一种风力发电机测试装置及方法与流程

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种风力发电机测试装置及方法。

背景技术：

社会文明与科技的进步，离不开能源应用技术的发展。随着环境问题和化石燃料的矛盾日益显著，人类对可再生能源的开发利用已迫不及待。风能凭借其储量大、分布广泛和开发技术相对成熟等优点，逐渐成为世界能源结构中的一个重要组成部分。

风能的捕捉和利用主要依靠风力机的风能接收装置，风轮和发电机为该装置的两个核心部件。风轮的气动性能及发电机的发电效率决定着风力机的风能利用率，两者的准确测量主要通过风洞实验。现有的风洞实验一般分两种，一是针对风轮的气动性能进行测试，用于评价风轮设计方案的优劣性；二是针对风力机整机的发电效率进行测试，用于获得整体运行的效率情况。现有技术只能独立地进行两种风洞实验，才能获得足够的数据来计算发电机的发电效率。但两种风洞实验的实验设备不同，这将不可避免地导致设备误差；此外，即使风洞实验中设定的风洞风速相同，也不能确保两种风洞实际运行时的风速能保持一致。因此，多种误差掺杂影响下，难以准确获得发电机的发电效率。另外，风力机风洞实验采用的扭矩传感器属精密仪器且量程较小，现有装置缺乏制动保护装置，在风轮高速运转甚至飞车情况下，若通过电磁制动发电装置，可能会导致轴间扭矩巨大，损坏扭矩传感器。风力机有水平轴和垂直轴风力机两种，而现有实验装置只能测试其中一种类型风力机，在进行不同类型风力机风洞实验时，就必须针对不同类型风力机设计两套实验装置，增加了实验成本。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的一种风力发电机测试装置及方法，能够在同一次实验中获得风轮的气动性能评价，以及风力发电机整机的发电效率；能够保证实验可控和安全；同时适用于垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机的测试。

为解决上述技术问题，本发明的一种风力发电机测试装置，包括有风轮、第一传动轴、第二传动轴、第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器、功率仪、滑动变阻器、发电机和可以水平或竖直放置的U型底座；所述风轮与所述第一传动轴连接；所述第一传动轴末端设置有第一伞齿轮，所述第二传动轴末端设置有第二伞齿轮；所述第一传动轴与所述第二传动成垂直放置，同时，所述第一伞齿轮和所述第二伞齿轮啮合，以实现所述第一传动轴与所述第二传动轴垂直传动；所述第一传动轴与所述第二传动轴的两端均设置有轴承座，所述轴承座固定于所述U型底座；所述第二传动轴与所述扭矩传感器通过所述第一联轴器连接，所述扭矩传感器固定于所述U型底座；所述扭矩传感器与所述发电机通过所述第二联轴器连接，所述发电机固定于所述U型底座，所述滑动变阻器分别与所述功率仪和所述发电机连接；所述U型底座能够使测试装置具有卧式工作状态和立式工作状态。

进一步地，所述U型底座包括有水平部件和设于水平部件两端的第一垂直部件与第二垂直部件。

进一步地，所述第一传动轴固定于所述第一垂直部件上，所述发电机固定于所述第二垂直部件上，所述第二传动轴、扭矩传感器固定于所述水平部件上。

进一步地，所述第一传动轴设置有刹车盘和刹车器，以防止所述风轮高速运转甚至出现飞车情况损坏所述扭矩传感器。

进一步地，所述风轮的类型包括有垂直风力发电机所用风轮和水平风力发电机所用风轮。

进一步地，所述扭矩传感器和所述功率仪均与计算机连接，以将收集到的数据传送至所述计算机进行计算。

进一步地，所述测试装置还设置有风速计，用于计算风速。

本发明的一种风力发电机测试方法，其特征在于，所述方法应用于上述测试装置上，包括以下步骤：

步骤1：所述风力发电机测试装置置于风洞试验段中，使所述风轮在所述风力试验段设定的风速下转动；

步骤2：所述扭矩传感器测量所述风轮的轴扭矩和转速数据并传输至所述计算机，所述功率仪测量所述发电机的输出功率并传输至所述计算机；

步骤3：利用计算机计算得到所述风轮的第二功率系数KP、加速比J，风力发电机的发电效率ηt以及发电机的发电效率ηG；

所述第二功率系数KP＝2M/ρAω²R³，加速比J＝V∞/ωR，所述第二功率系数KP和加速比J用于反映风轮的气动性能；

所述风力发电机的发电效率ηt＝2PG/ρAV³；

所述发电机的发电效率ηG＝ηtJ³/KP；

其中，M为风轮轴扭矩，ρ为气流密度，A为风轮扫掠面积，ω为风轮旋转角频率，R为风轮旋转半径，V∞为无穷远处气流速度,V为来流风速，PG为发电机输出功率。

进一步地，所述滑动变阻器作为所述发电机的负载，通过改变所述滑动变阻器的阻值能够改变所述发电机和所述风轮的转速，以使能够在同样风速情况，测试不同转速下所述风轮的气动效率和所述发电机的发电效率。

进一步地，步骤1所述的风力发电机测试装置可以用于测试垂直风力发电机和水平风力发电机。

与现有技术相比，本方案的有益效果为：

能够在同一次实验中获得风力的气动性能评价，以及风力发电机整机的发电效率；增加制动装置，可以对风轮进行机械制动，使实验更加可控和安全，减少机械损伤；适用于垂直风力发电机和水平风力发电机的测试；第二功率系数KP与气流速度无关，可以避免实验过程中由于气流速度不一致而带来的随机误差。

附图说明

图1是本发明实施例1的测试装置结构示意图；

图2是本发明实施例2的测试装置结构示意图；

图3是本发明测试方法流程图。

标记说明：

101、风轮；102、第一传动轴；103、第二传动轴；104、第一联轴器；105、第二联轴器；106、扭矩传感器；107、发电机；108、U型底座；109、第一伞齿轮；110、第二伞齿轮；111、轴承座；112、刹车盘；113、刹车器；114、水平部件；115、第一垂直部件；116、第二垂直部件；117、滑动变阻器；118、功率仪。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

本发明的一种风力发电机测试装置，如图1的测试装置结构示意图所示，包括有风轮101、第一传动轴102、第二传动轴103、第一联轴器104、第二联轴器105、扭矩传感器106、功率仪118、滑动变阻器117、发电机107和可以水平或竖直放置的U型底座108；所述风轮101与所述第一传动轴102连接；所述第一传动轴102末端设置有第一伞齿轮109，所述第二传动轴103末端设置有第二伞齿轮110；所述第一传动轴102与所述第二传动轴103成垂直放置，同时，所述第一伞齿轮109和所述第二伞齿轮110啮合，以实现所述第一传动轴102与所述第二传动轴103垂直传动；所述第一传动轴102与所述第二传动轴103的两端均设置有轴承座111，所述轴承座111固定于所述U型底座108；所述第二传动轴103与所述扭矩传感器106通过所述第一联轴器104连接，所述扭矩传感器106固定于所述U型底座108上；所述扭矩传感器106与所述发电机107通过所述第二联轴器105连接，所述发电机107固定于所述U型底座108上，所述滑动变阻器117分别与所述功率仪118和所述发电机107连接；所述U型底座108能够使测试装置具有卧式工作状态和立式工作状态，适用于垂直风力发电机和水平风力发电机的测试。

所述U型底座108包括有水平部件114和设于水平部件两端的第一垂直部件115与第二垂直部件116。

所述第一传动轴102固定于所述第一垂直部件115上，所述发电机107固定于所述第二垂直部件116上，所述第二传动轴103、扭矩传感器106固定于所述水平部件114上。

所述第一传动轴设置有刹车盘112和刹车器113，以防止所述风轮101高速运转甚至出现飞车情况损坏所述扭矩传感器106。

所述第一传动轴102设置有刹车盘112和刹车器113，以防止所述风轮101高速运转甚至出现风车情况损坏所述扭矩传感器106，使实验更加可控和安全，减少机械损伤。

所述风轮101的类型为水平风力发电机所用风轮：多翼式风轮。

所述扭矩传感器106和所述功率仪118均与计算机连接，以将收集到的数据传送至所述计算机进行计算，实现计算机汇总数据，自动计算。

所述测试装置还设置有风速计，用于计算风速，可以测算风洞试验段的实际风速。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，所用风轮101为垂直风力发电机所用风轮，为升力型风轮类型的ф型风轮，或属于阻力型风轮类型的风杯式风轮，所述风力发电机测试装置为立式装置。

本发明的一种风力发电机测试方法，所述方法应用于上述测试装置上，包括以下步骤：

步骤1：所述风力发电机测试装置置于风洞试验段中，使所述风轮101在所述风力试验段设定的风速下转动；

步骤2：所述扭矩传感器106测量所述风轮101的轴扭矩和转速数据并传输至所述计算机，所述功率仪118测量所述发电机107的输出功率并传输至所述计算机；

步骤3：利用计算机计算得到所述风轮101的第二功率系数KP、加速比J，所述风力发电机整机的发电效率ηt以及所述发电机107的发电效率ηG；

所述第二功率系数KP＝2M/ρAω²R³，加速比J＝V∞/ωR，所述第二功率系数KP和加速比J用于反映风轮的气动性能，第二功率系数KP与气流速度无关，可以避免实验过程中由于气流速度不一致而带来的随机误差；

所述风力发电机整机的发电效率ηt＝2PG/ρAV³；

所述发电机107的发电效率ηG＝ηtJ³/KP；

其中，M为风轮轴扭矩，ρ为气流密度，A为风轮扫掠面积，ω为风轮旋转角频率，R为风轮旋转半径，V∞为无穷远处气流速度,V为来流风速，PG为发电机输出功率。

所述滑动变阻器117作为所述发电机107的负载，通过改变所述滑动变阻器117的阻值能够改变所述发电机107和所述风轮101的转速，以使能够在同样风速情况，测试不同转速下所述风轮101的气动效率和所述发电机107的发电效率。

上述方法可以通过调整测试装置的工作状态如卧式或立式，来测试垂直风力发电机或水平风力发电机。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。