偏航對(duì)下游風(fēng)力機(jī)功率和尾流特性的影響

張健美, 蓋曉平, 張旭耀，李 澤

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050; 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030; 3. 蘭州交通大學(xué) 新能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

風(fēng)能是可再生能源的重要組成部分。目前，由水平軸風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式。風(fēng)電場(chǎng)中運(yùn)行在上游的風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的尾流對(duì)下游風(fēng)力機(jī)造成影響，導(dǎo)致下游風(fēng)力機(jī)的來(lái)流風(fēng)速下降，湍流強(qiáng)度增大。統(tǒng)計(jì)表明，由尾流引起的海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量損失可達(dá)10%～20%[1]。因此，關(guān)于風(fēng)力機(jī)尾流特性的研究受到廣泛關(guān)注。研究者采用實(shí)驗(yàn)方法[2]、數(shù)值計(jì)算方法[3,4]、尾流模型[5～7]分別研究了風(fēng)電機(jī)組之間的尾流干涉效應(yīng)。風(fēng)電場(chǎng)中增大風(fēng)力機(jī)之間的間距可以減小機(jī)組尾流的影響，提高單臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量，但間距的增大會(huì)引起機(jī)組的數(shù)量減小，導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量下降。

采用尾流主動(dòng)控制方法可以減小上游機(jī)組尾流對(duì)下游機(jī)組尾流的影響。尾流主動(dòng)控制方法的基本思想是上游機(jī)組偏航，產(chǎn)生傾斜尾流以避開(kāi)上游機(jī)組尾流的影響。焦鑫等[8]建立了偏航工況下的風(fēng)力機(jī)尾流模型，研究表明尾流主動(dòng)控制方法可以有效提升風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力。寧旭等[9]基于水平軸風(fēng)力機(jī)尾流模型，以30 臺(tái)NREL 5MW 風(fēng)力機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，采用粒子群優(yōu)化算法分析了不同工況和布局形式下風(fēng)電場(chǎng)偏航優(yōu)化控制方案，為風(fēng)電場(chǎng)整體優(yōu)化控制研究提供了參考。趙銀輝等[10]研究了渦流發(fā)生器的安裝角對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)特性的影響，研究為提高單臺(tái)機(jī)組的效率提供了基礎(chǔ)。趙安安等[11]研究了近壁面網(wǎng)格尺寸對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。沈鋮波等[12]基于Bastankhah尾流模型，研究了偏航工況下機(jī)組之間的距離、入流風(fēng)速和湍流強(qiáng)度對(duì)串列風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率 的影響，結(jié)果表明，增大風(fēng)力機(jī)之間的間距和上游風(fēng)力機(jī)偏航可以提升風(fēng)力機(jī)總的發(fā)電功率。王俊等[13]基于GH-Bladed軟件，考慮提升風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量和均勻風(fēng)電機(jī)組疲勞等目標(biāo)，研究了主動(dòng)尾流優(yōu)化的控制策略。劉雨農(nóng)等[14]研究了偏航工況下，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙近尾流特性及機(jī)組偏航對(duì)測(cè)風(fēng)的影響。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 大渦模擬

大渦模擬采用不同方法對(duì)不同尺度旋渦進(jìn)行求解，其中大尺度旋渦通過(guò)N-S方程求解，小尺度旋渦通過(guò)亞格子模型近似[14,15]?？刂品匠虨椋?/p>

(1)

(2)

式(1)、(2)中：ρ為空氣密度；ν為空氣運(yùn)動(dòng)粘度；u為速度；p為壓力；τ為亞格子應(yīng)力。

2.2 致動(dòng)線模型

在數(shù)值計(jì)算中，使用致動(dòng)線模型代替風(fēng)力機(jī)葉片。風(fēng)力機(jī)致動(dòng)線模型的思想是將葉片沿展向進(jìn)行離散，每個(gè)離散后的截面位置用體積力代替[16,17]。與實(shí)體葉片模型相比，致動(dòng)線模型葉片不需要求解葉片表面的流動(dòng)特征，因此可以提高計(jì)算效率，降低數(shù)值建模難度。葉片展向截面每個(gè)位置處的體積力，通過(guò)葉素動(dòng)量理論求解，升力和阻力的計(jì)算表達(dá)式為：

(3)

(4)

式(3)、(4)中：FL為升力；FD為阻力；ρ為空氣密度；CL為升力系數(shù)；CD為阻力系數(shù)；C為弦長(zhǎng)；W為入流相對(duì)速度；r為風(fēng)輪中心到葉素截面的距離。

2.3 計(jì)算模型及方案

以兩臺(tái)串列的NREL 5 MW 風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，其額定風(fēng)速為11.4 m/s，額定轉(zhuǎn)速為12.1 r/min，輪轂高度為90 m，風(fēng)輪直徑為126 m[18～20]。采用如圖1所示的3000 m×3000 m×1000 m的長(zhǎng)方體計(jì)算域，上游風(fēng)力機(jī)距入口的距離為4D(D為風(fēng)輪直徑)，下游風(fēng)力機(jī)距上游風(fēng)力機(jī)的距離為6D。入口風(fēng)速為8 m/s，上游風(fēng)力機(jī)的偏航角分別為20°、30°和40°，下游風(fēng)力機(jī)未偏航。為提高數(shù)值計(jì)算精度和計(jì)算效率，在風(fēng)力機(jī)附近的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行加密處理，計(jì)算域截面的網(wǎng)格分布如圖2所示。

圖1 計(jì)算域及風(fēng)力機(jī)位置示意

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格示意

3 結(jié)果分析

當(dāng)上游風(fēng)力機(jī)處在偏航工況時(shí)，其尾流特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致下游風(fēng)力機(jī)的來(lái)流風(fēng)況和輸出功率發(fā)生變化，進(jìn)而引起整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化。

3.1 尾流特性

為了分析上游風(fēng)力機(jī)偏航對(duì)尾流特性的影響，圖3顯示了來(lái)流風(fēng)速為8 m/s，上游風(fēng)力機(jī)分別偏航20°、30°和40°時(shí)，過(guò)風(fēng)輪中心線的xy平面的平均和瞬時(shí)軸向速度云圖。由圖可知，當(dāng)上游風(fēng)力機(jī)偏航時(shí)，其尾流會(huì)發(fā)生偏斜，隨著偏航角的增大，尾流的偏斜程度增大，下游風(fēng)力機(jī)受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響會(huì)減小。

3.2 功率特性

當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響時(shí)，其輸出功率會(huì)下降。為了減小上游機(jī)組尾流對(duì)下游機(jī)組的影響，在某些工況下，風(fēng)電場(chǎng)中采用上游機(jī)組偏航的方式可以提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。圖4為來(lái)流風(fēng)速為8 m/s，上游機(jī)組偏航20°、30°和40°時(shí)，上游風(fēng)力機(jī)、下游風(fēng)力機(jī)和兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)總的輸出功率。由圖可知，當(dāng)上游機(jī)組偏航角增大時(shí)，上游機(jī)組的輸出功率會(huì)減小，下游機(jī)組的輸出功率會(huì)增大，兩臺(tái)機(jī)組總的輸出功率會(huì)減小。分析數(shù)據(jù)可知，上游機(jī)組偏航角由20°增加到40°時(shí)，上游風(fēng)力機(jī)的輸出功率減小了29.8%，下游風(fēng)力機(jī)的輸出功率增大了21.5%，兩臺(tái)機(jī)組總的輸出功率減小了7.4%。

圖3 不同偏航角下尾流區(qū)軸向速度分布

圖4 不同偏航角下機(jī)組的輸出功率

4 結(jié)論

本文以串列布局的兩臺(tái)NREL 5 MW 風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，分析了來(lái)流風(fēng)速為8 m/s，上游機(jī)組偏航角為20°、30°和40°時(shí)，風(fēng)力機(jī)的尾流特性和輸出功率特性，研究得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)上游風(fēng)力機(jī)偏航時(shí)，其尾流會(huì)發(fā)生偏斜，隨著偏航角的增大，尾流的偏斜程度增大。

(2) 串列布局的兩臺(tái)NREL 5 MW 風(fēng)力機(jī)，來(lái)流風(fēng)速為8 m/s，上游機(jī)組的偏航角由20°增加到40°時(shí)，上游風(fēng)力機(jī)的輸出功率減小了29.8%，下游風(fēng)力機(jī)的輸出功率增大了21.5%，兩臺(tái)機(jī)組總的輸出功率減小了7.4%。