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风力发电实验 风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。全球的风能约为2.7×10 8万千瓦，其中可利用的风能为2×10 6万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。随着全球经济的发展，对能源的需求日益增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。 大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。发展风电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。近几年，随着我国的风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。 据2011年4月《国家电网公司促进风电发展白皮书》。截至2010年底，全国风电并网容量2956万千瓦，“十一五”期间年均增速接近100%。2010年，全国风电机组平均利用小时数2097小时。蒙东、蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利用已达到较高水平。预计到2015年，我国风电规模将超过9000万千瓦，2020年将达到1.5亿千瓦以上。 与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年来在风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。 风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人才已成当务之急。 实验内容 实验1 风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系测量 实验2 测量扭曲型可变浆距3叶螺旋桨风轮叶尖速比(与功率系数CP关系 实验3 切入风速到额定风速区间功率调节实验 实验4 额定风速到切出风速区间功率调节实验 － 变浆距调节 实验5 风帆型3叶螺旋桨风轮叶尖速比(与功率系数CP关系的测量 实验6 平板型4叶螺旋桨风轮叶尖速比(与功率系数CP关系的测量 实验原理 1、风能与风速测量 风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。设计规程规定一般应收集有关气象站风速风向30年的系列资料，发电场场址实测资料一年以上。在现有技术及成本条件下，在年平均风速6米以上的场址建风力发电站，可以获得良好的经济效应。风力发电机组的额定风速，也要参考年平均风速设计。 设风速为V1，单位时间通过垂直于气流方向，面积为S的截面的气流动能为： 空气的动能与风速的立方成正比。 （1）式中(为空气密度，由气体状态方程，密度与气压p，绝对温度T的关系为： （2）式中M是气体的摩尔质量，R为普适气体常数。气压会随海拔高度h变化，代入0(C时反映气压随高度变化的恒温气压公式： （3）式在h小于2km时比较准确。将（3）式代入（2）式： （4）式中h的单位为米，在标准大气压下（T=273K，h=0），空气密度值为1.293kg/m3。 （4）式表明海拔高度和温度是影响空气密度的主要因素，它是一种近似计算公式，实际上，即使在同一地点，同一温度，气压与湿度的变化也会影响空气密度值。在不同的书籍中，经常可看到不同的近似公式。 测量风速有多种方式，目前用得较多的是旋转式风速计及热线（片）式风速计。 旋转式风速计是利用风杯或螺旋桨的转速与风速成线性关系的特性，测量风杯或螺旋桨转速，再将其转换成风速显示。旋转式风速计的最佳测量范围是5～40m/s。 热线（片）式风速计有一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的关系，即可制成热线风速计 并网运行是将风电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时风电机组输出的电能必需与电网电能同频率，同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型风电机组大都采用并网运行方式。 发电机由静止的定子和可以旋转的转子两大部分组成，定子和转子一般由铁芯和绕组组成，铁芯的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场的分布，绕组是由表面绝缘的铜线缠绕的金属线圈。 发电机原理可用图1说明。转子励磁线圈通电产生磁场，风轮带动转子转动，定子绕组切割磁力线，感应出电动势，感应电动势的大小与导体与磁场的相对运动速度有关。 风力发电机都是3相电机，图1中定子绕组只画了1相中的1组，对应于一对磁极，若电机中每相定子绕组由空间均匀分布的P组串联的铁芯和绕组组成，则会形成P对磁极。 风力发电常用的发电机有以下3种。 1. 永磁同步直驱发电机 永磁同步电机的转子采用永磁材料制造，省去了转子励磁绕组和相应的励磁电路，无需励磁电源，转子结构比较简单，效率高，是今后电机发展的主流机型之一。 永磁发电机通常由风轮直接驱动发电，没有齿轮箱等中间部件，提高了机组的可靠性，减少了传动损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率比其它发电机更高。 大型风机风轮的转速最高为每分几十转，采用直驱方式，发出