串列风力机尾流场的实验研究

为了合理的布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场的效率,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据.利用轴流式风机提供来流风速,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对两台串列风力机的尾流场进行实验研究,获得尾流区域的速度场、压力场及诱导速度场的分布规律.结果表明,上风向风力机的尾流对下风向风力机的功率有很大的影响,随着串列间距的增大,影响逐渐减小.对于无下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着半径的增大而逐渐减小.而在不同测量断面处,随着测量间距的增大,速度也逐渐减小.对于有下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增大先增大后逐渐减小.对于不同测量断面,随着测量间距和串列间距的增大,在同一角度的速度的变化趋势逐渐减缓.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增大呈下降趋势.而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

基于实测数据的西北地区风电场风场及尾流特性分析

基于西北地区某风电场2015—2016年的风速风向实测数据,分析了风电场风塔的尾流特性,并与现有风力机尾流模型进行了对比分析.在此基础上,对在远尾流场作用下的风速风向、湍流强度、湍流积分尺度、概率密度分布等风场特性进行了详细分析.研究结果表明:现有的Jensen模型、Park-Gauss模型与实际工程中多个尾流作用下的风电场尾流特性存在差异.在多风向多尾流叠加作用下,当风速大于10 m/s时,各风塔湍流强度随着平均风速的增长呈增大趋势,风电场内部风塔湍流强度在低湍流段更加集中,外围风塔湍流强度随平均风速的增大速率略快于内部风塔,而湍流积分尺度随平均风速的增大程度总体慢于内部风塔,且外围风塔实测风速更加接近高斯分布.     

致动盘模型在风电场上的应用

为了提高风力机的利用效率,优化风电场布局,利用实测以及基于致动盘的数值模拟方法,对风电场中多台串列布置的风力机的尾流进行研究,获得尾流的速度场、压力场及各台风力机功率的分布规律.结果表明:致动盘模型能很好地模拟上下游风力机之间功率的损失,但获得的功率小于风电场的实际数据;上下游之间风力机的功率损失达到35%左右,然而随着尾流向下游发展,对下风向风力机功率的影响减弱;风电场排布设计时应避免将风力机串列布置在常年盛行风方向.     

多联绝缘子串阻力系数风洞试验研究

通过风洞试验的方法研究了不同悬式陶瓷绝缘子串和复合绝缘子串的阻力系数在均匀流中随不同风速、风向角、分裂间距的变化规律.试验模型选用实际绝缘子串节段加工而成,具有实际绝缘子串的粗糙表面.试验结果表明:中国规范、IEC标准和欧盟规范采用相同的体型系数来计算悬式陶瓷绝缘子串和复合绝缘子串风荷载是不合理的;在两种类型的多联绝缘子串中,上风向绝缘子串对下风向绝缘子串的尾流干扰角度范围差异较大且下风向绝缘子串受屏蔽效应明显,规范中应考虑上风向绝缘子串的屏蔽效应;在多联绝缘子串中,分裂间距的变化对下风向绝缘子串阻力系数影响明显,下风向绝缘子串的阻力系数随分裂间距的增大而增大,其中下风向的悬式复合绝缘子串阻力系数受分裂间距影响程度大于悬式陶瓷质绝缘子串.     

串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.     

山地风电场稳态输出评估方法研究

由于山体地形的特殊性,加之风电机组间存在相互遮挡,在风速和风向变化时山地风电场的稳态输出波动较大,无法充分利用风能。针对以上问题提出一种山地风电场稳态输出评估方法,该方法首先分别构建了计及尾流效应的山体地形风速模型、风电机组的输出功率模型和随机风向模型。在此基础上,结合ArcGIS开发了一套风电场稳态输出评估系统。通过该系统分析了风速和风向变化对山地风电场稳态输出的影响,找出了最佳风向角和最佳风速范围,从而为山地风电场风电机组的最优布局和提高风电场的风能利用率提供了理论指导。     

基于三次修正Jensen尾流模型的海上风电场布局优化

目前修正的Jensen尾流模型均没有同时修正尾流初始半径和尾流初始风速，无法准确预测海上风电场的实际尾流风速。本文基于二次修正Jensen尾流模型基础上，提出三次修正Jensen尾流模型，并通过海上风电场风洞实验数据验证该修正尾流模型的正确性。其次，考虑全尾流及部分尾流面积，将该三次修正Jensen尾流模型应用到海上风电场的布局优化中，以风力机的坐标及数量为优化变量，以度电成本为优化目标函数，并利用樽海鞘算法对海上风电场的风力机布局进行优化设计。优化结果表明：对比采用改进Jensen模型指导风电场布局，采用三次修正Jensen模型时，风电场的布局更加均匀；对比考虑全尾流的布局，当考虑部分尾流布局时，度电成本降低了2.16%。     

全风向角下小间距双方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了间距比（P/B）为1.5(P为柱心间距，B为方柱边长)、风向角α为0°～90°等条件下双方柱在均匀来流作用下的气动力、流态划分、表面风压和流场特性。研究发现：小间距双方柱流动干扰效应显著，下游柱平均气动力随风向角的变化规律与上游柱和单方柱差异较大，且可能受更大的升力绝对值。将小间距比双方柱绕流分为前角分离流态（α=0°～10°）、分离泡流态（α=20°～30°）、附着流流态（α=40°～60°）及间隙侧分离泡流态（α=70°～90°）四种模式。附着流流态和间隙侧分离泡流态的间隙区出现较强的负压。尾流负压区的强度随风向角先增强后减弱，在α=50°附近达到峰值。前角分离流态时双柱具有一个整体的尾流回流区，而在其他流态下上下游方柱均有独立的回流区。     

客滚船风洞试验与数值计算

为了研究客滚船在不同风向角下的风阻及空气绕流场的特性,对一缩尺比为1∶100的客滚船模型进行了一系列风洞试验。利用CFD技术对船模的绕流场进行数值计算,分析了典型风向角下船模的流场形态,探讨了流场形态对风阻以及艏摇力矩的影响。结果表明,随着风向角的增大,纵向风阻曲线呈现"正弦曲线"的变化规律,同时存在两个方向相反的阻力峰;横向风阻曲线呈现"抛物线"变化规律。客滚船受到的风阻和尾流场的形态有直接关系。     

基于虚拟叶片方法的复杂地形风电场气动性能分析

基于计算机流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法和虚拟叶片(virtul blade method,VBM)方法研究了风力机尾迹与复杂地形的相互作用,以实际风电场为例,分析了造成复杂地形风电场中风力机振动的主要原因,提出了一种基于CFD的快速分析风电场气动性能的方法,比较了雷诺平均(Reynolds-averaged,Navier-Stokes,RANS)和大涡横拟法(large eddy simulation,LES)求解方法在捕捉地形效应和尾迹及预测风电场功率性能方面的差异。研究分析发现,机组尾流和复杂地形效应造成的湍流强度过大是造成该风电场风力机运行时剧烈震动的原因,LES方法预测尾流的延迟衰减和更明显的尾流干扰作用导致风电场的发电量低于RANS方法。RANS方法过度预测湍流,导致湍流动量更快的扩散和尾流快速恢复。因此,CFD结合VBM分析复杂地形条件下风电场气动性能的方法,可实现复杂地形大型风电场性能的快速分析,可应用于风电场相应气动控制策略的制定和复杂地形风电场的微观选址。     

The investigation on computational grids in wind turbine positioning optimization using greedy algorithm

In this paper, the effect of the computational grids on the wind turbine positioning optimization is studied. The linear wake flow model is used to calculate the turbine wake flow. The power law is used to model the power curve of wind turbine. Greedy algorithm with repeated adjustments is introduced to solve the wind turbine positioning problem, with the target of maximizing the total power output of wind farm. Square grid and triangle grid with various orientations are used to discretize the area of wind farm. Three numerical cases are introduced to study the effect of the computational grids on the optimized results. The results show that the optimized power output can be improved through choosing appro- priate grid orientation. The suggested grid orientations for single direction wind case and multi-direction wind case are given.     

基于尾流试验的风电场装机容量估算方法

结合对我国风电场装机容量的现状分析,指出风电场装机容量的确定受政策及主观因素影响较大,缺乏有效的技术手段支持。提出了一种装机容量估算的思路,即:以控制风电场平均尾流损失为目标,由风能资源决定风机排布,继而由风机排布来估算装机容量。为此,基于风机风能利用效率相近的特点,通过引入参考风机并进行尾流试验,给出了在不同风速下风电场风机的推荐排布方式,根据风机额定功率与直径平方的关系,得出了一定技术安装高度上单位面积区域内装机容量的估算方法。结合我国风能资源评估国家标准,给出了对应不同风功率密度等级的场址区域,其50 m高度上单位面积可装机容量的推荐值。提出的估算方法可为风电场建设前期进行装机规模的确定提供参考。     

基于尾流效应的低风速地区风电场布局优化方法

为了减少低风速地区风电场尾流效应对其发电能力的影响,提出一种通过改变风机塔筒高度以提高风电场收益的布局优化方法。首先分析了塔筒高度与风电场年发电量的关系,进而优化风电场主风向上机组塔筒高度,以使轮毂海拔高度呈渐进式增加,实现风电场年发电量提升的同时尾流损失下降的优化目标。最后,使用Wasp10.0风资源评估软件建立风电场模型,与未使用优化方法的风电场进行仿真对比。仿真结果表明,随着主风向上前后排机组轮毂海拔高度差值的不断增加,风电场年发电量不断增加,验证了所提方法的有效性。     

考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算

采用变量变换法拟合了风速频率的三参数weibull分布函数,在风能分布的Jensen和Lissaman模型的基础上,结合风速的频率分布模型与风力发电机组的单机稳态模型,建立了大型并网运行风电场的综合模型.该模型同时考虑了尾流效应和风电场地形因素对不同位置风机风速的影响,得到了考虑以上因素时风电场的输出功率.在此基础上,应用蒙特卡罗法对风电场接入系统进行了随机潮流计算.最后,以40机的风电场为例建立了风电场模型,将此模型引入到IEEE14系统中,通过随机潮流计算得到系统节点电压的概率分布以及风电场输出功率的概率分布,分析了风电场并网运行对系统各节点电压的影响,从而为减小风电接入系统的电压波动提供参考.     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6 m/s到20 m/s的15个工况下原始模型和新模型风力机进行了对比分析,结果表明:在低风速下原始模型和新模型气动性能几乎一样,即新模型对叶片气动性能影响很小,尾流扩散速度也相近;但随着来流风速的增大新模型对风力机气动性能的影响也随之增大,新模型风轮功率比原始模型风轮功率有明显提高,尾流在风轮旋转平面内扩散速度变快,在来流方向传播距离变短.新模型尾流可以减小对下游风力机的影响,提升了风电场风能的利用效率.     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大；整机结构附近有明显的气流扰动变化；停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大；入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

潮流能发电场机组阵列排布方式对产能的影响

 为了研究发电场机组阵列排布方式对产能的影响，通过设置不同的行列间距组合，分析了每种机组阵列排布方式下行列间距对产能的影响及其内在联系。基于Delft3D-Flow模块，建立了斋堂岛水域水动力模型，根据全年平均TSE指数分布确定发电场布置区域，依据斋堂岛水域潮流特性及EMEC标准确定机组垂向放置位置。在选定区域内，通过对比研究25种不同的排布方式，结果显示：在一定范围内，行列间距增大会导致阵列总产能下降，且产能变化逐渐趋于平缓。     

鹦鹉螺等角螺线型风力机数值模拟及建筑扰流分析

为了提高风力机组的整体性能,解决风力机在实际运行中受建筑物影响的问题,利用仿真分析软件Fluent对不同叶片数的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机进行气动性能研究,建立建筑物与风力机组排布模型,分析建筑物扰流特性,对比扰流环境对风力机组转矩性能的影响。结果表明：3个叶片风力机的整体性能更优;建筑物下游出现紊流区域,切向速度明显增加,其附近的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机组转矩性能明显提升,验证了建筑物附近安装鹦鹉螺等角螺线型风力机组的可行性。所提风力机组排布方式可有效提升风力机性能,为风力机结构优化设计和建筑物附近风力机排布提供参考。