吴 斌 刘耀昌 田冰涛 王 颖 徐正兴 陈东生

(上海电力学院数理学院 上海 201300)

1 引言

当今世界正面临着能源危机，随着新能源研究的推进与深入，风力发电得到了很好的普及.一个风力发电机组运用到多种原理知识，如电磁感应、流体力学及电能储存技术等等.为了更好地探究风力发电机发电的模式和特性，学好风力发电机的原理、工作方法及风力发电过程，我们自制了一台小型风力发电机，并发掘了以它为载体的一些应用性实验.

2 流体力学原理

此风力发电机的设计关键在于风叶的设计，发电机依靠风叶将风能转化为机械能.风叶的设计涉及到流体力学原理，其原理如图1所示.

图1 风叶受力原理图

当气流流经图1 所示形状的叶片时，叶片上方的气流速度增大，而叶片下方气流的速度几乎保持与原来相同，由于气流速度的不一致，会在叶片的上、下方产生压强差，从而产生向上的升力Fy，方向与气流方向垂直；又由于风的冲力，叶片受到向右的力Fx，方向与气流的方向一致，于是叶片受到总的作用力F[1,2].在该力的作用下，风力发电机的叶轮带动发电机工作，从而产生电能[3].

3 风力发电装置的制作

考虑到取材的方便性,制作的简便性，我们采用废旧的饮料瓶作为叶片材料，叶片数量为3片,结构如图2所示，一般实际应用的风机为2～3[4]片.制作时，首先将饮料瓶沿瓶的轴线方向切成大小相似的3片，再用剪刀截成凸起的矩形，然后截去一半，留下一头作固定之用，固定时使凸面朝上.当其受到风的作用时即可形成与图1相类似的力场.将风力发电机的叶轮套在直流发电机上即可组成风力发电机.

图2 风叶设计图

4 风力发电机的特性研究

图3为发电机最终结构，主要由3大部分组成，风叶、直流发电机、底座.风叶根据流体力学设计，当气流经过时，叶轮旋转，带动发电机转子转动而切割磁感线，产生感应电流[5].整个过程是先把风能转化为机械能，再把机械能转化为电能，这些都和真实的风力发电机无异.下面应用此风力发电机，探究其输出功率与负载大小的关系，图4为实验原理图.

图3 实物结构图

图4 实验原理图

风力发电机产生电能，并输出功率.当改变负载时(此处为电阻)，发电机的输出功率也随之变化，输出功率和电阻大小之间存在着某种关系.在风速为8 m/s时测定的数据如表1所示.

表1 发电机输出功率与负载大小的关系

由表1可得如图5所示的电阻大小与输出功率关系图像.

从图5可以看出，随着电阻的增大，发电机的输出功率图线先上升后下降，存在着峰值功率，即当电阻值在90 Ω左右时，发电机的输出功率可达到最大值.这与实际的风力发电具有同样的特性.由此可以看出，我们自制的风力发电机对于定性分析风力发电特性还是具有一定可行性的.

图5 电阻大小与输出功率的关系

5 扩展性研究

若此发电机的各部分组件能够精密制作，则可以当作测量风速的风速仪.由于风速不同发电机产生的电压不同，我们可以根据发电机工作时产生的电压大小与风速之间的关系确定风速的大小.

此演示仪还可以作为废风能回收装置，收集某些排气设备的风能，如收集空调排风口的风，使能源可以二次利用，节约能源.目前，空调室外排风器排出的风能都被大量浪费，此发电机可以安装在空调排风扇外，接收空调风扇排出的废弃风能，实现空调废弃风能的二次利用，提高能源的利用率.设计示意图如图6所示.

图6 空调废风能回收装置设计示意图

6 结束语

此风力发电机结构简单，制作方便，特别适合想探究风力发电机性能却又没有条件的学生使用.这不仅给我们一个认识、理解、应用风力发电的机会，而且能培养我们的动手能力、创新能力，让我们在实践中学习，培养我们的创新意识.

参考文献

1 林闽，张崇巍，张艳红,等. 小型风力发电机叶轮设计.风机技术，2007(1):28～30

2 姚兴佳，王士荣，董丽萍. 风力机的工作原理.技术讲座，2006(2):87～89

3 李滨波，段向阳. 风力发电机原理及风力发电技术.湖北电力,2007,31(6):54～55

4 S J Appleyard . Constructing a plastic bottle wind turbine as a practical aid for learning about using wind energy to generate electricity Physics Education, 2009,44(4):379～382

5 Mathew, Sathyajith. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Netherlands,Springerlink,2006