一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置及方法与流程

本发明属于风力机气动特性及功率特性测试技术领域，特别是涉及一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置及方法。

背景技术：

环境和能源是人类赖以生存的基础，化石能源的巨量消耗导致严重的环境污染问题，积极开发新能源和可再生能源有助于缓解能源和环境问题。风能作为一种清洁无污染的可再生能源，其利用技术已经发展到比较成熟的地步。城市作为能源需求最为集中的地方之一，就地利用城市风场是当今研究的重点和热点，其中小型风力机更加适合于城市环境离网分布式发电，因此设计和开发高效率的小型风力机，更加有助于城市环境分布式发电的推广和发展。风力机系统主要包括风轮和发电机两个重要组成部分，风轮的气动效率和发电机的效率直接决定了风力机系统的发电效率，发电机主要依赖风轮的设计转速和功率进行选取的，然而，实践证明风轮和发电机往往存在不匹配的情况。

目前，对于风力机的风洞实验主要分为两种，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系统的发电效率进行测试的风洞实验，以上两种实验都是相互独立进行的。

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，其仅是用来评价风轮气动设计方案优劣程度的；对于第二种针对风力机系统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系统的整机发电效率，而无法测得风轮的气动效率和发电机的效率，因此也无法用来准确评估风轮的气动效率和发电机的效率；由于风力机系统的发电效率是由风轮的气动效率与发电机的效率相匹配的结果，因此单纯通过第二种风洞实验也难以解决发电机匹配问题。

目前，获取风轮气动效率、发电机效率以及风力机系统发电效率需要进行两种不同的实验，发电机效率可以通过风轮气动效率和风力机系统发电效率计算得出。由于两种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，不同实验中风速和转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。

为此，专利号为zl201610781702.7的中国专利提出了一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置及方法，该专利能够通过一次实验过程测量并计算出风力机系统中风轮的气动效率、发电机效率及系统发电效率，但是，该专利在风力机测试过程中仍然存在局限性，其仅仅能测试扭矩随转速增大而单调减小的风力机，例如阻力型风力机，可得到从低转速到高转速对应的完整实验数据；然而，对于扭矩随转速增大不是单调减小的风力机来说，例如升力型风力机，其在实验过程中电磁制动器的加载是逐渐增大的，风力机转速逐渐减小，当加载使转速低于临界转速时，负载力矩大于风力机的气动扭矩，风力机将瞬时停止转动。因此，该专利只能测到风力机最大转速到临界转速范围内的扭矩，得到的仅仅是临界转速到高转速对应的不完整实验数据。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置及方法，能够满足各种型号的阻力型风力机和升力型风力机的测试需要，仅通过一次实验过程就可同时获得风力机风轮的气动效率和风力机系统的发电效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了发电机效率的准确度，而且能够有效提高实验效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置，包括底座、风轮、发电机、扭矩转速仪及功率表，其特点是：还包括电动机和变频器，所述发电机采用双头发电机；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，扭矩转速仪一端通过第一联轴器连接有传动轴，所述风轮固定安装在传动轴上，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通过第二联轴器与发电机的电机轴一端相固连，发电机的电机轴另一端通过第三联轴器与电动机的电机轴相固连；所述变频器与电动机相连接，通过变频器对电动机的转速进行调节；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电阻，所述发电机、功率表及电阻构成闭合电路。

在所述传动轴与底座之间安装有轴承支撑座，通过设置轴承支撑座用以防止传动轴在旋转时的结构变形。

所述传动轴、扭矩转速仪、发电机及风洞试验段的轴向中心线相重合。

一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量方法，采用了所述的风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段内的风速进行设定；

步骤二：断开第二联轴器，使扭矩转速仪与发电机的电机轴断开连接；

步骤三：在设定风速下利用来流驱动风轮转动，并测量风轮的空载转速；

步骤四：接合第二联轴器，使扭矩转速仪、发电机及电动机串联接通；

步骤五：通过变频器对电动机的转速进行调节，并通过电动机驱动风轮转动；

步骤六：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；

步骤七：利用计算机计算得到风轮的气动效率、风力机系统的发电效率以及发电机效率。

所述电动机的转速需要低于风轮的空载转速，此时电动机作为风力机系统的负载，同时通过变频器改变电动机的转速，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系统发电效率的同时测试。

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

cp＝2pm/ρav³

λ＝wr/v

其中，pm＝2πnm/60，式中，pm为风轮机械功率，n为风轮转速，m为风轮轴扭矩，cp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。

所述风力机系统的发电效率的计算公式为

ηt＝2pg/ρav³

式中，ηt为风力机系统发电效率，pg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。

所述发电机效率的计算公式为

ηg＝ηt/cp

式中，ηg为发电机效率，ηt为风力机系统发电效率，cp为风能利用系数。

本发明的有益效果：

本发明与专利号为zl201610781702.7的中国专利相比，在加载方式上作了进一步的创新，首次引入电动机作为风力机系统的负载，即当电动机转速小于风力机空载最大转速时，电动机本身便可看作负载，通过改变电动机的转速就能获得全转速下的实验数据。

本发明能够满足各种型号的阻力型风力机和升力型风力机的测试需要，仅通过一次实验过程就可同时获得风力机风轮的气动效率和风力机系统的发电效率，有效避免了采用两次独立实验而存在的各项误差，不但保证了发电机效率的准确度，而且能够有效提高实验效率。

如图2所示，为小型水平轴风力机功率随转速变化曲线图，在图中可以看出，通过专利号为zl201610781702.7的中国专利只能测出部分转速下实验数据，而通过本发明则测出了全转速下的功率等实验数据，通过本发明有效克服了专利号为zl201610781702.7的中国专利的局限性。

附图说明

图1为本发明的一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置的结构示意图；

图2为小型水平轴风力机功率随转速变化曲线图；

图中，1—底座，2—风轮，3—发电机，4—扭矩转速仪，5—功率表，6—电阻，7—风洞试验段，8—传动轴，9—电动机，10—变频器，11—轴承支撑座，12—计算机，13—第一联轴器，14—第二联轴器，15—第三联轴器。

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，一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置，包括底座1、风轮2、发电机3、扭矩转速仪4、功率表5、电动机9及变频器10，所述发电机3采用双头发电机；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4一端通过第一联轴器13连接有传动轴8，所述风轮2固定安装在传动轴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另一端通过第二联轴器14与发电机3的电机轴一端相固连，发电机3的电机轴另一端通过第三联轴器15与电动机9的电机轴相固连；所述变频器10与电动机9相连接，通过变频器10对电动机9的转速进行调节；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之间连接有电阻6，所述发电机3、功率表5及电阻6构成闭合电路。

在所述传动轴8与底座1之间安装有轴承支撑座11，通过设置轴承支撑座11用以防止传动轴8在旋转时的结构变形。

所述传动轴8、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。

一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量方法，采用了所述的风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置，包括如下步骤：

步骤一：对风洞试验段7内的风速进行设定；

步骤二：断开第二联轴器14，使扭矩转速仪4与发电机3的电机轴断开连接；

步骤三：在设定风速下利用来流驱动风轮2转动，并测量风轮2的空载转速；

步骤四：接合第二联轴器14，使扭矩转速仪4、发电机3及电动机9串联接通；

步骤五：通过变频器10对电动机9的转速进行调节，并通过电动机9驱动风轮2转动；

步骤六：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；

步骤七：利用计算机12计算得到风轮2的气动效率、风力机系统的发电效率以及发电机3效率。

所述电动机9的转速需要低于风轮2的空载转速，此时电动机9作为风力机系统的负载，同时通过变频器13改变电动机9的转速，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系统发电效率的同时测试。

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

cp＝2pm/ρav³

λ＝wr/v

其中，pm＝2πnm/60，式中，pm为风轮机械功率，n为风轮转速，m为风轮轴扭矩，cp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。

所述风力机系统的发电效率的计算公式为

ηt＝2pg/ρav³

式中，ηt为风力机系统发电效率，pg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效率的计算公式为

ηg＝ηt/cp

式中，ηg为发电机效率，ηt为风力机系统发电效率，cp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。