小型風(fēng)力機(jī)功率測(cè)試方法分析

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

前言

風(fēng)能在清潔能源中占有了比較大的占有比重,風(fēng)能發(fā)電為作對(duì)風(fēng)能利用的主要形式逐漸受到了普遍的看重。風(fēng)，是人類最早認(rèn)識(shí)的自然現(xiàn)象之一，同時(shí)也無處不在，由陽光照射到地球表面時(shí)導(dǎo)致各處受熱不均勻，形成溫差引起大氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。風(fēng)能卻是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，風(fēng)能是一種活躍的清潔能源，取之不盡，用之不竭，儲(chǔ)量豐富。科學(xué)利用風(fēng)能資源，不僅可以因能源短缺造成的日益嚴(yán)重的危機(jī)，而且可以減少對(duì)環(huán)境的破壞。

中小型風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步受到缺乏獨(dú)立的性能測(cè)試和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的限制。對(duì)于中小型風(fēng)力機(jī)的紡織試驗(yàn)工作世界各國(guó)紛紛投資進(jìn)入。其中，相繼啟動(dòng)了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能試驗(yàn)項(xiàng)目研究的是美國(guó)、英國(guó)、加拿大和臺(tái)灣。中國(guó)對(duì)于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測(cè)試和認(rèn)證也非常重視。在評(píng)價(jià)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)中，功率特性是最重要的。它不僅可以作為風(fēng)力機(jī)控制方案的依據(jù)，而且可以判斷風(fēng)力機(jī)的輸出性能。整機(jī)改進(jìn)起到指導(dǎo)作用。

一、理論基礎(chǔ)

(一)功率系數(shù)

1.風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率

(1-1)

式中 р——風(fēng)能轉(zhuǎn)換功率，w；

ρ——空氣密度，kg/m2；

s——風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效作用面積，m2；

ν——平均風(fēng)速，m/s。

二、功率測(cè)試方法分析

(一)Matlab工具計(jì)算法

分析風(fēng)力機(jī)葉片的受力，借助Matlab工具進(jìn)行算式推演，使用風(fēng)力功率公式進(jìn)行算式推演。

(二)FLuent軟件模擬法

利用FLuent軟件在風(fēng)力機(jī)給定風(fēng)速下的氣動(dòng)流場(chǎng)流態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行分析，力矩風(fēng)能利用系數(shù)和入流角等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算來進(jìn)行研究。

對(duì)兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較：分析風(fēng)力機(jī)葉片，借助外部流體阻力算式，查表找出阻力系數(shù)，采用Matlab計(jì)算機(jī)軟件，得到了許多系列方程的能量使用系數(shù)c的途徑，查找表格得到了阻力系數(shù)。大量的該系數(shù)是從實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)锏贸鰜淼模瑢?shí)驗(yàn)條件和空氣壓力、溫度、濕度等因素都會(huì)對(duì)其造成影響，以及書中常用的數(shù)值都來自于很多都是很久以前測(cè)得的，欠缺了可信度。該方法還存在許多的缺陷，需要解決。

得到功率值和風(fēng)能利用系數(shù)的得出，首先要得到轉(zhuǎn)軸的扭矩值，而轉(zhuǎn)軸的扭矩值是通過對(duì)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行分析和仿真(利用fluent軟件)來得到的。還有一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)如風(fēng)速、空氣密度和轉(zhuǎn)速，需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量。最后，需要將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較是為了更有效地設(shè)計(jì)和改進(jìn)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)。

(三)Matlab軟件編程法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)，并通過Matlab軟件編寫的分析程序?qū)Σ杉降娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析處理的基礎(chǔ)是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試工作。縮減整個(gè)測(cè)試期間的效果顯著，對(duì)風(fēng)力機(jī)的測(cè)試工作進(jìn)行精簡(jiǎn)化處理，測(cè)試設(shè)施增加了可視化性能，使用起來變得更加方便快捷。

(四)Matlab軟件和GUI控制模塊綜合編程法

以試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的bin法為方法的前提條件。針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組功率特性試驗(yàn)結(jié)果分析方法中存在著不能自動(dòng)篩選和計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足的問題，提出了一種改進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組功率特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法。對(duì)具體的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，編寫測(cè)試程序(采Matlab軟件和GUI控制模塊)，對(duì)測(cè)試的風(fēng)力機(jī)功率曲線進(jìn)行處理和分析放在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，對(duì)傳統(tǒng)分析方法的不足進(jìn)行了改進(jìn)，風(fēng)力機(jī)功率的測(cè)試效果得到了提高，測(cè)試結(jié)果時(shí)間得到了縮短。

優(yōu)點(diǎn):與過去的實(shí)驗(yàn)方法相較而言，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、功率曲線去除可視化等是本發(fā)明具有的鮮明特點(diǎn)，風(fēng)電功率測(cè)量的效率得到了提高，整個(gè)測(cè)試周期得到了縮短，對(duì)后期風(fēng)機(jī)功率預(yù)期等工具具有一定的實(shí)用價(jià)值。

傳統(tǒng)測(cè)試方法的缺點(diǎn):一、對(duì)計(jì)算結(jié)果和風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)功率曲線的可視化傳統(tǒng)設(shè)備是沒有的；其次，對(duì)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的后處理來由人工完成，手動(dòng)解析，測(cè)試周期得到了增加。結(jié)合Matlab數(shù)據(jù)處理軟件采集平臺(tái)和LabVIEW軟件，功率測(cè)試按照IEC標(biāo)準(zhǔn)。

本方法具有大時(shí)間范圍監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中的參量、預(yù)修正、記憶、解析等能力，現(xiàn)有的excel生成報(bào)表過程工作量不輕松、易出錯(cuò)等瑕疵得到了改進(jìn)，Matlab強(qiáng)大的功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，為可靠的評(píng)估實(shí)際系統(tǒng)的功率特性供給了的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論

1)數(shù)值模擬對(duì)相關(guān)參數(shù)有嚴(yán)格的要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有要求。

2)功率測(cè)試法改進(jìn)的方向是是在進(jìn)一步提高功率測(cè)試的可視性化和精確度化、縮短測(cè)試周期。進(jìn)而能更加真實(shí)客觀的反映風(fēng)力機(jī)運(yùn)行性能，進(jìn)而為提高經(jīng)濟(jì)效益提供建設(shè)性意見，風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)功率測(cè)試中，對(duì)于可能影響到功率測(cè)試的相關(guān)因素要進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而提高整體測(cè)試的精確性。