本發(fā)明屬于風力機氣動特性及功率特性測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置及方法。

背景技術(shù)：

風能作為一種可再生的清潔能源，現(xiàn)已成為發(fā)展和應(yīng)用最快的新能源之一，利用風能的最主要設(shè)備就是風力機，風輪和發(fā)電機又是風力機的兩個重要組成部分，且風輪的氣動效率和發(fā)電機的發(fā)電效率又直接決定了風力機的風能利用效率，因此需要對風輪的氣動效率和發(fā)電機的發(fā)電效率進行準確測試，目前主要通過風洞實驗來實現(xiàn)。

上述的風洞實驗可分為兩種，第一種是針對風輪的氣動效率進行測試的風洞實驗，第二種是針對風力機整機的發(fā)電效率進行測試的風洞實驗，且兩種風洞實驗是完全獨立進行的。

對于第一種針對風輪的氣動效率進行測試的風洞實驗來說，其僅是用來評估風輪設(shè)計方案優(yōu)劣程度的；對于第二種針對風力機整機的發(fā)電效率進行測試的風洞實驗來說，其僅能夠測得風力機整機的發(fā)電效率，而無法測得風輪的氣動效率和發(fā)電機的發(fā)電效率，因此也無法用來準確評估風輪的氣動效率和發(fā)電機的發(fā)電效率；由于風力機整機的發(fā)電效率是由風輪的氣動效率與發(fā)電機的發(fā)電效率相匹配的結(jié)果，因此通過第二種風洞實驗也難以解決發(fā)電機匹配問題。

目前，發(fā)電機的發(fā)電效率只能通過獨立的兩種風洞實驗所獲取的數(shù)據(jù)計算得到，由于兩種風洞實驗所采用的實驗設(shè)備不同，將不可避免的存在設(shè)備誤差；再有，即使兩種風洞實驗中設(shè)定的風洞風速相同，但實際實驗中的風洞風速的調(diào)節(jié)也會存在隨機誤差；因此，在諸多數(shù)據(jù)誤差的影響下，很難保證發(fā)電機的發(fā)電效率的準確度。由于風洞實驗必須分兩次獨立進行，導(dǎo)致實驗過程費時費力，且實驗效率不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置及方法，僅通過一次實驗過程就可同時獲得風輪的氣動效率和風力機整機的發(fā)電效率，有效避免了采用兩次獨立實驗而存在的各項誤差，不但保證了發(fā)電機的發(fā)電效率的準確度，而且有效提高了實驗效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置，包括底座、風輪、發(fā)電機、扭矩轉(zhuǎn)速儀及功率表；所述底座固定設(shè)置在風洞試驗段中，所述發(fā)電機及扭矩轉(zhuǎn)速儀固定安裝在底座上，扭矩轉(zhuǎn)速儀一端連接有第一傳動軸，所述風輪固定安裝在第一傳動軸上，且風輪位于風洞試驗段來流方向的上游；所述扭矩轉(zhuǎn)速儀另一端連接有第二傳動軸，第二傳動軸與發(fā)電機的電機軸通過聯(lián)軸器相固連；所述功率表與發(fā)電機相連接；所述扭矩轉(zhuǎn)速儀和功率表的數(shù)據(jù)輸出端與計算機相連。

在所述功率表與發(fā)電機之間連接有滑動變阻器，所述發(fā)電機、功率表及滑動變阻器構(gòu)成閉合電路，滑動變阻器作為發(fā)電機的負載。

在所述第一傳動軸、第二傳動軸與底座之間均安裝有軸承支撐座，通過設(shè)置軸承支撐座用以防止第一傳動軸、第二傳動軸在旋轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)變形。

所述第一傳動軸、第二傳動軸、扭矩轉(zhuǎn)速儀、發(fā)電機及風洞試驗段的軸向中心線相重合。

一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的方法，采用了所述的同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置，包括如下步驟：

步驟一：對風洞試驗段內(nèi)的風速進行設(shè)定，并在設(shè)定風速下利用來流驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動；

步驟二：通過扭矩轉(zhuǎn)速儀測量風輪的軸扭矩和轉(zhuǎn)速，通過功率表測量發(fā)電機的輸出功率，將風輪的軸扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)以及發(fā)電機的輸出功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中；

步驟三：利用計算機計算得到風輪的氣動效率、風力機整機的發(fā)電效率以及發(fā)電機的發(fā)電效率。

通過改變滑動變阻器的電阻來改變發(fā)電機的負載，進而改變發(fā)電機和風輪的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)同一風速且不同轉(zhuǎn)速下的風力機氣動效率和發(fā)電效率的測試。

所述風輪的氣動效率通過風能利用系數(shù)隨著尖速比的變化曲線進行評價，風能利用系數(shù)及尖速比的計算公式為

C_p＝2P_M/ρAV³

λ＝wR/V

其中，P_M＝2πnM/60，式中，P_M為風輪機械功率，n為風輪轉(zhuǎn)速，M為風輪軸扭矩，C_P為風能利用系數(shù)，ρ為空氣密度，A為風輪掃掠面積，V為來流風速，λ為尖速比，w為風輪旋轉(zhuǎn)角度速，R為風輪旋轉(zhuǎn)半徑。

所述風力機整機的發(fā)電效率的計算公式為

η_t＝2P_G/ρAV³

式中，η_t為風力機整機發(fā)電效率，P_G為發(fā)電機輸出功率，ρ為空氣密度，A為風輪掃掠面積，V為來流風速。

所述發(fā)電機的發(fā)電效率的計算公式為

η_g＝η_t/C_p

式中，η_g為發(fā)電機發(fā)電效率，η_t為風力機整機發(fā)電效率，C_P為風能利用系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，僅通過一次實驗過程就可同時獲得風輪的氣動效率和風力機整機的發(fā)電效率，有效避免了采用兩次獨立實驗而存在的各項誤差，不但保證了發(fā)電機的發(fā)電效率的準確度，而且有效提高了實驗效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1—底座，2—風輪，3—發(fā)電機，4—扭矩轉(zhuǎn)速儀，5—功率表，6—滑動變阻器，7—風洞試驗段，8—第一傳動軸，9—第二傳動軸，10—聯(lián)軸器，11—軸承支撐座，12—計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1所示，一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置，包括底座1、風輪2、發(fā)電機3、扭矩轉(zhuǎn)速儀4及功率表5；所述底座1固定設(shè)置在風洞試驗段7中，所述發(fā)電機3及扭矩轉(zhuǎn)速儀4固定安裝在底座1上，扭矩轉(zhuǎn)速儀4一端連接有第一傳動軸8，所述風輪2固定安裝在第一傳動軸8上，且風輪2位于風洞試驗段7來流方向的上游；所述扭矩轉(zhuǎn)速儀4另一端連接有第二傳動軸9，第二傳動軸9與發(fā)電機3的電機軸通過聯(lián)軸器10相固連；所述功率表5與發(fā)電機3相連接；所述扭矩轉(zhuǎn)速儀4和功率表5的數(shù)據(jù)輸出端與計算機12相連。

在所述功率表5與發(fā)電機3之間連接有滑動變阻器6，所述發(fā)電機3、功率表5及滑動變阻器6構(gòu)成閉合電路，滑動變阻器6作為發(fā)電機3的負載。

在所述第一傳動軸8、第二傳動軸9與底座1之間均安裝有軸承支撐座11，通過設(shè)置軸承支撐座11用以防止第一傳動軸8、第二傳動軸9在旋轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)變形。

所述第一傳動軸8、第二傳動軸9、扭矩轉(zhuǎn)速儀4、發(fā)電機3及風洞試驗段7的軸向中心線相重合。

一種同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的方法，采用了所述的同步測試風力機氣動效率和發(fā)電效率的裝置，包括如下步驟：

步驟一：對風洞試驗段7內(nèi)的風速進行設(shè)定，并在設(shè)定風速下利用來流驅(qū)動風輪2轉(zhuǎn)動；

步驟二：通過扭矩轉(zhuǎn)速儀4測量風輪2的軸扭矩和轉(zhuǎn)速，通過功率表5測量發(fā)電機3的輸出功率，將風輪2的軸扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)以及發(fā)電機3的輸出功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C12中；

步驟三：利用計算機12計算得到風輪2的氣動效率、風力機整機的發(fā)電效率以及發(fā)電機3的發(fā)電效率。

通過改變滑動變阻器6的電阻來改變發(fā)電機3的負載，進而改變發(fā)電機3和風輪2的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)同一風速且不同轉(zhuǎn)速下的風力機氣動效率和發(fā)電效率的測試。

所述風輪2的氣動效率通過風能利用系數(shù)隨著尖速比的變化曲線進行評價，風能利用系數(shù)及尖速比的計算公式為

C_p＝2P_M/ρAV³

λ＝wR/V

其中，P_M＝2πnM/60，式中，P_M為風輪機械功率，n為風輪轉(zhuǎn)速，M為風輪軸扭矩，C_P為風能利用系數(shù)，ρ為空氣密度，A為風輪掃掠面積，V為來流風速，λ為尖速比，w為風輪旋轉(zhuǎn)角度速，R為風輪旋轉(zhuǎn)半徑。

所述風力機整機的發(fā)電效率的計算公式為

η_t＝2P_G/ρAV³

式中，η_t為風力機整機發(fā)電效率，P_G為發(fā)電機輸出功率，ρ為空氣密度，A為風輪掃掠面積，V為來流風速。

所述發(fā)電機3的發(fā)電效率的計算公式為

η_g＝η_t/C_p

式中，η_g為發(fā)電機發(fā)電效率，η_t為風力機整機發(fā)電效率，C_P為風能利用系數(shù)。

實施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。