专利名称：多功能风力发电实验仪的制作方法
技术领域：
多功能风力发电实验仪技术领域[0001]本实用新型涉及一种物理实验教学中的可再生能源实验仪器，尤其涉及一种风力发电实验仪。
背景技术：
[0002]目前，应用于基础物理实验教学的新能源实验仪，有太阳能实验仪，燃料电池实验仪等，但是没有多功能、直观演示风能利用的实验仪。[0003]专利号200620140019. 7，申请日为2006. 11. 15的中国实用新型专利公开了一种风力发电演示实验仪，包含有与风叶相连的发电机，与发电机相连的储能器和与发电机或储能器相连的用电器；发电机是通过增加线圈匝数改装而成的电动机；储能器是采用大容量的电容；用电器采用发光体或音乐集成块。该实验仪仅能够演示风力发电、储能及利用储能使用电器工作的整个过程，存在功能单一、演示内容粗略、显示效果差、系统不稳定等问题，且没有涉及风力、叶片数量、翼型、桨距角等对系统输出功率的影响，系统输出功率不能直观显示。[0004]专利号201020649871. 3，申请日2010. 12. 07的中国实用新型专利公开了一种交流变压型励磁同步风力发电实验装置，主要是实现并网发电实验，属于专业性较强的实验， 不适合用做基础物理实验仪。发明内容[0005]本实用新型目的是解决现有实验仪存在功能单一、演示内容粗略、显示效果差、系统不稳定、系统复杂等技术问题，提供一种多功能风力发电实验仪，可以稳定、形象、直观、 即插即用、方便的演示风能转换及利用的全过程，以及演示风速、叶片数量、翼型、翼长、桨距角、负载等与系统输出功率的变化关系，并能对其中某些参数关系做出定量测试。[0006]本实用新型提供的多功能风力发电实验仪包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、支架、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨。[0007]所述风源采用轴流风机，通过风源支架安装在导轨上，用以输出速度相对稳定的风。[0008]所述风速计通过风速计支架安装在导轨上，用以测量风速。[0009]所述风轮、三相发电机通过水平转动轴连接并安装在风轮和交流发电机支架上。 所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给三相发电机。[0010]所述整流滤波电路包括与三相交流发电机连接的六个二极管以及电容并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接，用以将三相交流发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容，用以对电流进一步滤波和电能的短暂存储。[0011]测量电路包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。[0012]所述电能的存储与利用电路包括由双刀双掷开关控制的发光二极管回路和储能充电器回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关。[0013]所述导轨的一侧带有可测量距离的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。[0014]所述风轮由风轮轮毂和安装在风轮轮毂上的风轮叶片构成，风轮叶片数量分别为 2、3 或 6。[0015]本发明的优点和有益效果[0016]本实用新型多功能风力发电实验仪，制作了多种类型的风轮，其中，翼长分别为 8cm、10cm、12cm，叶片的数目分别为2、3、6，叶片与轮毂的夹角分别为5°、10°、20°，便于定性研究翼长、叶片数目、桨距角等与系统输出电功率之间的变化关系；采用导轨，将风源和风轮放置在导轨上，一方面可以研究相同条件风源和风轮之间不同距离下的输出功率， 另一方面可以保证风源和风轮的稳定，减少振动等其他因素对实验结果的影响；配有风速计，可以方便地进行滑道上不同位置的风速测量，通过智能电压表和电流表读出电压和电流值，进而得到系统的输出功率，从而得到风速和输出功率间的定量关系；测出可调负载的阻值，可以定量研究负载和输出功率间的关系；智能电压表和智能电流表是通过表内预先用单片机编写的程序控制输出信号，以保证系统的输出功率的准确性，避免普通的数显电压表和电流表信号输出的不稳定性，同时将智能电压表和电流表放置在导轨一个侧面的凹槽内，一方面避免振动等影响输出结果，另一方面保证实验者安全，同时所有电学元件可以在通用九孔电路插板上实现即插即用，易于搭建电路。[0017]利用本实用新型多功能风力发电实验仪，可以实现多种与风能利用有关的基础物理实验，诸如翼长、翼形、桨距角、叶片数量与系统输出功率的变化关系；风速与系统输出功率的关系曲线；负载对输出功率的影响曲线；风力发电使用演示实验；风力发电储能方式实验；三相交流电整流滤波电路搭建实验；风力发电储能方式及输出电路的搭建等等。
[0018]图1是本实用新型多功能风力发电实验仪的结构示意图，[0019]图中1是风轮叶片，2是风轮轮毂；3是导轨；4是三相交流发电机；5是电容；6 是智能电压表；7是可变负载；8是智能电流表；9是储能充电器；S是风源；M是风速计；Z1、 Z2、Z3分别是风源支架、风速计支架、交流发电机支架；Dl，D2，D3，D4，D5，D6是二极管；Kl 是开关，K2是双刀双掷开关，LED是发光二极管。[0020]图2是三种风轮示意图，A两个叶片，B三个叶片，C六个叶片。[0021]图3是输出功率P与风速V的关系曲线。[0022]
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
[0023]如图1所示是本实用新型多功能风力发电实验仪的结构示意图，由图可见，该实验仪包括风源S、风速计M、风轮、三相交流发电机4、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨3。[0024]整流滤波电路、电能的存储与利用电路中的所有电学元件及测量电路中的可变负载插在“九孔电路插板”上并通过该插板实现连接，实现即插即用、方便快捷搭建电路的目的。[0025]所述风源采用轴流风机，通过风源支架Zl安装在导轨上，用以输出速度相对稳定的风。[0026]所述风速计通过风速计支架Z2安装在导轨上，用以测量风速。[0027]所述风轮(由风轮轮毂2和其上安装的风轮叶片1构成)、三相发电机通过水平转动轴连接并安装在风轮和交流发电机支架Z3上。所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给三相发电机。[0028]所述整流滤波电路包括与三相交流发电机连接的六个二极管(Dl，D2，D3，D4， D5，D6 )以及电容5并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接，用以将三相交流发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容5，用以对电流进一步滤波和电能的短暂存储。[0029]测量电路包括智能电压表6支路和由一个可变负载7与一个智能电流表8串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。[0030]所述电能的存储与利用电路包括由双刀双掷开关K2控制的发光二极管LED回路和储能充电器9回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关K1。[0031]所述导轨的一侧带有可测量距离的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。[0032]具体应用实例“风速与输出功率关系”实验[0033]本实例中的风源S选用的是轴流风机，风源S通电，风速相对稳定后，先用风速计测定导轨上各测点的风速，然后撤掉风速计；将风轮放置到某测点，对准风机，出风吹向风轮的叶片1和风轮的轮毂2，所有从风轮叶片1传来的风力，通过风轮的轮毂2传递到转动系统，再传递给三相交流发电机4，三相交流发电机4工作后，其输出的三相交流电经整流滤波后转换为直流电。调节可变负载7选择合适的电阻值，智能电压表 6和智能电流表8上实时输出直流电压和电流的数值，读取表上的读数将其转化成功率，变换风轮到不同测点，即可得到风速与输出功率间的关系曲线。例如当负载为600 Ω，桨距角10°，叶片数量为3，翼长为10cm，风源与风轮距离分别为15cm，30cm，49cm， 72cm, 98cm时，风速分别为5m/s，4. 5m/s,4m/s, 3. 5m/s, 3m/s，相应的输出功率P与风速V的关系曲线见图3.[0034]实验中，也可通过改变翼长(分别为8Cm、10Cm、12Cm等)、桨距角(叶片与轮毂的夹角分别为5°、10°、20°等)、叶片数量(分别为2、3、6等)、测点、负载等参数，记录下智能电压表6和智能电流表8上实时输出直流电压和电流的数值，可以定性或定量得到输出功率随着各参数的变化关系。比如当负载为600 Ω,桨距角为10°，叶片数量为3，风速为，风源与发电机距离为15cm时，变化翼长使其分别为8cm、10cm、12cm，则相应输出功率分别为 0. 15ff,0. 21ff,0. 32ff0[0035]实验中，闭合开关K1，还可通过双刀双掷开关K2的转换演示出发光二极管发出五颜六色光的过程及储存电能的过程，这极大的增加了该实验仪的趣味性。[0036]尽管结合附图对本实用新型进行了上述描述，但本实用新型不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
是示意性的，不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的指示下，在不脱离本发明的宗旨和权力要求所保护的范围下，还可以作很多其他的实验，这些均属于本实用新型的保护之列。
权利要求1.一种多功能风力发电实验仪，其特征在于该实验仪包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、支架、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路和导轨；所述风源采用轴流风机，通过风源支架安装在导轨上； 所述风速计通过风速计支架安装在导轨上；所述风轮安装在三相发电机的水平转轴上、三相发电机安装在支架上； 所述整流滤波电路包括与三相交流发电机连接的六个二极管以及电容并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接；测量电路包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联；所述电能的存储与利用电路包括由双刀双掷开关控制的发光二极管回路和储能充电器回路；电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关。
2.根据权利要求1所述的多功能风力发电实验仪，其特征在于所述导轨的一侧带有可测量距离的标尺，在导轨一侧面还开有一个凹槽，智能电压表和智能电流表放置在凹槽内。
3.根据权利要求1或2所述的多功能风力发电实验仪，其特征在于所述风轮由风轮轮毂和安装在风轮轮毂上的风轮叶片构成，风轮叶片数量分别为2、3或6。
专利摘要一种多功能风力发电实验仪。该实验仪包括风源、风速计、风轮、三相交流发电机、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、导轨。整流滤波电路包括与三相交流发电机连接的六个二极管以及电容并联支路。测量电路包括智能电压表支路和由一个可变负载与一个智能电流表串联构成的支路。电能的存储与利用电路包括由双刀双掷开关控制的发光二极管回路和储能充电器回路。利用本发明实验仪，可实现多种与风能利用有关的基础物理实验，诸如翼长、翼形、桨距角、叶片数量与系统输出功率的变化关系实验；风力发电使用演示实验；风力发电储能方式实验；三相交流电整流滤波电路搭建实验；风力发电储能方式及输出电路的搭建等。
文档编号G09B23/18GK202306920SQ20112042200
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者吕江, 张颖涛, 李洪国, 耿耀辉 申请人:天津理工大学