風力機錯列布置的尾流效應

張志陽, 魏 敏*, 胡 蓉, 張立新, 李 輝,2

(1.石河子大學機械電氣工程學院,石河子 832000； 2.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室,重慶 400044)

風流經旋轉風機后會產生風速變化形成尾流區[1],而尾流效應是影響風電場發電功率的主要原因之一[2],下游風機置于上游風機的尾流場中,會造成下游風機輸出功率的降低[3],從而影響風電場的發電效益[4]。在有限資源內,為使風電場產生最大的發電效益[5],要盡可能多而且不受上游風機的尾流場影響地布置風機[6]。尾流場中的湍流強度不僅會影響風機的疲勞載荷[7],也會影響風電場的發電效率[8],為了提高風電場的發電效率[9],風機的最優布置至關重要[10],所以開展兩臺錯列風機尾流研究具有重要意義[11]。

目前尾流效應研究主要來自數值模擬實驗和風洞實驗的方法。Archer等[12]研究風機尾流產生的湍流強度對地表的流場融合影響,表明地表附近的流場融合強度沒有增強。Han等[13]研究了復雜地形風機性能和尾流特性,實驗發現風機尾流在不穩定性條件下比在穩定性條件下恢復更快。Mahdi[14]研究了穩定流速條件下風機尾流的大渦模擬,發現SGS模型對作用在葉片上的平均氣動載荷忽略不計,而尾流的結構受SGS模型的顯著影響。Dou等[15]研究了小型風機風洞實驗,發現偏航角的變化影響風機推力變化,導致尾流場的偏移。段鑫澤等[16]研究了錯列風機尾流干擾模擬分析,發現三維的致動線模型在風機尾流特征模擬中優于二維的制動盤模型。楊瑞等[17]研究了室內模型風機錯列布置,發現隨著測量間距增大,軸向速度先減小后增加。葉昭良等[18]研究了偏航過程中風輪的動態尾流特性,發現偏航角增加引起動態偏航的速度尾流軌跡偏斜出現延遲且寬度增加。

現利用Windcube V2激光雷達測量無尾流和有尾流狀態下,達坂城風電場兩臺風機在錯列布置下風機的尾流場變化,獲得尾流場中的速度場信息,為風機錯列布置尾流效應數值模擬提供實驗對比,從而為達坂城風電場二期建設提供參考依據。

1 風電場實驗設備和方法

實驗選用2臺金風科技GW106/2500水平軸直驅式風力發電機,額定風速12.5 m/s, 風電場月平均風速13.5 m/s。所用實驗設備見表1。

表1 實驗設備Table 1 Experimental equipment

實驗在新疆天翼達坂城試驗風電場進行,實驗布置如圖1所示,兩臺風力機錯列布置上風機與下風機橫向間距1.5D(D為風輪直徑),縱向間距8D,利用多普勒測風儀分別測量下風機后3D、5D、8D三個截面處的速度分布。實驗現場布置時利用GPS定位系統確定下風機3D、5D、8D截面處激光雷達測量位置,對測量位置打樁固定,實驗現場布置如圖2所示。通過中央監控平臺預測未來半個月風電場風速變化和風功率變化,持續預測5個月以確定風電場風向的主方向和激光雷達測量方向保持一致,否則應及時調整激光雷達位置,中央監控室布置如圖3所示。

圖1 實驗布置Fig.1 The experimental setup

圖2 實驗布置現場圖Fig.2 Experimental layout site map

圖3 中央監控室Fig.3 Central monitoring room

相同條件下對上風機停機使下風機處于無尾流效應狀態,測量下風機后3D、5D、8D三個截面處的速度分布,并分析有尾流狀態下風機和無尾流狀態下風機后不同角度下3D、5D、8D三個截面處的速度變化。

Jenson模型認為尾流橫截面呈線性變化,測量范圍的選取依據Jenson公式:

r=r0+kx

(1)

式(1)中:x為風力機下游距離,m；r0為風力機半徑,m;r為尾流截面半徑,m;k為尾流膨脹系，可由式(2)求得：

(2)

式(2)中:h為輪轂高度,m;z0為地表粗糙面,結合達坂城風電場實際地形,取z0=0.17。

為了確保實驗的合理性和準確性,實驗選取較大的測量范圍,以風機輪轂中心點為水平軸方向為測量中心點,尾流測量半徑為800 m,測量半徑平均分為10段。由于風電場風機錯列布置,為了便于分析風機尾流場3D、5D、8D截面處的軸向、徑向、切向速度,軸向速度選取第一象限和第二象限區域測量點,徑向和切向速度選取第一象限區域測量點。第一象限的測量角度劃分為0°、30°、45°、60°、90° 5個測量角。第二象限的測量角度劃分為90°、120°、135°、150°、180° 5個測量角。為了便于錯列布置風機后尾流場速度值的數據對比,軸向速度測量角度第一象限選取0°、30°、60°,第二象限選取120°、150°、180°。徑向和切向速度只選取第二象限測量角度60°、90°、120°。測量范圍和測量點圖4所示。

圖5 無尾流時下風機不同角度相同截面軸向速度曲線Fig.5 Axial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

圖4 測量范圍和測量點Fig.4 Measurement range and measurement point

2 實驗結果分析

實驗選用兩個風機錯列布置對下風機尾流場進行測量。風機錯列布置時下風機尾流場變化比較復雜,第一和第二象限尾流場變化差異較大,因此對下風機后兩個象限區尾流場中3D、5D、8D截面處的速度值進行測量并取其平均值,獲得下風機兩個象限區的尾流場信息。相同條件下為了對比風機錯列布置時下風機速度場變化,對上風機停機測量無尾流狀態時下風機尾流場的速度值變化。

圖5為無尾流時下風機不同角度相同截面軸向速度測量值,可知來流經過下風機時發生能量交換,風能轉換為機械能,機械能轉換為電能,軸向速度出現損失后會逐漸恢復。測量角度的變化對軸向速度值有些影響,隨著測量點向外延伸軸向速度的變化趨勢變緩,其中尾流場影響最大范圍為3D～6D截面,8D截面處尾流效應基本消失。

圖6為有尾流時下風機不同角度相同截面第一象限區軸向速度測量值,可知測量角度的變化對第一象限區軸向速度值影響不大,軸向速度先減小后增加并且軸向速度幅值波動較小,說明第一象限區內軸向速度受上風機尾流效應較弱與無尾流時下風機軸向速度的變化趨勢相似,且出現速度線平行。

圖7為有尾流時下風機不同角度相同截面第二象限區軸向速度測量值,可知測量角度的變化對第二象限區軸向速度影響較大,軸向速度所受上風機尾流效應影響明顯,軸向速度值出現先減小后增加在減小在增加過程,軸向速度的幅值和頻率波動較大,3D截面處幅值變化最大,8D截面處幅值變化最小且8D截面速度線出現與無尾流時下風機軸向速度線同樣平行效果。說明來流經過下風機時先出現速度虧損后逐漸恢復,上風機尾流效應對下風機尾流疊加形成復雜的湍流現象,湍流強度使尾流場和外流場不斷融合,尾流區內外流場形成不同的剪切層,所以造成上風機尾流效應對下風機第一象限區和第二象限區軸向速度的影響程度不同。

圖8為無尾流時下風機不同角度相同截面徑向速度測量值,由圖可知測量角度的變化對徑向速度影響不大,隨著軸向距離的增加,徑向速度幅值和頻率先增加后減小,5D截面處幅值變化最大,3D截面處幅值變化最小,尾流場中徑向速度影響最大范圍在3D～6D之間,說明下風機旋轉效應對尾流場徑向速度影響變弱直至消失。

圖6 有尾流時下風機不同角度相同截面第一象限區軸向速度曲線Fig.6 Axial velocity of the first quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖7 有尾流時下風機不同角度相同截面第二象限區軸向速度曲線Fig.7 Axial velocity of the second quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖8 無尾流時下風機不同角度相同截面徑向速度曲線Fig.8 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

圖9為有尾流時下風機不同角度相同截面徑向速度測量值,由圖可知測量角度的變化對徑向速度影響較小,隨著軸向距離的增加,徑向速度幅值和頻率先增加后減小,5D截面處變化最大,3D截面處變化最小。說明上風機尾流效應對下風機徑向速度影響逐漸減小,8D截面處徑向速度趨于平緩,上風機的尾流效應對下風機的影響基本消失。

圖10為無尾流時下風機不同角度相同截面切向速度測量值,由圖可知測量角度的變化對切向速度影響較小,隨著軸向距離的增加,切向速度的幅值和頻率先增加后平穩,3D截面處變化最小,5D截面處變化最大,尾流場切向速度影響最大的范圍在D～5D之間。說下風機旋轉效應對尾流場中切向速度影響逐漸變弱。

圖11為有尾流時下風機不同角度相同截面切向速度測量值,由圖可知測量角度的變化對切向速度有影響,隨著軸向距離的增加,切向速度的幅值和頻率先增加后減小,8D截面處變化最小,5D截面處變化最大,尾流場切向速度影響最大的范圍在D～5D之間,5D～8D之間的幅值和頻率波動變小,說明上風機的尾流效應對下風機作用逐漸變弱,湍流強度降低,切向速度逐漸平緩。

圖9 有尾流時下風機不同角度相同截面徑向速度曲線Fig.9 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖10 無尾流時下風機不同角度相同截面切向速度曲線Fig.10 Tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan without wake

圖11 有尾流時下風機不同角度相同截面切向速度曲線Fig.11 The tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

3 結論

(1)有尾流時下風機第一象限區內軸向速度受到上風機尾流效應的影響較弱與無尾流時下風機軸向速度的變化趨勢相似,兩種情況軸向速度變化曲線出現平行。有尾流時上風機尾流效應對下風機尾流疊加形成復雜的湍流現象,湍流強度使尾流場和尾流場混合,使得尾流區內外流場形成不同的剪切層。

(2)有尾流和無尾流時測量角度的變化對徑向速度的影響都較小,有尾流時隨著軸向距離的增加上風機尾流效應對下風機徑向速度影響逐漸減小,8D截面處徑向速度趨于平緩。無尾流時隨著軸向距離的增加下風機旋轉效應對尾流場徑向速度影響逐漸消失。

(3)有尾流時測量角度的變化對切向速度有影響,尾流場對切向速度影響最大的范圍在D～5D之間,隨著軸向距離的增加,上風機的尾流效應對下風機作用逐漸減弱,湍流度降低。無尾流時測量角度的變化對切向速度影響較小,下風機旋轉效應對尾流場切向速度影響最大的范圍與上風機的尾流效應對下風機的影響相同。