风能发电
课时：3学时
教材：大学物理实验补充讲义
简介：风能是太阳辐射下空气流动所形成的。与其他能源相比，风能具有蕴藏量巨大、清洁无污染、成本低廉、安全可靠等优势。把风的动能转变成风轮的机械能，再把该机械能转化为电能，这就是风能发电。风电是重要的战略新兴产业，具有广阔的发展前景。本实验所使用的JCF-1型多功能风力发电实验仪由天津理工大学物理实验中心开发研制，并获得国家专利。
实验重点：了解影响风电转换效率的相关因素。
难点：了解提高风力发电机功率系数的研究方法。
教学目的：1.理解风能转换成电能的过程及基本原理。
2.了解影响风电转换效率的相关因素。
3.了解提高风力发电机功率系数的研究方法。
教学方法：讲授式、指导式、讨论式
实验要求：了解风力发电系统组成及结构，理解风能转换成电能的过程及基本原理。
实验仪器：JCF-1型多功能风力发电实验仪
实验原理：
空气的定向流动就形成了风。设风速为V1，质量为Δm的空气，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）
式中L为气流在时间t内所通过的距离；r为空气密度，在标准状态下取值为1.293kg/m3，一般随高度及温度增大而减小。由上式可见空气的动能与风速的立方成正比。
贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，它由德国物理学家Albert Betz于1919年提出。贝兹假定风轮是理想的，气流通过风轮时没有阻力，气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。
以V1表示风机上游风速，Vo表示流过风轮旋转面S时的风速，V2表示流过风扇叶片截面后的下游风速。
根据动量定理，流过风轮旋转面S，质量为Δm的空气，在风轮上产生的作用力为：
（2）
风轮吸收的功率为：
（3）
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：
（4）
令（3）（4）两式相等，得到：
（5）
将（5）式代入（3）式，可得到功率随上下游风速的变化关系式：
（6）
当上游风力V1不变时，令dP/dV2=0，可知当V2=1/3V1时（6）式取得极大值，且：
（7）
将上式除以（1）式，可以得到风力发电机的最大理论效率(贝兹极限)：
（8）
我们将风力发电机的实际风能利用系数（功率系数）CP定义为风力发电机实际输出功率与流过风轮旋转面S的全部风能之比，即：
（9）
功率系数CP总是小于贝兹极限，商品风机工作时，CP一般在0.4左右。但CP不是一个常数，它随风速、发电机转速、负载以及叶片参数如翼型、翼长、桨距角等而变化。
由上式，风力机实际的功率输出为：
（10）
式中R为风轮半径。
（10）式是本实验的基本理论依据，它展示了风力发电机功率输出与各物理量的依赖关系。
对风力发电机功率输出影响最大的因素依次是风速V1和风轮半径R，这对风场的选址和叶片长度的选择具有决定性的指导意义。在本实验仪的实验内容中，将分别就这些参量对风机输出功率的影响进行实验。
实验步骤：
1、用风速仪测量轨道上不同位置的风速
在轨道上移动风力发电机滑块到远离风源一端，风机和风源间放置风速仪探头滑块，在距风源10厘米的位置上调整探头高度和角度使风速仪显示出该位置的最大读数值(约5.4米/秒以上)。
在轨道上移动探头滑块到不同设定位置，测量风速值并记录到表1。
建议做此项实验时，尽量减小外界气流扰动，从高风速开始向低风速依次测量，待读数稳定后再记录，并重复测量2次取平均值。注意:测量时风速仪要用平均值测量挡！
2、风速与风力发电机输出功率关系实验
放置风速仪探头滑块到离风源最远端轨道上。发电机滑块安放在探头和风源之间。
在风轮轮毂上安装3个异型叶片并调到最长位置，调整叶片在轮毂上的角度到50左右位置，安装风轮到发电机转轴上。
合上风源开关和电压表、电流表工作开关，观察表上显示的电压、电流值。调整负载电阻到480Ω左右。
可调负载各点的电阻值
负载指示点 |
a |
b |
c |
d |
e |
f |
g |
电阻值（Ω） |
0 |
150 |
300 |
480 |
670 |
850 |
1010 |
根据实验1测出的风速与轨道位置关系,在轨道上移动风力发电机滑块到不同风速位置上，观察表上的电压、电流值并记录到表2中。根据功率与电压及电流关系算出相应的风机输出功率。
3、叶片长度与风机的输出功率关系实验
参照实验2的操作，其它不变，只调整叶片在轮毂上的位置，缩短叶片长度。观察并记录不同长度下的输出功率值，见表3。
4、叶片形状与风机的输出功率关系实验
参照实验2的操作，其它不变，变换叶片形状为异型及平板型。观察并记录不同叶型下的输出功率值，见表4。
实验数据：
表1 轨道上不同位置风速
轨道位置（cm） |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
风速1（m/s） |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
风速2（m/s） |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
平均风速（m/s） |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
表2 风速与风力发电机输出功率间关系 P=IV
风速（m/s） |
5.4 |
5.2 |
5.0 |
4.8 |
4.6 |
4.4 |
4.2 |
电流（mA） |
|
|
|
|
|
|
|
电压（V） |
|
|
|
|
|
|
|
功率（mW） |
|
|
|
|
|
|
|
画出风速V和风力发电机输出功率P关系图。
表3 叶片长度与风力发电机输出功率间关系
风速（m/s） |
5.4 |
5.0 |
4.6 |
短叶片 |
电流（mA） |
|
|
|
电压（V） |
|
|
|
功率（mW） |
|
|
|
长叶片 |
电流（mA） |
|
|
|
电压（V） |
|
|
|
功率（mW） |
|
|
|
表4 叶片形状与风力发电机输出功率间关系
风速（m/s） |
5.4 |
5.0 |
4.6 |
异形叶片 |
电流（mA） |
|
|
|
电压（V） |
|
|
|
功率（mW） |
|
|
|
平板型叶片 |
电流（mA） |
|
|
|
电压（V） |
|
|
|
功率（mW） |
|
|
|
注意事项：
1.风源（采用轴流风机）工作时，轴流风机内金属叶片在高速旋转，切勿将手伸入轴流风机内，以免造成严重伤害！
2.每测量一个数据前，保持10秒左右的环境稳定。
3.测量数据时，人员应尽量保持静止状态，避免走动尤其大幅运动干扰风场使实验数据波动、失真。当邻组的风源对实验数据干扰较大时，应互相协调错开各组记录敏感数据时间或找实验指导教师帮助解决。如有电风扇等其它干扰风源，请控制到最小。
