风电场尾流效应及其对大气环境影响的中尺度数值模拟研究
发布时间：2021-02-07 01:01
随着我国风电产业的爆炸式发展,大规模风电场发展需要对其复杂的风资源环境、风电场的开发潜力及其对大气环境的反馈作用等进行系统评估,这将为实现我国风电产业高效可持续环境友好型的发展提供保障。本文基于数值天气研究与预报（WRF）模式和空气质量（CMAQ）模型,建立了耦合风电场参数化模型（WFP）的WRF-WFP-CMAQ耦合模型框架,并对其进行了系统地评估和验证,模拟了不同尺度风电场的尾流效应及其大气环境效应,为风电产业的发展提供了科学合理的研究方法和实践数据。首先,基于WRF-WFP耦合模型探究了相邻风电场的尾流及功率输出干扰特性。以新疆哈密地区两相邻大型风电场为研究对象,探究场区的尾流效应及功率输出特性,定量地评估了大型风电场对其相邻风电场的流动及运行干扰特性。分析了模型对高水平网格分辨率的敏感性,实现了150 m高水平分辨率下相邻风电场的中尺度模拟。结果发现大型风电场对其下游尾流影响的范围为2030 km且其下游邻近风电场发电亏损量级约5.8%。因此,证实了风能富集区建设大规模风电场保留合理的“缓冲区”的必要性。其次,以河北张北风电基地为研究对象探究了大型风电基地...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界风电产业发展及2018年各国风电发展比例风电产业是全球可再生能源发展的必然趋势，亦是我国能源革命的重要战略方针
⑼??蟆⑿纬赏骋欢?刍?疲淮撕螅??以诿扛龇⒄怪芷诙贾贫ê侠?的风电发展计划。过去十多年，我国风电累计装机容量从2006年的2.6GW增长到2018年的209GW（占全球累计装机容量的36%），远超第二位的美国，成为全球首个风电产业超过200GW的国家[5]。目前，在我国新疆哈密、甘肃酒泉、蒙东和蒙西、吉林东部、河北张北以及江苏沿海等风资源富集地区建成七个千万千瓦级风电基地；其中，三北地区的风能资源可开发总量占全国近七成。风力发电作为我国第三大电力供应，已成为我国能源转型的核心保障和应对气候变化的重要途径。图1.2中国风电产业发展的三个阶段及其装机容量（新增、累计）变化未来我国风电产业仍将稳步持续增长，将成为未来电力供应的重要支柱。国家能源研究所和国际能源署联合发布的《中国风电发展路线图2050》[6]指出，到2050年，我国风电累计装机容量可达10亿千瓦，能够满足全国17%的电力需求，成为我国国民经济重要的主力能源。此外，国家能源局在《可再生能源发展十二五规划》中曾指出，为有效解决“弃风限电”的问题，我国风电发展要从“集中规模化”向“集中规模式开发”与“分散式开发”并举的新模式转变，即在三北地区风电大基地稳步建设的基础上，逐步加大江淮平原地区和东南沿海地区风电场的开发力度[7]。总体而言，未来我国风电产业发展仍集中在地势较高、风资源丰富的三北地区，同时亦在人口密集的华北、江淮平原以及东南沿海地区将建设较大规模风电常然而，风电场向规模大型化发展过程也存在出诸多需要解决的问题。首先，风电场的
（AtmosphericBoundaryLayer,ABL）之间存在复杂的多尺度相互作用[15]。从大气流体力学的角度来看，由于受到大气的昼夜循环及天气强迫变化、热力不稳定性及地形作用等因素的影响，使得ABL具有较高的雷诺数、形成各种湍流程度复杂的大气层结，从而促使其与风电场之间的相互作用异常复杂[16]。尤为重要的是，在风力机下游将形成“低风速、高湍流”尾流效应，且与其下游风力机的尾流相互叠加，因此会在整个风电场顶层形成大气内边界层（InternalBL,IBL）。在IBL内运行的风力机将不可避免地遭受大气湍流作用、造成功率亏损，如图1.3所示。与此同时，风电场亦会对ABL产生反作用，影响大气边界层内的大气运动特征。因此，探究风电场与大气边界层之间的作用是系统评估风电场的基矗图1.3风电场与大气边界层之间的作用，包括：（1）风力机的尾流及其叠加效应；（2）风电场与大气边界层（ABL）的相互作用以及内部边界层的形成与发展形式[16]
【参考文献】：
期刊论文
[1]耦合风电场参数化模型的天气预报模式对风资源的评估和验证[J]. 王强,罗坤,吴春雷,樊建人. 浙江大学学报(工学版). 2019(08)
[2]我国大别山区风电场群对局地气候影响研究初探——以湖北大悟为例[J]. 张雪婷,李金鑫,陈正洪,何飞,崔杨. 气象科技进展. 2019(02)
[3]Performance of the Wind Farm Parameterization Scheme Coupled with the Weather Research and Forecasting Model under Multiple Resolution Regimes for Simulating an Onshore Wind Farm[J]. Rajabu J.MANGARA,Zhenhai GUO,Shuanglin LI. Advances in Atmospheric Sciences. 2019(02)
[4]使用WRF-Fitch对湖区风电场风力发电机尾流效应特征的数值模拟[J]. 王姝,刘树华,陈建洲,胡菊,冯双磊,马玉龙,缪育聪. 北京大学学报(自然科学版). 2018(03)
[5]Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine[J]. LUO Kun,YUAN RenYu,DONG XueQing,WANG JianWen,ZHANG SanXia,FAN JianRen,NI MingJiang,CEN KeFa. Science China（Technological Sciences）. 2017(12)
[6]风电场对环境的影响研究进展[J]. 李国庆,李晓兵. 地理科学进展. 2016(08)
[7]分布式利用是风能发展的重要方向[J]. 祁和生,胡书举. 中国科学院院刊. 2016(02)
[8]风电发展对京津冀重雾霾形成的影响研究[J]. 严丽,李永刚,赵旭. 环境保护与循环经济. 2015(09)
[9]大规模风电建设与近地面风速降低及雾霾天气成因关系之浅析[J]. 辛悦. 内蒙古科技与经济. 2015(15)
[10]基于时间分辨粒子图像测速技术的水平轴风力机近尾迹特性的实验研究（英文）[J]. Jian-wen WANG,Ren-yu YUAN,Xue-qing DONG,San-xia ZHANG,Yang SONG,Zhi-ying GAO,Kun LUO,Kun-zan QIU,Ming-jiang NI,Ke-fa CEN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2015(07)
博士论文
[1]基于多尺度耦合模式的风电场流动及运行特性数值模拟研究[D]. 袁仁育.浙江大学 2018
本文编号：3021381
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：178 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界风电产业发展及2018年各国风电发展比例风电产业是全球可再生能源发展的必然趋势，亦是我国能源革命的重要战略方针
⑼??蟆⑿纬赏骋欢?刍?疲淮撕螅??以诿扛龇⒄怪芷诙贾贫ê侠?的风电发展计划。过去十多年，我国风电累计装机容量从2006年的2.6GW增长到2018年的209GW（占全球累计装机容量的36%），远超第二位的美国，成为全球首个风电产业超过200GW的国家[5]。目前，在我国新疆哈密、甘肃酒泉、蒙东和蒙西、吉林东部、河北张北以及江苏沿海等风资源富集地区建成七个千万千瓦级风电基地；其中，三北地区的风能资源可开发总量占全国近七成。风力发电作为我国第三大电力供应，已成为我国能源转型的核心保障和应对气候变化的重要途径。图1.2中国风电产业发展的三个阶段及其装机容量（新增、累计）变化未来我国风电产业仍将稳步持续增长，将成为未来电力供应的重要支柱。国家能源研究所和国际能源署联合发布的《中国风电发展路线图2050》[6]指出，到2050年，我国风电累计装机容量可达10亿千瓦，能够满足全国17%的电力需求，成为我国国民经济重要的主力能源。此外，国家能源局在《可再生能源发展十二五规划》中曾指出，为有效解决“弃风限电”的问题，我国风电发展要从“集中规模化”向“集中规模式开发”与“分散式开发”并举的新模式转变，即在三北地区风电大基地稳步建设的基础上，逐步加大江淮平原地区和东南沿海地区风电场的开发力度[7]。总体而言，未来我国风电产业发展仍集中在地势较高、风资源丰富的三北地区，同时亦在人口密集的华北、江淮平原以及东南沿海地区将建设较大规模风电常然而，风电场向规模大型化发展过程也存在出诸多需要解决的问题。首先，风电场的
（AtmosphericBoundaryLayer,ABL）之间存在复杂的多尺度相互作用[15]。从大气流体力学的角度来看，由于受到大气的昼夜循环及天气强迫变化、热力不稳定性及地形作用等因素的影响，使得ABL具有较高的雷诺数、形成各种湍流程度复杂的大气层结，从而促使其与风电场之间的相互作用异常复杂[16]。尤为重要的是，在风力机下游将形成“低风速、高湍流”尾流效应，且与其下游风力机的尾流相互叠加，因此会在整个风电场顶层形成大气内边界层（InternalBL,IBL）。在IBL内运行的风力机将不可避免地遭受大气湍流作用、造成功率亏损，如图1.3所示。与此同时，风电场亦会对ABL产生反作用，影响大气边界层内的大气运动特征。因此，探究风电场与大气边界层之间的作用是系统评估风电场的基矗图1.3风电场与大气边界层之间的作用，包括：（1）风力机的尾流及其叠加效应；（2）风电场与大气边界层（ABL）的相互作用以及内部边界层的形成与发展形式[16]
【参考文献】：
期刊论文
[1]耦合风电场参数化模型的天气预报模式对风资源的评估和验证[J]. 王强,罗坤,吴春雷,樊建人. 浙江大学学报(工学版). 2019(08)
[2]我国大别山区风电场群对局地气候影响研究初探——以湖北大悟为例[J]. 张雪婷,李金鑫,陈正洪,何飞,崔杨. 气象科技进展. 2019(02)
[3]Performance of the Wind Farm Parameterization Scheme Coupled with the Weather Research and Forecasting Model under Multiple Resolution Regimes for Simulating an Onshore Wind Farm[J]. Rajabu J.MANGARA,Zhenhai GUO,Shuanglin LI. Advances in Atmospheric Sciences. 2019(02)
[4]使用WRF-Fitch对湖区风电场风力发电机尾流效应特征的数值模拟[J]. 王姝,刘树华,陈建洲,胡菊,冯双磊,马玉龙,缪育聪. 北京大学学报(自然科学版). 2018(03)
[5]Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine[J]. LUO Kun,YUAN RenYu,DONG XueQing,WANG JianWen,ZHANG SanXia,FAN JianRen,NI MingJiang,CEN KeFa. Science China（Technological Sciences）. 2017(12)
[6]风电场对环境的影响研究进展[J]. 李国庆,李晓兵. 地理科学进展. 2016(08)
[7]分布式利用是风能发展的重要方向[J]. 祁和生,胡书举. 中国科学院院刊. 2016(02)
[8]风电发展对京津冀重雾霾形成的影响研究[J]. 严丽,李永刚,赵旭. 环境保护与循环经济. 2015(09)
[9]大规模风电建设与近地面风速降低及雾霾天气成因关系之浅析[J]. 辛悦. 内蒙古科技与经济. 2015(15)
[10]基于时间分辨粒子图像测速技术的水平轴风力机近尾迹特性的实验研究（英文）[J]. Jian-wen WANG,Ren-yu YUAN,Xue-qing DONG,San-xia ZHANG,Yang SONG,Zhi-ying GAO,Kun LUO,Kun-zan QIU,Ming-jiang NI,Ke-fa CEN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2015(07)
博士论文
[1]基于多尺度耦合模式的风电场流动及运行特性数值模拟研究[D]. 袁仁育.浙江大学 2018
本文编号：3021381
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