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简析微观选址中的尾流与湍流影响

2015-08-04 00:01
老猫
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  目前,适用于低风速地区的长叶片、高轮毂、大容量的风力发电机组技术发展迅速,这不但使对风力发电机组尾流效应和风电场湍流特性的理解变得愈发重要,也对风电场的微观选址提出了更高的要求。如何找到风电场的最佳排布,有效的控制风险,获得最优的发电效益,是目前急需研究解决的问题。

  一、风力发电机组的湍流

  湍流是流体的一种流动状态。对于风电场来说,湍流表示瞬时风速偏离均值的程度,是评价气流稳定程度的指标。风电场内的障碍物不仅会降低风速,还会在障碍物附近形成大量湍流。如下图所示,障碍物附近产生了湍流区,而且下风向的湍流更剧烈,因此,在微观选址时,要特别注意避开障碍物,尤其是障碍物在主导风向的上风向时。

  在山地风电场微观选址时,风力发电机组附近的小山包都可以当做障碍物来分析。这也就是我们为什么认为山地风电场的山脊要平缓,连绵性好,不能有太大的起伏波动。因为某个突起部分会增加周边风力发电机组的湍流强度,形成我们通常所说的“窝风”现象,不但会影响风力发电机组的安全性,也会对风速造成影响,从而降低发电效益。所以山地风电场微观选址,要特别注意待选点位周边的地形因素,尤其主导风向上是否存在地形突起。

  让我们以下图来举例说明:

  某风电场的主导风向为南风,场内地势起伏较大,山脊的连绵性较好,图中红框圈示的位置均位于较高处,从地形上看适合布置风力发电机组,通过CFD软件的测算,发电效益也不差。但是我们来看第二张图:

  从图上明显可以看出,在这条山脊的南侧跟北侧,各有一个较高的突起,均在遮挡范围内,距离均在1km左右,虽然距离相对较远,作为障碍物的遮蔽效应较小,但仍不建议选择图中红框的位置布置风力发电机组。这种地形情况下,各种软件模型往往无能为力,需要在微观选址时格外注意。对于这样的点位,建议可以在此位置安装雷达或激光测风仪器,进行短期测风,确保湍流强度在风力发电机组的设计范围内,风速的损失在可控的风险范围内。

  障碍物的问题在软件模型中往往较难体现,但却是微观选址时的重要参考,对于类似的因素,需要在现场作业时多加注意,综合考量。

  二、风力发电机组的尾流

  风力发电机组从风中吸收能量进行发电,风吹过风力发电机组后,会在后面形成类似船舶驶过水面的尾流,风速降低了,湍流却会增加。由于尾流的存在,风力发电机组之间必须保持一定的距离,既是出于提高发电量的考虑,也是为了使风力发电机组能够安全运行。因此,研究风电场尾流是优化布置风力发电机组,提高收益的关键。

  风力发电机组的尾流结构包括多个区域,分为近区、中间区和远区,如下图所示:

  每个区的长度取决于风轮直径的大小,同时还与气压、风速和大气稳定度有关,每个区的大致长度为:

  1、近区:长度约为风轮直径的2~4倍;

  2、中间区:长度约为风轮直径的2~3倍;

  3、远区:长度超过5倍风轮直径。

  由于尾流效应对风向的敏感性,主导风向对风力发电机组的排布方案起到决定性作用,在主导风向上,由于近区存在气压差,湍流强度非常大,而且风速损失严重,必须避开此区域。因此,风力发电机组之间的距离至少应该达到中间区的末端,也就是说,在陆地中性大气稳定度情况下,沿着主导风向至少为5倍风轮直径,非主导风向上至少为3倍风轮直径。可以理解为:5倍风轮直径为保证风电场效率的最低要求,3倍风轮直径为风力发电机组间的最小安全距离。

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