风电场塔筒尾流特性研究

发布时间：2020-05-05 11:03

【摘要】：尾流效应会对风电场尾流区内的风轮及塔筒产生不利影响,其影响主要包括两方面内容:一方面是尾流区内的风速减小,出现速度亏损的现象,导致该区域内风电机组的发电效率降低。另一方面是尾流区内的湍流度增加,对该区域内风电机组的气动特性和疲劳载荷产生影响,缩短风电机组的使用寿命。尾流效应在目前的风电场尾流特性研究领域中既是热点内容,也是难点内容。本文通过数值模拟方法对风轮尾流的流场分布进行研究。基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的三维数值模拟理论,本文对额定功率工况下的单台风轮、两台并列风轮进行研究。采用有限体积法,通过求解不可压缩雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程与不可压缩RNG(Renormalization Group)k-?湍流运输方程,获得了风轮流场参数。结果表明:当垂直于盛行风上并列风轮的安装距离为4D(D为风轮直径)时,虽然并列风轮功率及水平方向上的速度分布与单台风机的情况相差不明显,但在竖直方向上的速度分布差异显著。单台风轮下游各处的速度在水平方向上的分布和在竖直方向上的分布都表现出关于旋转轴近乎对称的特性。而两台并列风轮下游各处的速度受到风轮间存在相互干扰,只是在水平方向上的分布表现出关于旋转轴近乎对称的特性。在竖直方向上的分布不再表现出对称的特性,速度分布曲线往+Z方向偏移。风轮下游4D-8D范围内,两风轮之间的相互干扰最为严重。风轮尾流中的速度亏损总体呈减弱趋势。采用串列布置,单台风轮下游风机在盛行风向上的安装间距宜为10D。而两台并列风轮较单台风轮尾流速度亏损恢复慢,因此下游风机在盛行风向上的适宜安装间距增大至11D。塔影效应会引发塔筒下游速度亏损,对下游风机的发电量有一定的影响,因此在确定布置形式时需要考虑这一因素。
【图文】：

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图 1. 1 2013 年-2017 年世界风机总容量统计[4]（数据来源于 WWEA）Fig.1. 1 Statistics of total wind turbine capacity in the world from 2013 to 2017图 1. 2 2013 年-2017 年中国风机总容量统计[4]（数据来源于 WWEA）Fig.1. 2 Statistics of total wind turbine capacity in China from 2013 to 2017为支持风能开发利用的推广，国家也出台了相关政策。例如，国家电网就在 2016年 3 月 11 日，发布了《国家电网公司促进新能源发展白皮书》这一重要文件。

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图 1. 2 2013 年-2017 年中国风机总容量统计[4]（数据来源于 WWEA）Fig.1. 2 Statistics of total wind turbine capacity in China from 2013 to 2017为支持风能开发利用的推广，国家也出台了相关政策。例如，国家电网就在 2016年 3 月 11 日，发布了《国家电网公司促进新能源发展白皮书》这一重要文件。由于新能源并网发电存在间歇性、随机性等问题。为提高新能源的电力品质，将西部的水电、风电、太阳能、煤电等电网资源进行互联。扩大清洁能源的开发布局，通过大规模输送以实现电力资源的优化配置。2020年，“西电东送”的规模将从目前的 110GW增加到 310GW[5]。1.1.2 研究意义风力机是通过叶片将空气中动能转化机械能，所获得的机械能带动发电机中的元件转动，再通过发电机转化为电能的一种装置。因此空气在流过风力机后会发生动能损失，这种能量会对风机下游区域的流场造成显著的影响，，该区域被称为尾流区，如图 1. 3 所示。图 1. 4 为 2008 年飞行员在丹麦 Horns Frev 近海风电场上空所拍摄的，我们可以清
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614

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