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风力发电机组的尾流及其影响

2017-01-10 15:28:13来源:中国海上风电网浏览: 评论:0

  风力发电机组正在变得越来越大,叶片也变得越来越长,对风力发电机组尾流效应特性的理解,就因此变得越来越重要了。唯有如此,才能正确地找到风力发电机组的最佳排布,获得最优化的发电量,同时使风险得到有效控制。

  下面小编就带领大家了解一下尾流的特征以及影响。

  1.尾流的定义
  
  因为风力发电机组从风中吸收能量发电,根据能量守恒原理,风吹过风力发电机组后,能量一定比之前降低了。因此,风力发电机组总是在后面形成风影,即尾流,就像船舶驶过后,在水面上形成的尾流。

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  图1 风电场的尾流图

  
  2.尾流的基本结构特征
  
  风力发电机组尾流的结构包括多个区域,如下图所示,它们分别是近区、中间区和远区。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。

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  图2 风力发电机组尾流结构

  
  1)尾流近区的特征
  
  ①长度约为风轮直径的2~4倍;
  
  ②随着气流管道扩展到叶片边缘,风力发电机组前面(迎风面)气压增加,然后在风轮面另一侧突然降低,之后在近区内不断增加,直到恢复到自由风流的压力Pa;
  
  ③气流管道内部的风速在接近风力发电机组时降低,并在风力发电机组风轮面的另一侧保持不变,然后在近区内,随着气压值逐渐恢复到Pa而继续降低;
  
  ④近区内尾流的半径增加,并当气压恢复到Pa时达到最大。由于质量守恒和动量守恒定律,风速下降。

  2)尾流中间区的特征
  
  ①长度约为风轮直径的2~3倍,当混合层的内边界与中央轴线相交时结束。交点处风速发生变化;
  
  ②中间区的气压保持不变,始终等于Pa;
  
  ③尾流区的外边界的湍流增加,而中央线处的风速保持不变。

  3)尾流远区的特征
  
  ①长度超过5倍风轮直径;
  
  ②气压不变,等于Pa;
  
  ③由于湍流混合,中央线的风速开始稳步增加,恢复到自由气流的风速值Va。

  根据每个区的特征,可以选择风力发电机组之间的最佳距离,从而使风力发电机组之间的相互影响最小。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,风力发电机组的距离应该至少达到中间区的末端。

  3.尾流对风电场的影响
  
  目前复杂山地风电场较多,较高的湍流强度是复杂风电场的主要特征之一。湍流强度增强了山顶的地形加速效应,并在下风坡以更快的速度衰减,而风力发电机组的存在加强了这一效应。湍流强度的增加降低了风力发电机组的推力系数,这意味着尾流强度变弱,但持续的距离更长。而对于海上风电场,风向对于整个风电场的尾流损失而言非常重要。沿着风力发电机组排布很窄的风向区间内,发电量降低非常显着。当风向偏离排布线后,发电量损失随着风向变化快速减小。

  4.结语
  
  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。对风电场尾流效应的研究是风力发电机组排布优化的关键之一,也是实现风电场最佳效益的关键。

 

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