基于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)機(jī)尾流特征分析

溫建民,張新旺,陳 鋒,陳 軍

(烏魯木齊金風(fēng)天翼風(fēng)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是主要的可再生能源之一，目前其應(yīng)用越來越廣泛。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠產(chǎn)生看不見的尾流，而尾流會(huì)對(duì)下風(fēng)向的風(fēng)機(jī)發(fā)電量及機(jī)械載荷產(chǎn)生一定的影響。據(jù)相關(guān)研究，風(fēng)力機(jī)完全處于尾流區(qū)運(yùn)行時(shí)，功率損失可達(dá)30%～40%[1],載荷增加高達(dá)10%～45%[2]。風(fēng)機(jī)相互間距越近，尾流效應(yīng)越明顯，機(jī)組的能量損失也就越多，對(duì)下風(fēng)向風(fēng)機(jī)載荷的影響也越大。

一般來講，對(duì)風(fēng)機(jī)尾流的研究分為三類，即試驗(yàn)研究、半經(jīng)驗(yàn)尾流模型研究以及基于數(shù)值模擬的方法研究[3]。Alfredsson等[4]在瑞典航空研究院(FFA)通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來模擬研究風(fēng)機(jī)尾流。最經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)尾流模型是1982年RisΦ實(shí)驗(yàn)室提出的Jensen模型，它是基于貝茨極限理論和質(zhì)量守恒定律提出的，是一種適用于平坦地形的尾流模型[5，6]。除Jensen模型外，比較著名的半經(jīng)驗(yàn)尾流模型還有渦粘性尾流模型、Larsen模型及Lissaman模型[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鄧力和周洋[8，9]基于制動(dòng)盤尾流模型對(duì)風(fēng)機(jī)尾流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。本文利用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)新疆達(dá)坂城地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)尾流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),通過測(cè)量數(shù)據(jù)繪制風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同測(cè)試點(diǎn)風(fēng)廓線，并分析得到陸上風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)不同來流風(fēng)速下的尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率。

1 測(cè)試機(jī)組概況

測(cè)試機(jī)組位于風(fēng)資源比較豐富的新疆達(dá)坂城地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)海拔1 120 m，地形相對(duì)平緩，植被稀疏，以戈壁灘、荒地為主。表1中列出了測(cè)試風(fēng)機(jī)性能參數(shù)。采用法國Leosphere公司推出的Windcube V2激光脈沖多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)試機(jī)組的來流及風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同高度處的風(fēng)速及風(fēng)向。

表1 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

2 測(cè)試方案

本測(cè)試采用2臺(tái)Leosphere Windcube V2多普勒激光雷達(dá)和1臺(tái)中海達(dá)HTS-520L10彩屏全站儀。一臺(tái)Windcube V2多普勒激光雷達(dá)作為參考雷達(dá)，用于測(cè)試風(fēng)機(jī)的流入風(fēng)速及風(fēng)向；另一臺(tái)Windcube V2多普勒激光雷達(dá)作為測(cè)試?yán)走_(dá)用于測(cè)試風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)的風(fēng)特性參數(shù)；中海達(dá)HTS-520L10彩屏全站儀用于確定測(cè)量點(diǎn)與風(fēng)機(jī)的相對(duì)方位與距離。

根據(jù)風(fēng)資源預(yù)測(cè)平臺(tái)常年數(shù)據(jù)得知：測(cè)試風(fēng)機(jī)的主風(fēng)向?yàn)槲魑鞅憋L(fēng)向，與正北方向夾角285°。測(cè)試風(fēng)機(jī)與參考雷達(dá)(Re-Ladar)和測(cè)試?yán)走_(dá)(Te-Ladar)相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示，參考雷達(dá)(Re-Ladar)置于測(cè)試風(fēng)機(jī)正北方順時(shí)針285°距離風(fēng)機(jī)1.5D處，測(cè)試點(diǎn)為風(fēng)機(jī)正北方順時(shí)針105°距離風(fēng)機(jī)85 m、D、2D、2.5D、3D、4D、5D和6D的8個(gè)點(diǎn)。

圖1 測(cè)試機(jī)組、測(cè)試?yán)走_(dá)、參考雷達(dá)及測(cè)試點(diǎn)

3 測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析

3.1 額定風(fēng)速測(cè)試結(jié)果

風(fēng)機(jī)輪轂高度流入風(fēng)速為10.5 m/s時(shí)，其對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)距離風(fēng)機(jī)不同距離的風(fēng)速分布如圖2所示。對(duì)比風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)不同距離垂直高度風(fēng)速分布，尾流區(qū)高度方向上風(fēng)速呈C形分布，在高度方向風(fēng)速先逐漸減小，到達(dá)風(fēng)機(jī)輪轂高度(H)后風(fēng)速逐漸增大，到達(dá)輪轂加葉輪半徑高度(H+D/2)后風(fēng)速迅速增大，隨著高度的增加風(fēng)速逐漸接近來流風(fēng)速。各測(cè)量點(diǎn)風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)速大小及該點(diǎn)風(fēng)速與流入風(fēng)速的百分比如表2所示。由表2可以看出：在風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)距風(fēng)機(jī)85 m處輪轂高度的風(fēng)速為6.546 m/s，為流入風(fēng)速的62.3%；在風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)距風(fēng)機(jī)D處輪轂高度的風(fēng)速為7.294 m/s，為流入風(fēng)速的69.5%；在風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)距風(fēng)機(jī)6D處輪轂高度的風(fēng)速為9.451 m/s，為流入風(fēng)速的90.0%。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)距風(fēng)機(jī)85 m處到6D處，輪轂高度的風(fēng)速由6.546 m/s逐漸增加到9.451 m/s，尾流區(qū)輪轂高度處風(fēng)速由距離風(fēng)機(jī)85 m處原風(fēng)速的62.3%逐漸恢復(fù)到距離風(fēng)機(jī)6D處的90.0%。由此可知，風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)離風(fēng)機(jī)的距離越遠(yuǎn)，風(fēng)速越接近來流風(fēng)風(fēng)速。

圖2 流入風(fēng)速10.5 m/s時(shí)風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同距離處垂直高度風(fēng)速分布圖

表2 風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同測(cè)試點(diǎn)輪轂高度風(fēng)速與來流風(fēng)速百分比

3.2 額定風(fēng)速下實(shí)測(cè)結(jié)果與尾流模型比較

Jensen模型是經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)尾流模型，其中風(fēng)機(jī)下風(fēng)向距風(fēng)機(jī)不同距離處輪轂高度風(fēng)速vx與來流風(fēng)速v0、風(fēng)機(jī)推力系數(shù)CT、葉輪半徑R、耗散系數(shù)k和距離x關(guān)系如下：

(1)

其中：耗散系數(shù)k在陸上風(fēng)電場(chǎng)一般取0.075，近海風(fēng)電場(chǎng)一般取0.050。

Frandsen模型是設(shè)在風(fēng)電機(jī)組下游x處的尾流區(qū)風(fēng)速為vx，表達(dá)式如下：

(2)

其中：Dx為尾流直徑，由下式計(jì)算：

(3)

(4)

其中：αnoj為常數(shù)，取值為0.05。

圖3為風(fēng)機(jī)下游尾流區(qū)輪轂高度處實(shí)測(cè)與不同模型(Jensen模型及Frandsen模型)風(fēng)速與距離之間的關(guān)系。由Jensen模型與Frandsen模型曲線可以看出，在風(fēng)機(jī)尾流區(qū)距離風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn)風(fēng)機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速越接近來流風(fēng)速。對(duì)比實(shí)測(cè)曲線與模型曲線可知：6D處Jensen模型(陸地)計(jì)算為9.308 m/s，是來流風(fēng)速的89%；Jensen模型(海上)計(jì)算為8.819 m/s，是來流風(fēng)速的84%；Frandsen模型計(jì)算為9.757 m/s，是來流風(fēng)速的93%；實(shí)測(cè)風(fēng)速為9.451 m/s，恢復(fù)到流入風(fēng)速的90%。從整體變化趨勢(shì)來看，實(shí)測(cè)結(jié)果與Jensen模型曲線擬合度高。

圖3 風(fēng)電機(jī)組下游尾流區(qū)輪轂高度處風(fēng)速與距離的關(guān)系(流入風(fēng)速10.5 m/s)

3.3 不同來流風(fēng)速下實(shí)測(cè)結(jié)果

本文研究分析了不同來流風(fēng)速7 m/s、9 m/s、10.5 m/s、12 m/s、14 m/s和16 m/s機(jī)組尾流區(qū)各測(cè)試點(diǎn)的風(fēng)速，不同來流風(fēng)速尾流區(qū)風(fēng)剖面曲線如圖4所示。根據(jù)機(jī)組的參數(shù)可知，葉輪的高度范圍為37 m～143 m，對(duì)比不同來流風(fēng)速尾流區(qū)的風(fēng)剖面曲線可以看出：額定風(fēng)速以下時(shí)，在距離機(jī)組2D的近尾流區(qū)，垂直方向上風(fēng)速隨高度先是逐漸減小,在60 m高度處達(dá)到最小，60 m～90 m高度處風(fēng)速逐漸增大，90 m～120 m高度處風(fēng)速逐漸減小，120 m～140 m高度風(fēng)速逐漸增加，140 m以上風(fēng)速迅速增加達(dá)到來流風(fēng)速;在距離機(jī)組2.5D～6D的遠(yuǎn)尾流區(qū)，來流風(fēng)速為9 m/s時(shí)，2.5D～5D點(diǎn)，垂直方向上40 m～80 m高度風(fēng)速逐漸減小，在80 m高度達(dá)到最小，80 m～140 m高度風(fēng)速逐漸增加，140 m以上風(fēng)速迅速增加達(dá)到來流風(fēng)速;在6D點(diǎn)垂直方向上風(fēng)速增加緩慢，并逐漸達(dá)到來流風(fēng)速;在額定風(fēng)速及額定風(fēng)速以上，來流風(fēng)速為10.5 m/s、12 m/s、14 m/s尾流區(qū)85 m到5D點(diǎn)，以及來流風(fēng)速為16 m/s尾流區(qū)85 m到3D點(diǎn)，垂直方向上40 m～80 m高度風(fēng)速逐漸減小，在80 m高度達(dá)到最小，80 m～140 m高度風(fēng)速逐漸增加，140 m以上風(fēng)速迅速增加達(dá)到來流風(fēng)速;來流風(fēng)速為10.5 m/s、12 m/s時(shí)，在6D點(diǎn)垂直方向上風(fēng)速緩慢增加，逐漸達(dá)到來流風(fēng)速;來流風(fēng)速為16 m/s時(shí)，在4D點(diǎn)和5D點(diǎn)，垂直方向上風(fēng)速迅速增加至來流風(fēng)速。理論上在風(fēng)機(jī)尾流影響區(qū)，機(jī)組輪轂高度90 m處風(fēng)速最低，由于地表粗糙度對(duì)風(fēng)速的影響，尾流區(qū)最小風(fēng)速高度為80 m。由此可見在機(jī)組下風(fēng)向垂直方向上近尾流區(qū)風(fēng)速受尾流影響較大，隨著距離增加，尾流區(qū)風(fēng)速逐漸恢復(fù)，此時(shí)垂直方向上風(fēng)速受風(fēng)切變的影響逐漸增大。

圖4 不同來流風(fēng)速尾流區(qū)風(fēng)剖面曲線

表3為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不同來流風(fēng)速風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同測(cè)試點(diǎn)輪轂高度風(fēng)速與來流風(fēng)速百分比。由表3數(shù)據(jù)看出：來流風(fēng)速為7 m/s時(shí)，4D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速90.22%；來流風(fēng)速為9 m/s時(shí)，6D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速92.68%；來流風(fēng)速為10.5 m/s時(shí)，6D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速90%；來流風(fēng)速為12 m/s時(shí)，4D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速90.24%；來流風(fēng)速為14 m/s時(shí)，3D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速91.24%；來流風(fēng)速為16 m/s時(shí)，3D點(diǎn)風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速91.9%。由此可知：在額定風(fēng)速以下時(shí)，隨著來流風(fēng)速的增加，風(fēng)機(jī)尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率逐漸減慢；在額定風(fēng)速以上時(shí)，隨著來流風(fēng)速的增加，風(fēng)機(jī)尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率逐漸加快。

表3 不同來流風(fēng)速風(fēng)機(jī)尾流區(qū)不同測(cè)試點(diǎn)輪轂高度(90 m)風(fēng)速與來流風(fēng)速百分比

4 結(jié)論及展望

通過在新疆達(dá)坂城地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 風(fēng)機(jī)尾流區(qū)對(duì)稱平面內(nèi)垂直方向上風(fēng)速呈C形分布，在高度方向上風(fēng)速先是逐漸減小，到達(dá)風(fēng)機(jī)輪轂高度后風(fēng)速逐漸增大，到達(dá)輪轂加葉輪半徑高度后，隨著高度的增加風(fēng)速迅速接近來流風(fēng)速。

(2) 風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)風(fēng)速隨著距離增加風(fēng)速逐漸恢復(fù)。由測(cè)試結(jié)果可以看出，在額定風(fēng)速時(shí)機(jī)組尾流區(qū)風(fēng)速由D處的69.5%逐漸恢復(fù)到距離風(fēng)機(jī)6D處的90.0%。

(3) 通過對(duì)比不同來流風(fēng)速下機(jī)組尾流區(qū)不同測(cè)試點(diǎn)垂直高度風(fēng)剖線可知，在機(jī)組近尾流區(qū)風(fēng)速受尾流影響較大，隨著距離增加，尾流區(qū)風(fēng)速逐漸恢復(fù)，此時(shí)垂直方向上風(fēng)速受風(fēng)切變的影響逐漸增大。

(4) 在額定風(fēng)速以下隨著來流風(fēng)速的增加，機(jī)組尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率逐漸減慢；在額定風(fēng)速以上隨著來流風(fēng)速的增加，機(jī)組尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率逐漸增加。

本文通過對(duì)不同來流風(fēng)速機(jī)組下風(fēng)向尾流區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，繪制機(jī)組尾流區(qū)距機(jī)組不同距離處的風(fēng)剖面，分析不同來流風(fēng)速下機(jī)組尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)速率，為后續(xù)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組選型及優(yōu)化排布和風(fēng)電場(chǎng)整體發(fā)電量提升奠定了基礎(chǔ)。