專利名稱：垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的耦合技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)交叉耦合試驗(yàn)方法和手段。
背景技術(shù)：
[0002]風(fēng)能作為一種可再生、無(wú)污染的綠色能源，儲(chǔ)量十分豐富，已逐漸成為世界各國(guó)大力開(kāi)發(fā)利用的一種新能源。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在世界的能源總量中所占的比例逐漸提高，風(fēng)電已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快、最具發(fā)展前景的能源開(kāi)發(fā)方式。風(fēng)能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，將會(huì)有效減少石化能源的消耗、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境。垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的三戟消渦風(fēng)輪(申請(qǐng)?zhí)?00810049517. 4，授權(quán)公告號(hào)CN 101260864 B)在垂直軸阻力風(fēng)輪的基礎(chǔ)上采用全新的三戟內(nèi)腔二次風(fēng)能傳遞技術(shù)為垂直軸風(fēng)輪風(fēng)能傳遞提供了新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)手段。失速可控式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(申請(qǐng)?zhí)?00810049516.X，授權(quán)公告號(hào)CN 101539103 B)設(shè)計(jì)的與風(fēng)輪同軸的直接驅(qū)動(dòng)失速可控式永磁風(fēng)力發(fā)電可在較大風(fēng)速范圍內(nèi)進(jìn)行工作并具有失速自控功能，可為電力市場(chǎng)提供新的綠色環(huán)保能源裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電壓控制器(申請(qǐng)?zhí)?00810141502. 0，公開(kāi)公告號(hào)CN101447760)為離網(wǎng)型直驅(qū)式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的電壓控制方案。一種簡(jiǎn)捷型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的風(fēng)洞試驗(yàn)裝置(ZL 2010 2 0253480. X)試圖為垂直軸風(fēng)輪設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的試驗(yàn)性能參數(shù)和發(fā)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)參數(shù)。簡(jiǎn)捷型風(fēng)洞試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低廉，在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)可以模擬風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)探索。而實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該裝置風(fēng)力損失系數(shù)過(guò)大， 不能為垂直軸風(fēng)輪設(shè)計(jì)提供有用的極限設(shè)計(jì)參數(shù)；再者，測(cè)力計(jì)與風(fēng)輪之間采用皮帶連接， 皮帶張緊力、皮帶與風(fēng)輪法蘭之間的摩擦力以及不同的風(fēng)力大小直接影響測(cè)力計(jì)的測(cè)試精度，致使無(wú)法定量分析和確定垂直軸風(fēng)輪的特性參數(shù)。[0003]另外，如何捕獲垂直軸風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用特性？如何根據(jù)風(fēng)輪的輸出性能匹配永磁發(fā)電機(jī)的功能參數(shù)？如何使得電壓控制器能在優(yōu)化充電次數(shù)、充電電壓等參數(shù)的基礎(chǔ)上最大限度將不穩(wěn)定的電功率轉(zhuǎn)化給蓄電池并有效地延長(zhǎng)電池壽命。就有必要從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的全局耦合技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的多場(chǎng)交叉耦合技術(shù)、試驗(yàn)方法和手段進(jìn)行探索追究。將風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作為研究對(duì)象是國(guó)際上近年來(lái)系統(tǒng)集成分析技術(shù)在風(fēng)能技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，用以現(xiàn)有技術(shù)彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，用以系統(tǒng)地測(cè)試整個(gè)風(fēng)力機(jī)組性能，評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)。[0005]本實(shí)用新型的方案一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括風(fēng)洞，風(fēng)洞中設(shè)有速度可控的通風(fēng)機(jī)，風(fēng)洞出口處的風(fēng)場(chǎng)中設(shè)有用于安裝垂直軸風(fēng)輪試件的第一試驗(yàn)臺(tái)，以及用于安裝與垂直軸風(fēng)輪試件傳動(dòng)連接的發(fā)電機(jī)試件的第二試驗(yàn)臺(tái)，用于安裝將發(fā)電機(jī)試件發(fā)出的三相電整流調(diào)壓為直流電的電壓控制器試件的第三試驗(yàn)臺(tái)；所述第一試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速儀，第一試驗(yàn)臺(tái)與第二試驗(yàn)臺(tái)之間設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)輪試件扭矩的扭矩傳感器，第二試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量發(fā)電機(jī)試件輸出電能的三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置；第三試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于檢測(cè)電壓控制器試件輸出電能的電源管理裝置。[0006]所述試驗(yàn)系統(tǒng)還包括一個(gè)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理的上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元與所述風(fēng)速儀、扭矩傳感器、三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置、電源管理裝置通訊連接。所述扭矩傳感器為盤式耦合傳感器，其輸出通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊連接所述數(shù)據(jù)采集單元。 所述三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)所述AD轉(zhuǎn)換模塊連接所述數(shù)據(jù)采集單元。所述電壓控制器試件輸出連接蓄電池，蓄電池通過(guò)逆變器輸出連接負(fù)載箱。所述風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞。[0007]本實(shí)用新型能夠以風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為對(duì)象獲得垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)能一機(jī)械能一電能等多場(chǎng)能量交叉耦合轉(zhuǎn)換過(guò)程中各元器件的性能參數(shù)。[0008]風(fēng)洞裝置由交流變頻調(diào)速器(簡(jiǎn)稱為變頻器)通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)控制來(lái)流風(fēng)速的大小，垂直軸風(fēng)輪試件(專利文件200810049517. 4)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，盤式耦合傳感器(盤式扭矩信號(hào)耦合器)檢測(cè)風(fēng)輪試件的輸出轉(zhuǎn)速、力矩及功率等性能參數(shù)并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊變換為計(jì)算機(jī)可讀式數(shù)字信號(hào)，外傳子永磁發(fā)電機(jī)試件(專利文件200810049516. X)為轉(zhuǎn)換機(jī)械能至電能的器件，三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電流、電壓及功率等性能參數(shù)并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊變換為計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)，通過(guò)盤式耦合傳感器的檢測(cè)值和三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀的檢測(cè)值可計(jì)算出發(fā)電機(jī)試件的轉(zhuǎn)換效率特性，電壓控制器試件 (專利文件200810141502. 0)將不穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)輸出參數(shù)變?yōu)樾铍姵厮璧某潆婋妷汉碗娏鳎娫垂芾硌b置所檢測(cè)得到的電量參數(shù)結(jié)合三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀的測(cè)試值經(jīng)分析計(jì)算便可以掌握電壓控制器試件的效率特性，負(fù)載裝置則是用來(lái)釋放蓄電池的存儲(chǔ)能量，而上位機(jī)系統(tǒng)則是以計(jì)算機(jī)為載體的多場(chǎng)耦合分析的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。[0009]所述的多場(chǎng)交叉耦合的試驗(yàn)設(shè)置變頻器的頻率值并啟動(dòng)之，與變頻器相連的通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在風(fēng)洞的出口處產(chǎn)生一定風(fēng)速的風(fēng)場(chǎng)，設(shè)置在風(fēng)場(chǎng)中的垂直軸風(fēng)輪試件隨之轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，與風(fēng)輪同軸固聯(lián)的外傳子永磁發(fā)電機(jī)試件同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的傳遞轉(zhuǎn)換，外傳子永磁發(fā)電機(jī)試件的輸出電能經(jīng)電壓控制器試件調(diào)整為蓄電池所需的充電能量，蓄電池的存儲(chǔ)能量由負(fù)載裝置釋放。[0010]所述的多場(chǎng)交叉耦合試驗(yàn)的性能參數(shù)有，以掠風(fēng)面積和風(fēng)速來(lái)衡量的風(fēng)能大小 Eff,以盤式耦合傳感器檢測(cè)得到的風(fēng)輪試件轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪力矩來(lái)確定的風(fēng)輪輸出功率&，以三相電參數(shù)測(cè)試儀檢測(cè)得到的發(fā)電機(jī)試件的電壓和電流來(lái)評(píng)價(jià)的發(fā)電機(jī)輸出功率Ee，以電源管理裝置所檢測(cè)得到的電壓控制器試件的電量參數(shù)&。[0011]所述的風(fēng)能功率~可根據(jù)空氣密度P、風(fēng)輪掠風(fēng)面積A和風(fēng)速V來(lái)計(jì)算，[0012]~ = 1 / 2 * P * A * V3 (1)[0013]所述的風(fēng)輪輸出功率&可根據(jù)盤式耦合傳感器所檢測(cè)得到的風(fēng)輪扭矩T和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速η來(lái)計(jì)算，[0014]Em = 2 π / 60 * T * η(2)[0015]所述的發(fā)電機(jī)輸出功率&可根據(jù)盤式耦合傳感器所檢測(cè)得到的發(fā)電機(jī)單相輸出電壓U和電流I來(lái)計(jì)算。當(dāng)負(fù)載為純電阻負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率Ee的計(jì)算公式為[0016]Eg = 3 * U * I(3)[0017]所述的電壓控制器的轉(zhuǎn)換能量&可由蓄電池參數(shù)測(cè)試儀所檢測(cè)得到的輸出電壓U和電流I來(lái)計(jì)算，[0018]Ec = U * I(4)[0019]所述的多場(chǎng)交叉試驗(yàn)的耦合參數(shù)有，垂直軸風(fēng)輪試件的風(fēng)能利用率ηΜ，發(fā)電機(jī)試件的發(fā)電效率、以及電壓控制器試件的工作效率nc。其計(jì)算公式分別如下[0020]nM = Em / Eff * 100% (5)[0021]nG = Eg / Em * 100%(6)[0022]nc = Ec / Eg * 100%(7)[0023]由風(fēng)能利用率曲線(風(fēng)速一 ηΜ特性曲線)捕獲得到的最大風(fēng)能利用率所對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪輸出參數(shù)(轉(zhuǎn)速、力矩和功率)既是外傳子永磁發(fā)電機(jī)磁路計(jì)算與結(jié)構(gòu)確定的耦合設(shè)計(jì)參數(shù)，由發(fā)電機(jī)特性曲線(轉(zhuǎn)速一、特性曲線)得到的最大效率所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出參數(shù)(電流、電壓和功率)就是電壓控制器的輸入設(shè)計(jì)參數(shù)。所述的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)可衡量垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能，其系統(tǒng)整體的效率計(jì)算式為[0024]η = nM * nG * nc(8)[0025]所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能一機(jī)械能一電能等多場(chǎng)交叉耦合試驗(yàn)方法，不僅為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、電壓控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)驗(yàn)證手段，更可為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的各部件之間的耦合匹配參數(shù)確定提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)性能優(yōu)化和耦合技術(shù)分析提供新的試驗(yàn)方法和手段。


[0026]圖1為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)框圖；[0027]圖2為垂直軸風(fēng)輪能量傳遞模型；[0028]圖3為發(fā)電機(jī)能量傳遞模型；[0029]圖4為電壓控制器效率模型；[0030]圖5為回流式風(fēng)洞示意圖。
具體實(shí)施方式
[0031]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。以下，風(fēng)輪是指垂直軸風(fēng)輪，發(fā)電機(jī)是垂直軸永磁發(fā)電機(jī)，風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞。如圖5所示，風(fēng)洞中A為風(fēng)場(chǎng)，B為通風(fēng)機(jī)， C為蜂窩器，D為阻尼網(wǎng)。[0032]圖1為本實(shí)用新型的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，動(dòng)力電源經(jīng)變頻器1后為風(fēng)洞2的驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)提供交流變頻電源，風(fēng)洞2為多場(chǎng)耦合試驗(yàn)提供所需的模擬風(fēng)場(chǎng)參數(shù)(層流均勻的來(lái)流風(fēng)速V)。垂直軸風(fēng)輪試件3在來(lái)流風(fēng)速V的作用下將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，永磁發(fā)電機(jī)試件4將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電壓控制器試件5則將不穩(wěn)定的電能調(diào)制為蓄電池 10所需的穩(wěn)定電源。蓄電池10所存儲(chǔ)的電能則經(jīng)過(guò)逆變器11由負(fù)載箱8吸收。電源管理裝置是指蓄電池的電源管理系統(tǒng)(BMS )。[0033]回流式風(fēng)洞2的輸出特性由風(fēng)速計(jì)9來(lái)檢測(cè)，其檢測(cè)參數(shù)(風(fēng)速V)通過(guò)RS232C通訊方式傳輸給數(shù)據(jù)采集單元15。垂直軸風(fēng)輪試件3的輸出特性由盤式耦合傳感器6檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速η、扭矩T及機(jī)械功率&等參量經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器14傳送給數(shù)據(jù)采集單元15。永磁發(fā)電機(jī)試件4的輸出特性由三相電參數(shù)測(cè)試儀7來(lái)檢測(cè)，其特性參數(shù)電壓U、電流I及電功率&等參量經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器14輸送給數(shù)據(jù)采集單元15。電壓控制器試件5的輸出特性則由電源管理裝置13將直流電壓參數(shù)和電流參數(shù)等通過(guò)RS232C通訊方式傳輸給數(shù)據(jù)采集單元15。數(shù)據(jù)采集單元15完成風(fēng)能一機(jī)械能一電能等多場(chǎng)交叉能量轉(zhuǎn)換的性能參數(shù)的數(shù)據(jù)分析和耦合試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告等工作。[0034]圖2為垂直軸風(fēng)輪試件3的輸入輸出特性計(jì)算模型，根據(jù)試驗(yàn)風(fēng)輪的直徑和高度尺寸可以確定風(fēng)輪掠風(fēng)面積A，則試驗(yàn)垂直軸風(fēng)輪試件3的輸入風(fēng)能~可由式(1)來(lái)計(jì)算， 而輸出機(jī)械能&可根據(jù)由盤式耦合傳感器6得來(lái)的風(fēng)輪扭矩T和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速η代入式(2)得到。在不同頻率條件下所對(duì)應(yīng)的不同風(fēng)速這一系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，相對(duì)應(yīng)的垂直軸風(fēng)輪試件的風(fēng)能利用率nM可根據(jù)式(5)求得，從而可繪制出垂直軸風(fēng)輪試件3的風(fēng)能利用率曲線(V— nM特性曲線)。由ν— nM特性曲線上的拐點(diǎn)極值即為最大風(fēng)能利用率捕獲值，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪扭矩T、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速η和功率&就是永磁發(fā)電機(jī)試件4的磁路計(jì)算與結(jié)構(gòu)確定的耦合設(shè)計(jì)參數(shù)。[0035]圖3為永磁發(fā)電機(jī)試件4的輸入輸出特性計(jì)算模型，其輸入能量即為垂直軸風(fēng)輪試件3的輸出機(jī)械能Εμ，而輸出電能&可根據(jù)由三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀7測(cè)來(lái)的發(fā)電機(jī)單相輸出電壓U和電流I代入式(3)而得到。按照式(6)求得發(fā)電機(jī)4的發(fā)電效率Iie后便可繪制出永磁發(fā)電機(jī)試件4的特性曲線(η_ η e特性曲線)。由n_ η e特性曲線上的拐點(diǎn)極值即為發(fā)電機(jī)的最大功率輸出值，其對(duì)應(yīng)的電壓U、電流I和功率&就成為電壓控制器試件5的電路設(shè)計(jì)與性能仿真的耦合設(shè)計(jì)參數(shù)。[0036]圖4為電壓控制器試件5的輸入輸出特性計(jì)算模型，它的輸入即為永磁發(fā)電機(jī)試件4的三相不穩(wěn)定電源，輸出則是蓄電池所需的充電電壓和充電電流。其輸入電功率即為電壓控制器試件5的輸出能量&，而輸出能量&可根據(jù)由電源管理裝置所檢測(cè)得到的輸出電壓U和電流I代入式(4)而得到。由式(7)便可計(jì)算出電壓控制器試件5的工作效率η。。[0037]對(duì)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能，可根據(jù)多場(chǎng)耦合試驗(yàn)的結(jié)果由式(8)計(jì)算出的試驗(yàn)系統(tǒng)的整機(jī)效率。[0038]試驗(yàn)步驟[0039]第1步風(fēng)輪試驗(yàn)，通過(guò)耦合傳感器測(cè)試風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，輸入檢測(cè)量為風(fēng)速 (可計(jì)算出風(fēng)能)，輸出檢測(cè)量為扭矩、轉(zhuǎn)速(可計(jì)算出機(jī)械動(dòng)能)。[0040]此試驗(yàn)可評(píng)估出風(fēng)輪效率曲線(風(fēng)速為橫坐標(biāo)軸和風(fēng)輪效率為縱坐標(biāo)軸之間的關(guān)系曲線)。同時(shí)可將風(fēng)輪的啟動(dòng)扭矩、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(小型風(fēng)機(jī)常用的是風(fēng)速在lOm/s時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速)以及該轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的功率作為發(fā)電機(jī)的原始設(shè)計(jì)參數(shù)。風(fēng)輪效率曲線中的最佳效率點(diǎn)如果和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)還需要改變風(fēng)輪幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)整。所需試驗(yàn)設(shè)備有 風(fēng)洞和風(fēng)輪試驗(yàn)臺(tái)。測(cè)試儀器有風(fēng)速儀和耦合傳感器。[0041]耦合傳感器連接上位機(jī)系統(tǒng)的RS232C接口，直接將試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、扭矩和功率的參數(shù)值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。[0042]第2步發(fā)電機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)耦合傳感器測(cè)試發(fā)電機(jī)的輸入?yún)?shù)(扭矩、轉(zhuǎn)速和功率)、三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試發(fā)電機(jī)的輸出參數(shù)(電流、電壓和電功率)。此試驗(yàn)可評(píng)估出發(fā)電機(jī)效率曲線(轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)軸和發(fā)電機(jī)效率為縱坐標(biāo)軸之間的關(guān)系曲線)。本試驗(yàn)所需試驗(yàn)設(shè)備有變頻器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)試件和電阻負(fù)載。測(cè)試儀器有耦合傳感器和三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀。本試驗(yàn)和風(fēng)輪試驗(yàn)可以共享整套設(shè)備、也可以單獨(dú)構(gòu)建。[0043]第3步電壓控制器試驗(yàn)，通過(guò)三相綜合電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試控制器的輸入?yún)?shù)(電流、電壓。電功率=發(fā)電機(jī)的輸出參數(shù))、蓄電池參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試控制器的輸出參數(shù)(電流、 電壓和電功率)。此試驗(yàn)可評(píng)估出電壓控制試驗(yàn)的效率曲線(轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)軸和電壓控制試驗(yàn)效率為縱坐標(biāo)軸之間的關(guān)系曲線)。本試驗(yàn)需要和發(fā)電機(jī)試驗(yàn)配合進(jìn)行，未安裝電壓控制試驗(yàn)時(shí)作電機(jī)試驗(yàn)，安裝電壓控制試驗(yàn)后作本試驗(yàn)。[0044]第4步參數(shù)分析。需要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)，綜合分析風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和控制器的部件性能，通過(guò)各自的效率曲線估算出發(fā)電機(jī)組的整體性能，改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)，為整機(jī)耦合試驗(yàn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。[0045]第5步整機(jī)試驗(yàn)，組裝風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、控制器、蓄電池為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)，在風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)模擬試驗(yàn)。輸入檢測(cè)量為風(fēng)速(可計(jì)算出風(fēng)能)，輸出檢測(cè)量為電功率。此試驗(yàn)可評(píng)估出風(fēng)機(jī)效率曲線(風(fēng)速為橫坐標(biāo)軸和效率為縱坐標(biāo)軸之間的關(guān)系曲線)，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性曲線可以判斷出整體耦合最佳性能。[0046]第1步到第4步主要考慮的是元器件在設(shè)計(jì)階段需要分析，使得部件性能首先達(dá)到最優(yōu)。只有分析結(jié)束后才有能有效地進(jìn)入第5步的系統(tǒng)集成階段。[0047]最佳效率點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路為，通過(guò)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)分析并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可以獲得風(fēng)輪的效率曲線。根據(jù)風(fēng)輪效率曲線的最佳效率工作點(diǎn)估計(jì)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)扭矩、額定轉(zhuǎn)速和功率來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)，盡可能使發(fā)電機(jī)的最佳效率點(diǎn)和風(fēng)輪的最佳效率點(diǎn)吻合。由于實(shí)際上影響因素較多難以實(shí)現(xiàn)同步最優(yōu)，就需要耦合試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)，而后參照試驗(yàn)結(jié)果改變發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析。至于電壓控制器，由于成本低廉而使得后期調(diào)整較為容易實(shí)現(xiàn)。最終的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能就需要本申請(qǐng)?zhí)岢龅鸟詈显囼?yàn)來(lái)檢測(cè)。[0048]需要指出的是1，風(fēng)速是隨機(jī)變量，風(fēng)洞只是模擬試驗(yàn)設(shè)備。將風(fēng)速作為輸入變量進(jìn)行理論計(jì)算其誤差可達(dá)50%。因此，目前常用的方法是計(jì)算流體力學(xué)分析外加試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)衡量，風(fēng)輪性能取決于幾何結(jié)構(gòu)和形狀，其輸出特性也懸殊頗大。風(fēng)輪單體試驗(yàn)的結(jié)果是為發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供耦合匹配的設(shè)計(jì)參數(shù)，其結(jié)果仍需要整體耦合試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)，目的在于通過(guò)耦合使得整體最優(yōu)。2，風(fēng)場(chǎng)選址與評(píng)估是風(fēng)力發(fā)電的第一環(huán)節(jié)，它主要考察風(fēng)能的穩(wěn)定性和持續(xù)性。風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)基本上與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系不大，在強(qiáng)度和剛度滿足要求的前提條件(日本要求極限風(fēng)速為60m/s，英國(guó)在要求極限風(fēng)速為100m/S，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī)定)下，對(duì)于室外設(shè)置的風(fēng)機(jī)，產(chǎn)品安全是首位要考慮的因素。對(duì)特定的氣象資料已掌握的風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速范圍也不受設(shè)計(jì)限制。針對(duì)強(qiáng)大罕見(jiàn)風(fēng)暴，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行采取失速控制措施。目前， 對(duì)于不同的風(fēng)場(chǎng)，主要考慮的是選擇合適容量大小的風(fēng)機(jī)就可以了。
權(quán)利要求1.垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)洞，風(fēng)洞中設(shè)有速度可控的通風(fēng)機(jī)，風(fēng)洞出口處的風(fēng)場(chǎng)中設(shè)有用于安裝垂直軸風(fēng)輪試件的第一試驗(yàn)臺(tái)，以及用于安裝與垂直軸風(fēng)輪試件傳動(dòng)連接的發(fā)電機(jī)試件的第二試驗(yàn)臺(tái)，用于安裝將發(fā)電機(jī)試件發(fā)出的三相電整流調(diào)壓為直流電的電壓控制器試件的第三試驗(yàn)臺(tái)；所述第一試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速儀，第一試驗(yàn)臺(tái)與第二試驗(yàn)臺(tái)之間設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)輪試件扭矩的扭矩傳感器，第二試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量發(fā)電機(jī)試件輸出電能的三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置；第三試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于檢測(cè)電壓控制器試件輸出電能的電源管理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述試驗(yàn)系統(tǒng)還包括一個(gè)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理的上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元與所述風(fēng)速儀、扭矩傳感器、三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置、電源管理裝置通訊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述扭矩傳感器為盤式耦合傳感器，其輸出通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊連接所述數(shù)據(jù)采集單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)所述AD轉(zhuǎn)換模塊連接所述數(shù)據(jù)采集單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓控制器試件輸出連接蓄電池，蓄電池通過(guò)逆變器輸出連接負(fù)載箱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞。
專利摘要一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，包括風(fēng)洞，風(fēng)洞中設(shè)有速度可控的通風(fēng)機(jī)，風(fēng)洞出口處的風(fēng)場(chǎng)中設(shè)有用于安裝垂直軸風(fēng)輪試件的第一試驗(yàn)臺(tái)，以及用于安裝與垂直軸風(fēng)輪試件傳動(dòng)連接的發(fā)電機(jī)試件的第二試驗(yàn)臺(tái)，用于安裝將發(fā)電機(jī)試件發(fā)出的三相電整流調(diào)壓為直流電的電壓控制器試件的第三試驗(yàn)臺(tái)；所述第一試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速儀，第一試驗(yàn)臺(tái)與第二試驗(yàn)臺(tái)之間設(shè)有用于測(cè)量風(fēng)輪試件扭矩的扭矩傳感器，第二試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于測(cè)量發(fā)電機(jī)試件輸出電能的三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置；第三試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有用于檢測(cè)電壓控制器試件輸出電能的電源管理裝置。不僅為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、電壓控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)驗(yàn)證手段，更可為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的各部件之間的耦合匹配參數(shù)確定提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)性能優(yōu)化和耦合技術(shù)分析提供新的試驗(yàn)方法和手段。
文檔編號(hào)G01R31/34GK202305217SQ20112044130
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者宋磊, 張方舟, 張春陽(yáng), 徐蕭, 楊宗霄, 楊航航, 王隆彪 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)