尖速比对风力发电机发电效率的影响
摘要：本文采用实验和数值分析相结合的方法，针对影响风力发电机输出性能的尖速比因素进行研究，通过尖速比的变化对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数的影响分析，找到了尖速比对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数影响程度，为设计或制造提供参考。
关键词：风力发电机；尖速比；发电效率；影响
The influence of tip speed ratio on the wind turbine power generation efficiency
GaoFeng，Inner Mongolia Energy Investment Group New Energy Co.，Ltd，010020
Abstract
This paper adopts the method of combining experimental and numerical analysis，conducts the research in view of tip speed ratio influence factors of the wind generator output performance，by changing the tip speed ratio of wind turbine output power，current，voltage and the influence coefficient of utilization of wind energy analysis，found the tip speed ratio of wind generator output power，current and voltage and the wind energy utilization coefficient influence，provides the reference for the design and manufacturing.
Key words：wind power generator；tip speed ratio；power efficiency；influence
引言
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。
风力发电机组的规模化发展是风能利用的主要形式。
风电场场址一般选在风力资源丰富的地区，主要是偏僻的山区以及东部沿海地区，场址地区环境条件十分恶劣，风速在大范围内随机发生变化，风电机组在一些地区还要时常受飓风的侵袭，会对风电机组产生很大的冲击。
叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。
它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。
针对风轮与发电机的匹配性的研究也就是考虑小型风力发电机最优输出特性[1-3]。
本文采用400W永磁直驱小型风力发电机为实验对象，分析尖速比对风力发电机输出功率、电流、电压、风能利用系数的影响。
1.功率输出分析
同一个叶片在不同的风速下其功率变化规律如图1。
（a）一号电机4号叶片
（b）四号电机5号叶片
图1 风力发电机功率曲线图
Fig.1 Wind turbine power curve
由上图可知，随着风速的增大风轮的功率也随着增大，当尖速比增加时，功率先增加后减小，从图上可看出最佳尖速比在6到7之间。
下面来分析在不同风叶片上功率的变化曲线（图2），分析功率与尖速比的关系。
（a）7m/s不同风轮输出功率
（b）9m/s不同风轮输出功率
图2 不同风轮输出功率曲线图
Fig.2 Different wind turbine output power curve
由图1和2可以得出风轮输出功率P随尖速比的增大而增大，当达到最大值后输出功率随转速的增大而有下降的趋势，最佳尖速比是7。
2.电流分析
为了充分分析电流和风速的关系及电流和尖速比的关系，电流是否与叶片和电机有关系，因此由实验数据可得图3。
（a）一号电机4号叶片
（b）一号电机5号叶片
（c）四号电机4号叶片
（d）四号电机5号叶片
图3 风力发电机电流曲线图
Fig.3 Wind turbine current curve
从图3可以看出，风速不同时，风速大的其起始电流也大，风速小的则起始风速小。
由此可知，风力发电机输出电流与通过风轮的风速成正比关系。
由图（b）和（d）可知，当风速为10m/s时，一号电机五号叶片的电流最大为8.5A，而四号电机五号叶片电流最大为 4.6A。
则可知风力发电机的电流与电机有关，不同电机其输出功率不同。
当电机为一号电机时最大电流对应的尖速比为5.5，当电机为四号电机是最大电流对应的尖速比为4.5。
验证了最大电流输出对应的尖速比与叶片无关只与发电机的种类有关[4]。
3.电压分析
分析电压与风速的关系和电压与尖速比的关系，分析电压与叶片有关还是与电机有关，见图4。
（a）一号电机4号叶片
（b）一号电机5号叶片
（c）四号电机4号叶片
（d）四号电机5号叶片
图4 风力发电机电压曲线图
Fig.4 Wind generator voltage curves。