CN106194603A - 一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法，装置的底座固定在风洞试验段中，发电机及扭矩转速仪固装在底座上，扭矩转速仪一端连接有第一传动轴，风轮固装在第一传动轴上，风轮位于风洞试验段来流方向的上游；扭矩转速仪另一端连接有第二传动轴，第二传动轴与发电机的电机轴相固连；功率表与发电机相连接；扭矩转速仪和功率表的数据输出端与计算机相连；在功率表与发电机之间连接有滑动变阻器，发电机、功率表及滑动变阻器构成闭合电路，滑动变阻器作为发电机的负载。方法为：在设定风速下利用来流驱动风轮转动；测量风轮轴扭矩、转速及发电机输出功率；将测得数据传输到计算机中计算得到风轮气动效率、风力机整机及发电机的发电效率。

Description

一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法

技术领域

本发明属于风力机气动特性及功率特性测试技术领域，特别是涉及一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法。

背景技术

风能作为一种可再生的清洁能源，现已成为发展和应用最快的新能源之一，利用风能的最主要设备就是风力机，风轮和发电机又是风力机的两个重要组成部分，且风轮的气动效率和发电机的发电效率又直接决定了风力机的风能利用效率，因此需要对风轮的气动效率和发电机的发电效率进行准确测试，目前主要通过风洞实验来实现。

上述的风洞实验可分为两种，第一种是针对风轮的气动效率进行测试的风洞实验，第二种是针对风力机整机的发电效率进行测试的风洞实验，且两种风洞实验是完全独立进行的。

对于第一种针对风轮的气动效率进行测试的风洞实验来说，其仅是用来评估风轮设计方案优劣程度的；对于第二种针对风力机整机的发电效率进行测试的风洞实验来说，其仅能够测得风力机整机的发电效率，而无法测得风轮的气动效率和发电机的发电效率，因此也无法用来准确评估风轮的气动效率和发电机的发电效率；由于风力机整机的发电效率是由风轮的气动效率与发电机的发电效率相匹配的结果，因此通过第二种风洞实验也难以解决发电机匹配问题。

目前，发电机的发电效率只能通过独立的两种风洞实验所获取的数据计算得到，由于两种风洞实验所采用的实验设备不同，将不可避免的存在设备误差；再有，即使两种风洞实验中设定的风洞风速相同，但实际实验中的风洞风速的调节也会存在随机误差；因此，在诸多数据误差的影响下，很难保证发电机的发电效率的准确度。由于风洞实验必须分两次独立进行，导致实验过程费时费力，且实验效率不高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法，仅通过一次实验过程就可同时获得风轮的气动效率和风力机整机的发电效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了发电机的发电效率的准确度，而且有效提高了实验效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，包括底座、风轮、发电机、扭矩转速仪及功率表；所述底座固定设置在风洞试验段中，所述发电机及扭矩转速仪固定安装在底座上，扭矩转速仪一端连接有第一传动轴，所述风轮固定安装在第一传动轴上，且风轮位于风洞试验段来流方向的上游；所述扭矩转速仪另一端连接有第二传动轴，第二传动轴与发电机的电机轴通过联轴器相固连；所述功率表与发电机相连接；所述扭矩转速仪和功率表的数据输出端与计算机相连。

在所述功率表与发电机之间连接有滑动变阻器，所述发电机、功率表及滑动变阻器构成闭合电路，滑动变阻器作为发电机的负载。

在所述第一传动轴、第二传动轴与底座之间均安装有轴承支撑座，通过设置轴承支撑座用以防止第一传动轴、第二传动轴在旋转时的结构变形。

所述第一传动轴、第二传动轴、扭矩转速仪、发电机及风洞试验段的轴向中心线相重合。

一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，采用了所述的同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段内的风速进行设定，并在设定风速下利用来流驱动风轮转动；

步骤二：通过扭矩转速仪测量风轮的轴扭矩和转速，通过功率表测量发电机的输出功率，将风轮的轴扭矩和转速数据以及发电机的输出功率数据传输到计算机中；

步骤三：利用计算机计算得到风轮的气动效率、风力机整机的发电效率以及发电机的发电效率。

通过改变滑动变阻器的电阻来改变发电机的负载，进而改变发电机和风轮的转速，实现同一风速且不同转速下的风力机气动效率和发电效率的测试。

所述风轮的气动效率通过风能利用系数随着尖速比的变化曲线进行评价，风能利用系数及尖速比的计算公式为

C_p＝2P_M/ρAV³

λ＝wR/V

其中，P_M＝2πnM/60，式中，P_M为风轮机械功率，n为风轮转速，M为风轮轴扭矩，C_P为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速，λ为尖速比，w为风轮旋转角度速，R为风轮旋转半径。

所述风力机整机的发电效率的计算公式为

η_t＝2P_G/ρAV³

式中，η_t为风力机整机发电效率，P_G为发电机输出功率，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速。

所述发电机的发电效率的计算公式为

η_g＝η_t/C_p

式中，η_g为发电机发电效率，η_t为风力机整机发电效率，C_P为风能利用系数。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，仅通过一次实验过程就可同时获得风轮的气动效率和风力机整机的发电效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了发电机的发电效率的准确度，而且有效提高了实验效率。

附图说明

图1为本发明的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置结构示意图；

图中，1—底座，2—风轮，3—发电机，4—扭矩转速仪，5—功率表，6—滑动变阻器，7—风洞试验段，8—第一传动轴，9—第二传动轴，10—联轴器，11—轴承支撑座，12—计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，包括底座1、风轮2、发电机3、扭矩转速仪4及功率表5；所述底座1固定设置在风洞试验段7中，所述发电机3及扭矩转速仪4固定安装在底座1上，扭矩转速仪4一端连接有第一传动轴8，所述风轮2固定安装在第一传动轴8上，且风轮2位于风洞试验段7来流方向的上游；所述扭矩转速仪4另一端连接有第二传动轴9，第二传动轴9与发电机3的电机轴通过联轴器10相固连；所述功率表5与发电机3相连接；所述扭矩转速仪4和功率表5的数据输出端与计算机12相连。

在所述功率表5与发电机3之间连接有滑动变阻器6，所述发电机3、功率表5及滑动变阻器6构成闭合电路，滑动变阻器6作为发电机3的负载。

在所述第一传动轴8、第二传动轴9与底座1之间均安装有轴承支撑座11，通过设置轴承支撑座11用以防止第一传动轴8、第二传动轴9在旋转时的结构变形。

所述第一传动轴8、第二传动轴9、扭矩转速仪4、发电机3及风洞试验段7的轴向中心线相重合。

一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，采用了所述的同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段7内的风速进行设定，并在设定风速下利用来流驱动风轮2转动；

步骤二：通过扭矩转速仪4测量风轮2的轴扭矩和转速，通过功率表5测量发电机3的输出功率，将风轮2的轴扭矩和转速数据以及发电机3的输出功率数据传输到计算机12中；

步骤三：利用计算机12计算得到风轮2的气动效率、风力机整机的发电效率以及发电机3的发电效率。

通过改变滑动变阻器6的电阻来改变发电机3的负载，进而改变发电机3和风轮2的转速，实现同一风速且不同转速下的风力机气动效率和发电效率的测试。

所述风轮2的气动效率通过风能利用系数随着尖速比的变化曲线进行评价，风能利用系数及尖速比的计算公式为

C_p＝2P_M/ρAV³

λ＝wR/V

其中，P_M＝2πnM/60，式中，P_M为风轮机械功率，n为风轮转速，M为风轮轴扭矩，C_P为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速，λ为尖速比，w为风轮旋转角度速，R为风轮旋转半径。

所述风力机整机的发电效率的计算公式为

η_t＝2P_G/ρAV³

式中，η_t为风力机整机发电效率，P_G为发电机输出功率，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速。

所述发电机3的发电效率的计算公式为

η_g＝η_t/C_p

式中，η_g为发电机发电效率，η_t为风力机整机发电效率，C_P为风能利用系数。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，其特征在于：包括底座、风轮、发电机、扭矩转速仪及功率表；所述底座固定设置在风洞试验段中，所述发电机及扭矩转速仪固定安装在底座上，扭矩转速仪一端连接有第一传动轴，所述风轮固定安装在第一传动轴上，且风轮位于风洞试验段来流方向的上游；所述扭矩转速仪另一端连接有第二传动轴，第二传动轴与发电机的电机轴通过联轴器相固连；所述功率表与发电机相连接；所述扭矩转速仪和功率表的数据输出端与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，其特征在于：在所述功率表与发电机之间连接有滑动变阻器，所述发电机、功率表及滑动变阻器构成闭合电路，滑动变阻器作为发电机的负载。

3.根据权利要求1或2所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，其特征在于：在所述第一传动轴、第二传动轴与底座之间均安装有轴承支撑座，通过设置轴承支撑座用以防止第一传动轴、第二传动轴在旋转时的结构变形。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，其特征在于：所述第一传动轴、第二传动轴、扭矩转速仪、发电机及风洞试验段的轴向中心线相重合。

5.一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，采用了权利要求4所述的同步测试风力机气动效率和发电效率的装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段内的风速进行设定，并在设定风速下利用来流驱动风轮转动；

步骤二：通过扭矩转速仪测量风轮的轴扭矩和转速，通过功率表测量发电机的输出功率，将风轮的轴扭矩和转速数据以及发电机的输出功率数据传输到计算机中；

步骤三：利用计算机计算得到风轮的气动效率、风力机整机的发电效率以及发电机的发电效率。

6.根据权利要求5所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，其特征在于：通过改变滑动变阻器的电阻来改变发电机的负载，进而改变发电机和风轮的转速，实现同一风速且不同转速下的风力机气动效率和发电效率的测试。

7.根据权利要求6所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，其特征在于：所述风轮的气动效率通过风能利用系数随着尖速比的变化曲线进行评价，风能利用系数及尖速比的计算公式为

C_p＝2P_M/ρAV³

λ＝wR/V

其中，P_M＝2πnM/60，式中，P_M为风轮机械功率，n为风轮转速，M为风轮轴扭矩，C_P为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速，λ为尖速比，w为风轮旋转角度速，R为风轮旋转半径。

8.根据权利要求7所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，其特征在于：所述风力机整机的发电效率的计算公式为

η_t＝2P_G/ρAV³

式中，η_t为风力机整机发电效率，P_G为发电机输出功率，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速。

9.根据权利要求8所述的一种同步测试风力机气动效率和发电效率的方法，其特征在于：所述发电机的发电效率的计算公式为

η_g＝η_t/C_p

式中，η_g为发电机发电效率，η_t为风力机整机发电效率，C_P为风能利用系数。