充電電路，這樣輸出功率的計算大大簡化。風機輸出功率的計算公式為:

式中:R為負載的電阻值;U為負載兩端的電壓;I為流過負載的電流大小;φ為電壓與電流的功率因素角。

1.4 測試對象

①風力發電機的選用

試驗所測試的風機是一種S型垂直軸雙層葉片結構的風力發電機，其型號為JDX，輸出為三相交流電，額定輸出電壓為交流三相12 V，最大輸出功率為200 W。

②配重的設計

通過設計同樣規格、不同厚度的不銹鋼板作為配重，實現對風機葉片轉動慣量的參數化改變。不銹鋼板的 GB牌號為0Cr18Ni9，規格為30 mm×300 mm(鋼片的長度與風機葉片的長度相同，形狀相似)。預試驗發現:當鋼板厚度超過8 mm時，風機啟動風速由2 m/s提高至4.2 m/s，對實際應用不利，故在1～7 mm中選擇配重，最終選定了2 mm、6 mm兩種規格。

配重的安裝過程為:將同一厚度的鋼片安裝在風機各個葉片背面，在最大程度上與葉片形成黏合狀態，這樣可以減小旋轉時空氣阻力的影響。

③風源的設計

采用大功率工業風扇代替風源。本試驗選用型號為FS 75工業風扇、額定電壓220 V、額定功率290 W。利用工業風扇上的三檔調速器，使得風速分別為12.7 m/s、11.6 m/s、9.80 m/s。

④負載的設計

試驗過程中，采用便攜式AE200電子負載箱。現實應用中，只有當風機輸出電壓大于4 V，電能才能有效利用。預試驗發現，采用電阻箱時，由于風機線圈繞組存在內阻，當電阻箱阻值大于80 Ω時，輸出電壓才能有效利用;而當電阻箱取值大于500 Ω時，效率低于35%，風機的輸出效率會下降，不符合實際應用情況。因此，試驗中阻值取為 100 Ω、200 Ω、360 Ω。

1.5 軟件界面

①軟件設計整體結構

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

基于LabVIEW2010平臺，結合多功能數據采集卡DAQCard-6024E設計了S型結構風力發電機。它主要完成對轉速測量傳感器計數以及輸出電壓信號采集、處理、分析和數據保存及顯示等工作。

②操作界面

軟件操作界面分為試驗參數設定和實時數據顯示、實時波形圖顯示兩部分。

通過設定采樣頻率、配重的厚度以及負載的大小，便可以計算出瞬時電壓、瞬時功率、轉速和角加速度。該界面不僅可以實時顯示電壓、功率、轉速;而且它也可以將數據存儲下來，為后期數據處理使用。

2 正交試驗設計與結果分析

2.1 系統正交試驗設計

①試驗因素水平表的確定

轉動慣量是本次試驗主要考察的因素，風力和負載的大小對求解發電效率會有較大的影響。正交試驗水平因素設計如表1所示。

表1 正交試驗水平因素表Tab.1 Level factors of orthogonal experiment

②試驗步驟

step 1:按照試驗原理圖搭接好電路，3臺工業風扇相互成60°夾角擺開(風扇由一個開關同時控制)，風機置其前方20 cm處。

step 2:按照正交試驗水平因素表，利用萬用表以及數顯式風速儀調節負載箱負載和工業風扇的檔位。

step 3:啟動LabVIEW平臺和工業風扇，2 min后停止工業風扇;待風機輸出電壓為0時，關閉LabVIEW平臺，將數據導出，記下試驗指標即發電量。

step 4:根據表1重復step 2，并填寫試驗表格;然后根據風力大小，求解風功率和風機效率。

③正交試驗結果的方差分析

以各次試驗的發電效率作為指標，運用SPSS軟件對轉動慣量對風機發電效率的影響的正交試驗進行方差分析。分析表明:配重對風機發電效率的影響極顯著、負載對風機發電效率影響顯著、風速對風機發電效率影響的影響不顯著。風機發電效率與轉動慣量、負載和風源對電壓信號采集的影響作用逐漸減小。

④正交試驗結果的方差分析

正交試驗數據極差分析結果如圖4所示。

圖4 正交試驗數據極差分析圖Fig.4 Range analysis of orthogonal experimental data

2.2 試驗結果分析

隨著配重厚度的增加，風機發電效率顯著提高;而負載的變化也會使風機發電效率有一定變化;對于風速，隨著風速的增大，發電效率有所提高，但影響并不顯著。

3 轉動慣量對效率的影響

完成正交試驗后，補充單因素多水平試驗，即在不改變風力、負載的情況下，只改變配重進行單項試驗，進一步驗證增加轉動慣量對提高風機發電轉換效率的影響。試驗結果如表2所示。

表2 單因素多水平試驗數據表Tab.2 Single factor and multi-level experimental data

由單項試驗結果表明:風機的發電效率從不加配重時的36.12%增加到加上7 mm配重時的37.72%，效率有明顯的提高，試驗數據示意圖如圖5所示。

圖5 單因素多水平試驗數據圖Fig.5 Single factor and multi-level experimental data chart

4 結束語

試驗表明，小型風機在風洞試驗室等較為理想的試驗條件下，其最大效率為40% ～41%。通過單因素多水平試驗，可以計算得出:在本試驗環境中，從不加配重時的風機發電效率為36.12%提高到加2 mm厚的鋼板時效率為36.81%，從加4 mm厚的鋼板時效率為37.23%提高到加7 mm厚的鋼板時效率為37.72%。

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