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风电场的尾流效应研究有哪些新变化

在优化风力涡轮机生产时,尺寸很重要。具有较长叶片的较高塔通常捕获更大,更强的风以用于发电。然而,涡轮机尺寸只是成功风电场的一个重要特征。风场的选址和涡轮机放置也很关键。根据加州大学圣巴巴拉分校的研究人员的说法,风力涡轮机很少“与其他人一起玩得很好”。


在最大化项目的能源生产方面,风力涡轮机相对于彼此的选址方式也很重要。


尾流效应的影响


“我们一直在设计自己使用的涡轮机,但我们几乎不再单独使用它们。”加州大学圣塔芭芭拉分校机械工程教授Paolo Luzzatto-Fegiz说。(来源:Phys.org)。一段时间以来,开发人员已经意识到涡轮机间距和整体风电场布局可能会降低尾流效应项目的效率和生产。这意味着风速对涡轮机的影响将影响并减少风对其后的涡轮机的影响。


基本上,第一台涡轮机产生阻力,降低下游风速。结果是:由于风力较弱,现场的许多涡轮机可能在减少的容量下工作。Luzzatto-Fegiz称之为“减少风速回归。”换句话说,在现场增加更多的风力涡轮机可能会导致更多的阻力和更少的生产。


Luzzatto-Fegiz和他的英国剑桥大学的合着者Colm-cille P. Caulfield表示,关键是要让所有涡轮机都能进入高速气流 - 例如上面的风流(而不是之间)涡轮机。然而,这说起来容易做起来难。研究发现,即使借助数学模型,开发风电场的最佳布局也很困难。


Penn State Behrend和大不里士大学(伊朗)的研究人员接受了挑战,并一直致力于通过基于生物地理学优化或BBO的算法改进风选址。该方法着眼于自然,以及动物如何自然地分配自己,以充分利用他们的环境来满足他们的需求。


“通过从动物行为创建数学模型,研究人员可以在其他情景中计算物体的最佳分布,例如风电场上的涡轮机,”Phys.org在该研究中报道。


BBO可能听起来像是一个延伸,但据研究人员称,该方法可以最大限度地减少计算结果。它们还包含其他变量,“包括真实的市场数据,表面的粗糙度 - 影响风中的功率 - 以及每个涡轮机接收的风量。”此外,通过使用气象记录和制造商统计数据,算法进一步增强。(这些结果在2018年11月的“清洁生产杂志”上发表在线)。


在国家可再生能源实验室(NREL)和合作伙伴提供的能源部资助报告“自然能源”中出现的“由于风力发电不协调而产生的风力涡轮机尾流效应的成本和后果”发现,风力发电场的尾迹已经被发现延伸到25英里。更重要的是,美国(2016年)近90%的个别风力发电站位于另一个风力发电厂的25英里范围内 - 这意味着所有这些站点都可能出现尾流效应。


有趣的是,研究人员还发现,最大的尾流效应发生在风向特定方向时和夜间温度降低时。该研究使用大气模拟,结合经济和法律分析,证明风力设施尾流效应实际上是可测量和可预测的。


好消息:对于本研究中模拟的风力发电设施,最严重的尾流效应仅发生不到4%的时间。这表明通过适当的分析和选址可以预测和管理尾流损失。


有效利用尾流效应提升风电场发电量


斯坦福大学近日也公布了一项研究成果,可以显著提高风场发电量,尤其对于低风速地区的风场,发电量增长甚至接近50%!


这项名为“尾流转向”的研究,通过在整个风电场中根据主风向逐行偏转风机,来改善这一问题。


在加拿大阿尔伯塔省的TransAlta Renewables风电场进行的测试显示,在使用“尾流转向”策略后,风场平均发电量提升了7%~13%,而在风速较低时,风场发电量提升了增加了47%!并且,还减少了因风速变化而造成的发电量大幅波动。


有些运营商担心,所有风机转向,长期来说是否会影响风机结构的稳定性,而测试结果却恰恰相反,“尾流转向”不仅不会损害风机结构,反而会减少机械疲劳。


项目研究者,来自斯坦福大学土木、环境和机械工程教授John Dabri表示:“为了实现可再生能源发电的全球目标,我们需要找到从现有风电场获得更多能源的方法。一直以来,风电场研究的重点一直是风电场中单台风机的性能,但实际上应该考虑整个风场,而不仅仅是其各个部分的总和。”


在使用“尾流转向”的策略后,前排风机的发电量会降低,但由于尾流效应的减小,后排风机的发电量显着增加。


“尾流转向”也有助于风场的电力输出更平稳,特别是在低风速地区运行的风场。大量的风机在原本输入极低的风速条件下,局部位置的风机发电量提高了72%。


不过,这也还是处在测试阶段,还需要更多的数据去更进一步的研究。但是,只要确认了“尾流效应”的可操作性,便会大大提升风力发电的资源利用率。