金 盛

（1.新疆農業(yè)大學 機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆新能源新風投資開發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 風力發(fā)電現狀

能源是國民經濟的重要物質基礎，也是人類生活必須的物質保證，經濟的快速發(fā)展和生活水平的提高離不開能源的消耗。近年來，在不斷開發(fā)、研究各種可再生能源中，風能因其獨有的優(yōu)點越來越受到世界各國的青睞，已成為世界上發(fā)展最為迅速的能源之一，預計今后5年內風能的增長率將達到20%[1]。風能與傳統(tǒng)化石能源如石油、煤等不同，既不會枯竭，也不會對環(huán)境造成污染。風能的經濟性隨著科技的發(fā)展也在快速提高，大多數能源的使用成本在不斷上漲，而風能的成本卻在下降。進入21世紀后，風能成為世界范圍內技術上最成熟、商業(yè)上最成功的新興清潔、可再生能源之一。全球風電裝機大幅度增長，截至2017年全球風電累計裝機容量達到514GW。我國的風力發(fā)電起步較晚，于20 世紀70年代才慢慢開始逐漸被人們所熟知，近10年來隨著我國為了扶持新能源發(fā)展而出臺的一系列政策，我國新能源出現了爆發(fā)式的增長，尤其是風力發(fā)電在這方面體現的尤為突出。根據中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，2017年全國累計風電裝機容量達到了163670MW。

2 風力發(fā)電機組集中布置存在的問題

隨著風電技術的快速發(fā)展，單臺風電機組的容量越來越大，隨之相應的風電機組的葉片也越來越長，掃風面積逐漸增大；由于風資源較好地地區(qū)位置有限，為了達到最佳的土地利用率，風電場也逐漸向集群式發(fā)展，一個大型風電場的機組數量往往可以達到幾十臺甚至上百臺。大容量風電機組、大規(guī)模集群式風電場逐漸成為當今風電開發(fā)的主流，而這必將帶來一些新的空氣動力學問題[7]。布置在下風向的風力發(fā)電機組的風速要在一定程度上小于布置在上風向的風力發(fā)電機組的風速，同時在布局中，如果風力發(fā)電機組布局越相近，則上風向的風力發(fā)電機組對鄰近的風力發(fā)電機組的流經風速影響越大，這種現象被稱之為尾流效應力，不僅降低風電機組發(fā)電量，也會影響葉輪的使用壽命。

3 關于風機尾流研究現狀

為消除或是減弱對化石能源的影響，大規(guī)模應用風力發(fā)電逐漸受到世界各國的重視。風力機與大型風電場尾流效應等問題被學者們所重視、研究。經過30 多年的研究，人們對風電機組尾流效應進行了大量的研究，并取得了可喜的研究成果，開創(chuàng)出許多行之有效的研究方法，對減少由于風機尾流效應造成風電場的總輸出功率降低、下游風力機的疲勞載荷增加、使用壽命縮短和結構性能變差等方面的影響做出了重大貢獻，主要有風電場實地測量和風洞實驗兩種方法。本文根據丹麥國家實驗室的N.O.Jensen 提出Jensen 模型及動量理論推導出Jensen尾流模型，同時與實際風電場中風電機組尾流場相結合，對Jensen 尾流模型進行修正，得到改進Jensen 尾流模型，編寫為計算程序，得出風電機組尾流影響曲線。同時建立風速模型，擬合出風速曲線，考慮尾流影響下的風速與輸出功率，與未受尾流影響的風速與輸出功率對比、分析，得到本文所建立的Jensen 尾流模型能夠在一定程度上幫助大型風電場的尾流效應研究。

4 風力機尾流模型的求解及參數分析

4.1 風力機尾流Jensen 模型

在1983年，丹麥國家實驗室的N.O.Jensen 基于尾流初始直徑為風輪直徑、尾流增長速率呈線性關系、尾流橫向剖面上的速度是均勻的等假設條件，提出了一種尾流模型——Jensen 模型[5]，該模型示意圖如圖1 所示。適用于在平坦地形上的風力機。

圖1 Jensen 尾流模型示意圖

在圖1 Jensen 尾流模型示意圖中，v0為上游來風的風速；u 為風輪平面處氣流的速度；r0為風力機葉輪半徑；x 為風力機下游的距離；v3為風力機下游距離為x 處尾流區(qū)的風速；r 為風力機下游距離為x 處尾流區(qū)的尾流橫截面半徑。

Jensen 尾流模型表示為：

在式（1）中，常數 α≈0.1，經過 N.O.Jensen 研究，將常數 α 精確至 0.07[5]。

4.2 改進Jensen 尾流模型

將Jensen 模型編寫為計算程序，按照相應條件計算風電機組尾流效應的影響，計算結果如圖2、3、4 所示。

從圖2、3、4 可以看出，常數α 的正確選擇會直接影響到對風機尾流曲線的描述，所以如何正確選擇常數α顯得尤為重要。本文根據N.O.Jensen 的研究，將常數α 精確至0.07[5]。

改進Jensen 尾流模型表示為：

將Jensen 改進模型模型編寫為計算程序，按照相應條件計算風電機組尾流效應的影響，計算結果如圖5。

5 風電場實測數據分析

為驗證改進Jensen 尾流模型能夠運用于實際風電工程建設，本文選取位于哈密三塘湖某風電場作為研究對象，以該風電場的測風數據與實際運行情況為基礎，將風機實測風速代入改進Jensen 尾流模型，采用H93-2000 的機型修改兩列之間的間隔排布，即采用5D，6D，7D，8D，9D，10D（其中 D=93m），分析不同間隔風機排布對尾流效應及發(fā)電量的影響。不同間隔排布下尾流及發(fā)電量情況見表1。

從表1 中可以看出，隨著間距的增大，發(fā)電量逐漸增大，尾流逐漸減小?？梢钥闯龅诙诺奈擦髯兓^大，在實際工程中，應保證尾流小于8%，因此在實際工程中應該將間隔控制到8D 以上（D 為風輪直徑）。

通過對實際工程中發(fā)電量的分析，從而得出了以下幾個結論：（1）通過實際測風數據分析，考慮尾流效應時可以發(fā)現較后面的風機受前面風機的影響風速下降較多，對輸出功率的影響也就更大；且風機葉片越大對后排風機的影響也就越大。（2）對于采用兩種以上機型的風場，將葉輪直徑較小的風機排布在葉輪直徑大的風機前面，這樣有利于降低風電場的尾流效應，但是大葉片的風機對于提高風場的發(fā)電量有一定的好處，在實際工程中應綜合考慮發(fā)電量與尾流效應的影響，合理安排風機排布。（3）平坦地形的風電場在布置風機時，可沿主風向錯列排布風機，前后排風機間距應大于8 倍風機直徑，這樣排布可使風機的尾流效應較小，滿足實際工程的需要。（4）平坦地形條件下運用軟件計算的風力機發(fā)電量與實際運行數據相差較小。

圖2 Jensen 尾流模型（α≈0.1）

圖3 Jensen 尾流模型（α≈0.7）

圖4 等于0.1 與等于0.07 曲線對比

圖5 改進Jensen 尾流模型

表1 不同間隔排布下發(fā)電量及尾流統(tǒng)計表