風(fēng)力機(jī)尾流對風(fēng)電機(jī)組排布的影響研究

金 盛

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆新能源新風(fēng)投資開發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

能源是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類生活必須的物質(zhì)保證，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高離不開能源的消耗。近年來，在不斷開發(fā)、研究各種可再生能源中，風(fēng)能因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)越來越受到世界各國的青睞，已成為世界上發(fā)展最為迅速的能源之一，預(yù)計(jì)今后5年內(nèi)風(fēng)能的增長率將達(dá)到20%[1]。風(fēng)能與傳統(tǒng)化石能源如石油、煤等不同，既不會(huì)枯竭，也不會(huì)對環(huán)境造成污染。風(fēng)能的經(jīng)濟(jì)性隨著科技的發(fā)展也在快速提高，大多數(shù)能源的使用成本在不斷上漲，而風(fēng)能的成本卻在下降。進(jìn)入21世紀(jì)后，風(fēng)能成為世界范圍內(nèi)技術(shù)上最成熟、商業(yè)上最成功的新興清潔、可再生能源之一。全球風(fēng)電裝機(jī)大幅度增長，截至2017年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到514GW。我國的風(fēng)力發(fā)電起步較晚，于20 世紀(jì)70年代才慢慢開始逐漸被人們所熟知，近10年來隨著我國為了扶持新能源發(fā)展而出臺(tái)的一系列政策，我國新能源出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，尤其是風(fēng)力發(fā)電在這方面體現(xiàn)的尤為突出。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年全國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了163670MW。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中布置存在的問題

隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量越來越大，隨之相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組的葉片也越來越長，掃風(fēng)面積逐漸增大；由于風(fēng)資源較好地地區(qū)位置有限，為了達(dá)到最佳的土地利用率，風(fēng)電場也逐漸向集群式發(fā)展，一個(gè)大型風(fēng)電場的機(jī)組數(shù)量往往可以達(dá)到幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)。大容量風(fēng)電機(jī)組、大規(guī)模集群式風(fēng)電場逐漸成為當(dāng)今風(fēng)電開發(fā)的主流，而這必將帶來一些新的空氣動(dòng)力學(xué)問題[7]。布置在下風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速要在一定程度上小于布置在上風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速，同時(shí)在布局中，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布局越相近，則上風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對鄰近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的流經(jīng)風(fēng)速影響越大，這種現(xiàn)象被稱之為尾流效應(yīng)力，不僅降低風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，也會(huì)影響葉輪的使用壽命。

3 關(guān)于風(fēng)機(jī)尾流研究現(xiàn)狀

為消除或是減弱對化石能源的影響，大規(guī)模應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電逐漸受到世界各國的重視。風(fēng)力機(jī)與大型風(fēng)電場尾流效應(yīng)等問題被學(xué)者們所重視、研究。經(jīng)過30 多年的研究，人們對風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了可喜的研究成果，開創(chuàng)出許多行之有效的研究方法，對減少由于風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)造成風(fēng)電場的總輸出功率降低、下游風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷增加、使用壽命縮短和結(jié)構(gòu)性能變差等方面的影響做出了重大貢獻(xiàn)，主要有風(fēng)電場實(shí)地測量和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)兩種方法。本文根據(jù)丹麥國家實(shí)驗(yàn)室的N.O.Jensen 提出Jensen 模型及動(dòng)量理論推導(dǎo)出Jensen尾流模型，同時(shí)與實(shí)際風(fēng)電場中風(fēng)電機(jī)組尾流場相結(jié)合，對Jensen 尾流模型進(jìn)行修正，得到改進(jìn)Jensen 尾流模型，編寫為計(jì)算程序，得出風(fēng)電機(jī)組尾流影響曲線。同時(shí)建立風(fēng)速模型，擬合出風(fēng)速曲線，考慮尾流影響下的風(fēng)速與輸出功率，與未受尾流影響的風(fēng)速與輸出功率對比、分析，得到本文所建立的Jensen 尾流模型能夠在一定程度上幫助大型風(fēng)電場的尾流效應(yīng)研究。

4 風(fēng)力機(jī)尾流模型的求解及參數(shù)分析

4.1 風(fēng)力機(jī)尾流Jensen 模型

在1983年，丹麥國家實(shí)驗(yàn)室的N.O.Jensen 基于尾流初始直徑為風(fēng)輪直徑、尾流增長速率呈線性關(guān)系、尾流橫向剖面上的速度是均勻的等假設(shè)條件，提出了一種尾流模型——Jensen 模型[5]，該模型示意圖如圖1 所示。適用于在平坦地形上的風(fēng)力機(jī)。

圖1 Jensen 尾流模型示意圖

在圖1 Jensen 尾流模型示意圖中，v0為上游來風(fēng)的風(fēng)速；u 為風(fēng)輪平面處氣流的速度；r0為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑；x 為風(fēng)力機(jī)下游的距離；v3為風(fēng)力機(jī)下游距離為x 處尾流區(qū)的風(fēng)速；r 為風(fēng)力機(jī)下游距離為x 處尾流區(qū)的尾流橫截面半徑。

Jensen 尾流模型表示為：

在式（1）中，常數(shù) α≈0.1，經(jīng)過 N.O.Jensen 研究，將常數(shù) α 精確至 0.07[5]。

4.2 改進(jìn)Jensen 尾流模型

將Jensen 模型編寫為計(jì)算程序，按照相應(yīng)條件計(jì)算風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2、3、4 所示。

從圖2、3、4 可以看出，常數(shù)α 的正確選擇會(huì)直接影響到對風(fēng)機(jī)尾流曲線的描述，所以如何正確選擇常數(shù)α顯得尤為重要。本文根據(jù)N.O.Jensen 的研究，將常數(shù)α 精確至0.07[5]。

改進(jìn)Jensen 尾流模型表示為：

將Jensen 改進(jìn)模型模型編寫為計(jì)算程序，按照相應(yīng)條件計(jì)算風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5。

5 風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證改進(jìn)Jensen 尾流模型能夠運(yùn)用于實(shí)際風(fēng)電工程建設(shè)，本文選取位于哈密三塘湖某風(fēng)電場作為研究對象，以該風(fēng)電場的測風(fēng)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，將風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)速代入改進(jìn)Jensen 尾流模型，采用H93-2000 的機(jī)型修改兩列之間的間隔排布，即采用5D，6D，7D，8D，9D，10D（其中 D=93m），分析不同間隔風(fēng)機(jī)排布對尾流效應(yīng)及發(fā)電量的影響。不同間隔排布下尾流及發(fā)電量情況見表1。

從表1 中可以看出，隨著間距的增大，發(fā)電量逐漸增大，尾流逐漸減小?？梢钥闯龅诙诺奈擦髯兓^大，在實(shí)際工程中，應(yīng)保證尾流小于8%，因此在實(shí)際工程中應(yīng)該將間隔控制到8D 以上（D 為風(fēng)輪直徑）。

通過對實(shí)際工程中發(fā)電量的分析，從而得出了以下幾個(gè)結(jié)論：（1）通過實(shí)際測風(fēng)數(shù)據(jù)分析，考慮尾流效應(yīng)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)較后面的風(fēng)機(jī)受前面風(fēng)機(jī)的影響風(fēng)速下降較多，對輸出功率的影響也就更大；且風(fēng)機(jī)葉片越大對后排風(fēng)機(jī)的影響也就越大。（2）對于采用兩種以上機(jī)型的風(fēng)場，將葉輪直徑較小的風(fēng)機(jī)排布在葉輪直徑大的風(fēng)機(jī)前面，這樣有利于降低風(fēng)電場的尾流效應(yīng)，但是大葉片的風(fēng)機(jī)對于提高風(fēng)場的發(fā)電量有一定的好處，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮發(fā)電量與尾流效應(yīng)的影響，合理安排風(fēng)機(jī)排布。（3）平坦地形的風(fēng)電場在布置風(fēng)機(jī)時(shí)，可沿主風(fēng)向錯(cuò)列排布風(fēng)機(jī)，前后排風(fēng)機(jī)間距應(yīng)大于8 倍風(fēng)機(jī)直徑，這樣排布可使風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)較小，滿足實(shí)際工程的需要。（4）平坦地形條件下運(yùn)用軟件計(jì)算的風(fēng)力機(jī)發(fā)電量與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相差較小。

圖2 Jensen 尾流模型（α≈0.1）

圖3 Jensen 尾流模型（α≈0.7）

圖4 等于0.1 與等于0.07 曲線對比

圖5 改進(jìn)Jensen 尾流模型

表1 不同間隔排布下發(fā)電量及尾流統(tǒng)計(jì)表