徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

    2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

                                                   

徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

题目：探究影响风力发电机发电功率的因素				编号：
课题组成员	组长： 顾彭淏		组员：孟泓锡，刘锡源，吕昊阳
指导教师：潘天文		报告执笔人： 顾彭淏		完成时间：2021/12/20
主导课程：			相关课程：
（一）书面材料
课题成果： 1）  预期的成果： 对风力发电机进行研究，了解它发电功率的影响因素 2） 课题实际取得的成果：  了解风力发电机发电功率的影响因素，在实验中发现并改进不足，培养实践精神，批判能力，动手操作能力
参考书目及资料： 期刊类： [1] 潘艺，周鹏展，王进.风力发电机叶片技术发展概述 [J].株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007 [2] 李志清.浅谈风力发电机的工作原理[J]. 宁夏电力，2010（2）：39-42 论文类 [1] 顾怡红.风力发电机叶片优化设计方法研究[D].杭州：浙江大学，2014. [2] 王飞.小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究[D].南宁：广西大学，2007 [3] 王昊.风力发电功率曲线非线性建模研究[D].内蒙古大学, 2019
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份     访谈表（  ）份            实验记录（1）份 调查表（  ）份         测量数据记录（1）份
（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等      编号：        名称：        制作者：        内容：       功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：

                                                             

 

 

 

 

 

 

探究影响风力发电机发电功率的因素

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

姓    名 顾彭淏

指导教师 潘天文

学    校 徐州市第一中学

日    期 2022年1月6日

 

探究影响风力发电机发电功率的因素

徐州市第一中学   顾彭淏

指导教师     潘天文

 

【摘要】了解风力发电机发电原理，通过实验探究了什么样的叶片能使风力发电机发电功率增大，实验表明硬纸板叶片，在弯度为0.5，安装角为45°，叶片数量为三片时发电功率相较于其他叶片明显增大到330mW，鉴于我国风力发电机前景较好，应大力改进叶片形状，提高风能的利用率，从而改变我国以火力发电为主的现状，促进新型绿色能源的利用，使我国在2060年之前达到碳中和，把我国变成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。

【关键词】风力发电机，发电功率，叶片，弯度，安装角，材料，叶片数量，新能源

 

一．研究背景

目前我们生存的自然环境愈发恶劣，煤炭，石油天然气等不可再生能源资源因大规模利用而日渐枯竭，为了节约能源，我国于2021年9月起开始对部分省市进行限电限产的指令，这对一些以煤炭石油天然气为原料的企业造成重大危机，新能源的大规模推广刻不容缓！

风能是一种洁净的、储量丰富的可再生能源，具有碳排放量少，耗水量少，占地面积少等水力发电，地热能发电和光伏发电不具备的优势。据估计，全球可利用的风能比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。因此，风力发电备受世界各国的关注，目前已在世界上几十个国家得到了广泛的开发和利用。风力发电为目前新能源领域中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。

我国从上世纪50年代就开始了风力发电的研究和实验，截止2009年年底，中国陆地装机已经超过25.0GW，位居全球第二。2015年11月，我国海上最大风力发电机在福建莆田平海湾上安装成功。该风机采用湘电XE128-5000机型，单机容量5MW，转轮直径128米，轮毂中心高度达81米，属于福建莆田平海湾50MW海上风电项目。 2020年10月27日，在距离长江口南支航道0.7海里的风机塔上，东海航海保障中心上海航标处27日顺利完成临港海上风电场AIS(船舶自动识别系统)基站的新建工作，中国首个海上风机塔AIS基站宣告建成。这几个事例激发了我们对风力发电机的探究。鉴于我国风力发电机前景较好，应大力发展风能等绿色能源，从而改变我国以火力发电为主的现状，保护自然环境，使我国在2060年之前达到碳中和，把我国变成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。

随着风力发电项目投产的增加有更多的风电场开始投入使用，风力发电机的效率逐渐受到人们的关注。

如果风力发电机功率过高，风力发电机会超负荷运行，使用寿命变短；如果风力发电机功率过低，风力发电机发电量会减少，从而影响风力发电机厂的发电总量。

风力发电机的工作原理是，风吹动叶片转动，带动发电机转动，发电机提供电力。整个过程中，风能转化为机械能，机械能转化为电能。

所以，风能转化为机械能的效率最高时，发电功率最高（当机械能转化为电能的效率一定时）。忽略摩擦力的影响，我们准备对风力发电机的叶片进行研究，并测量风力发电机的发电功率。

本实验将以风力发电机叶片为探究对象，改变风力发电机叶片的形状等来探究风力发电机发电功率的变化，以此来提高风能的利用率。

 

二．实验材料

风力发电机支架，小风扇，小电机，万用表，鳄鱼夹导线，轮毂，砝码，风力发电机叶片，

硬纸板，剪刀，双面胶，20cm直尺，铅笔

 

三．研究过程

总体思路：通过变量实验，改变变量进行实验，记录实验数据，并对实验数据进行分析，总结。

 

探究不同安装角下发电功率的大小

 

1.将黏在叶片上的木棒插入轮毂0度安装角中

 

2.将剩余两个叶片按照同样方法装上，并将轮毂装入小电机中

 

3.调节万用表，将指针扭转至“200mA”处

 

4.用小风扇从固定方向吹叶片，记录实验数据

 

5.将万用表指针扭转至“200mV”处，记录实验数据

 

6.每个实验重复三次，并记录实验数据，并计算发电功率与平均功率

 

7. 按照步骤1~6进行不同的实验

 

探究不同叶片数量下发电功率的大小

 

1.将黏在叶片上的两个木棒插入轮毂45度安装角中

 

2.将轮毂装入小电机中

 

3.调节万用表，将指针扭转至“200mA”处

 

4.用小风扇从固定方向吹叶片，记录实验数据

 

5.将万用表指针扭转至“200mV”处，记录实验数据

 

6.每个实验重复三次，并记录实验数据，并计算发电功率与平均功率

 

8. 按照步骤1~6进行不同的实验

 

四．结果与分析

 

 

图一

 

 

图二

①风力发电机发电功率与安装角度的关系

在0°，45°，90°三种安装角下，发电功率最大的角度为45°，安装脚为0°时，发电功率最小。分析原因为：在安装角为45°时，薄板与气流方向有夹角，气流在薄板前段分离，绕过薄板上下两面，形成压力差，产生升力，叶片转动，产生电流；当安装角为90°时，理论上薄板与气流方向平行，薄板上下表面受到的压力为0，总的总用为0，叶片不发生转动。当安装角为0°时，薄板与气流方向垂直，此情况下，薄板受到的阻力最大，实验中叶片不转动。

②风力发电机发电功率与叶片数量的关系

从实验结果来看，随叶片数量的增加发电功率增大，因为叶片数量越多，风轮从中获得的能量就越大，电能转化量越大，生活中常见的风力发电机叶片数量为3，主要原因是为了提高风力发电机的风能转换效率。风力发电机叶片数越少，则动力率下转速越高。同时考虑重心稳定、外观美观以及成本适中的问题，三叶片是现今实践得出最实用的水平轴风力发电机。

拓展试验

探究风力发电机发电功率与叶片材料，叶片形状，叶片弯度的关系

 

测量风力发电机发电功率与叶片材料的关系

 

实验开始，将三片木板叶片装入45°安装角中

 

实验中测量发电功率大小

 

实验后记录数据，重复三次实验

 

再将木板叶片换成硬纸板叶片，重复实验

 

测量风力发电机发电功率与叶片面积的关系

 

实验开始，将三片弯度为0.5的硬纸板叶片装入45°安装角中

 

实验中测量发电功率大小

 

实验后记录数据，重复三次实验

 

再将弯度为0.5的叶片换成弯度为0.25和1的叶片，重复实验

 

 

 

图三

图四

注：此处叶片弦长均为11.5cm，最大厚度位置均为2cm。

由于叶片面积随弯度增大而增大，所以此处将叶片面积用弯度（中弧线离弦线的最大距离与弦长度的比值）表示。

 

③风力发电机发电功率与叶片材料有关，由硬纸板等质轻，坚硬材料制成叶片的发电功率比木板制成叶片的发电功率大

 

④风力发电机发电功率与叶片面积有关，在弦长和最大厚度确定时，发电功率随叶片面积（弯度）的增大先增大后减小。叶片面积随弯度增大而增大，叶片面积较小时，与风的接触面积较小，相对于面积较大的叶片接受风的量也较少，但当叶片面积增大时，质量也有一定的增加，风需要用更大的力吹动叶片，效率会有所降低。

 

五．结论

  通过实验数据得，风力发电机发电功率很容易受到其他变量的改变而变化，经实验分析所得，硬纸板叶片，在弯度为0.5，安装角45°，叶片数量为三片时发电功率相较于其他叶片明显增大到330mW。

 

六．总结展望

总结：实验采用控制变量法，通过改变一个物理量来探究发电功率大小的变化

实验中通过制造不同形状的叶片，提高了动手能力，通过绘制条形统计图对数据有了更为清晰客观鲜明的认识

不足：实验中还存在对于风的方向未能较为精确的把握，自己制造的叶片也存在精度误差，也没有考虑空气密度，空气粘度，没有对立体叶片发电功率的大小进行进一步探究

展望：以后有时间对风力发电机发电功率进行更精确的测量，并进一步探究立体叶片对风力发电机发电功率大小的影响

 

七．参考文献

期刊类：

【1】 潘艺，周鹏展，王进.风力发电机叶片技术发展概述 【J】.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007

【2】 李志清.浅谈风力发电机的工作原理【J】. 宁夏电力，2010（2）：39-42

论文类

【1】 顾怡红.风力发电机叶片优化设计方法研究【D】.杭州：浙江大学，2014.

【2】 王飞.小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究【D】.南宁：广西大学，2007

【3】 王昊.风力发电功率曲线非线性建模研究【D】.内蒙古大学,2019.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

八．附录