摘 要：針對不同排布方式下風(fēng)力機(jī)尾流干擾問題，探尋在有限場地內(nèi)減小風(fēng)力機(jī)尾流干擾方法。利用數(shù)值模擬對不同排布下的風(fēng)力機(jī)尾流干擾進(jìn)行研究，得到尾流干擾最不利工況以限制場地大小，后加入擋風(fēng)墻，開展擋風(fēng)墻放置位置和高度變化對風(fēng)力機(jī)尾流干擾特性的研究。研究得到不同排布方式下的尾流分布，以及加入擋風(fēng)墻時尾流干擾的風(fēng)速云圖和功率分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)擋風(fēng)墻對尾流干擾的限制影響。研究表明：隨著串列干擾間距的增大，干擾效應(yīng)逐漸減弱；功率隨串列干擾間距的增加而增加，在串列間距為3D（D為風(fēng)輪直徑）時干擾效應(yīng)最大；錯列間距越大，干擾效應(yīng)越弱，尾流恢復(fù)變慢，功率隨錯列間距增加而增加。隨著錯列間距的增大，干擾程度逐漸減弱，風(fēng)速損失變??；錯列使尾流疊加效應(yīng)減弱，尾流膨脹減弱。擋風(fēng)墻距離下游風(fēng)力機(jī)越近時，越能限制上游風(fēng)力機(jī)的尾流，提高下游風(fēng)力機(jī)來流風(fēng)速；3種高度下的擋風(fēng)墻，對尾流干擾限制最佳高度為25 m，40 m的擋風(fēng)墻比10 m的擋風(fēng)墻效果差。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；尾流；風(fēng)電場；尾流干擾特性；擋風(fēng)墻布置；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK83" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)力機(jī)在風(fēng)電場中數(shù)量眾多，排布方式極其復(fù)雜，其尾流效應(yīng)會造成下游風(fēng)力機(jī)功率降低。有研究表明，尾流效應(yīng)對風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率產(chǎn)生了極大影響，導(dǎo)致單臺風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率損失高達(dá)30%～40%［1-2］。受尾流干擾的影響，在近間距下的風(fēng)力機(jī)尾流干擾效應(yīng)強(qiáng)，但實際運(yùn)營部分風(fēng)電場由于土地與經(jīng)濟(jì)的限制，其區(qū)域有限，因此如何在有限的土地資源下進(jìn)行尾流限制從而提高風(fēng)力機(jī)發(fā)電效能成為研究重點，探討在有限的土地上限制尾流干擾來提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電性能具有重要的工程實用價值。

風(fēng)電場中核心目標(biāo)是進(jìn)行合理的風(fēng)力機(jī)排布設(shè)置，以減小尾流干擾從而最大化提高風(fēng)電場的發(fā)電效率。目前，隨著數(shù)值模擬的快速發(fā)展，許多學(xué)者對風(fēng)電場進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。陳安新等［3］以NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)為研究對象，基于致動線和大渦模擬方法，研究其在均勻入流下風(fēng)力機(jī)的尾流特性，發(fā)現(xiàn)增大入流風(fēng)速，尾流區(qū)螺旋狀葉尖渦的渦間距增大，尾流速度恢復(fù)的距離變長；溫文等［4］用數(shù)值模擬對風(fēng)電場中風(fēng)力機(jī)的排布情況進(jìn)行優(yōu)化，具體做法是使風(fēng)力機(jī)之間進(jìn)行串聯(lián)布置，研究不同間距下風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的影響，得出風(fēng)力機(jī)距離越遠(yuǎn)，尾流效應(yīng)越?。籆howdhury等［5］通過探討不同類型的風(fēng)力機(jī)在風(fēng)電場中如何有效排布提高了風(fēng)力機(jī)的發(fā)電性能；蔣秋俊等［6］基于網(wǎng)格化的改進(jìn)遺傳算法獲得了風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量和布局初始位置，再通過坐標(biāo)化遺傳算法對風(fēng)電機(jī)組位置進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化；文獻(xiàn)［7］通過在特定間距下的兩臺風(fēng)力機(jī)研究防風(fēng)林的不同參數(shù)及加入垂直軸風(fēng)力機(jī)下對尾流的影響。

本文以NREL 5 MW為研究對象，通過Fluent數(shù)值模擬，基于大渦模擬湍流模型，建立風(fēng)力機(jī)模型，同美國可再生實驗室風(fēng)洞實驗做功率對比，對不同排布方式下的兩臺風(fēng)力機(jī)進(jìn)行尾流干擾研究，并找出尾流干擾最嚴(yán)重的工況，通過加入擋風(fēng)墻，分析擋風(fēng)墻的放置位置、高度對尾流干擾的影響。

1 擋風(fēng)墻對風(fēng)力機(jī)影響原理

擋風(fēng)墻的思路來源于防風(fēng)林，其主要原理是在防風(fēng)林的正背面分別形成低高風(fēng)速差異帶，背面低風(fēng)速氣流帶限制了風(fēng)化，保護(hù)了防風(fēng)林背風(fēng)面的基礎(chǔ)設(shè)施或土地。相關(guān)研究表明，防風(fēng)林的效果取決于風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)障的形狀、寬度、孔隙度等，當(dāng)風(fēng)向與防風(fēng)林成直角時，林帶附近風(fēng)速可降低70%～80%，距20倍林帶處風(fēng)速降低20%。有研究表明，防風(fēng)林的迎風(fēng)面與背風(fēng)面速度分布，背面速度損失嚴(yán)重而迎風(fēng)面形成高風(fēng)速帶，擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果更強(qiáng)。

NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域半徑為63 m，塔架高度為90 m，其中有27 m處在地面與未旋轉(zhuǎn)的平面內(nèi)，如在27 m平面下，兩臺風(fēng)力機(jī)串列下的固定間距下布置防風(fēng)林，由于高度的影響，背風(fēng)面的低風(fēng)速帶未影響到風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)高度以上，而防風(fēng)林高度以上區(qū)域會形成高風(fēng)速氣流帶，對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行擾動（如圖1所示），從而提高下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率。擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果應(yīng)比防風(fēng)林更強(qiáng)。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 擋風(fēng)墻模型的建立

擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)特征是影響擋風(fēng)效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，主要有擋風(fēng)墻高度、長度與厚度等。參數(shù)的合理選擇會影響擋風(fēng)墻的風(fēng)速帶的形成。在擋風(fēng)墻的長度方面，根據(jù)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑定為126 m。在寬度設(shè)置方面，根據(jù)文獻(xiàn)［8］可知，擋風(fēng)墻的厚度一般定為5 m最佳。在擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的高度設(shè)置主要結(jié)合5 MW風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可根據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，保證擋風(fēng)墻的作用效果。擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)尺寸大小與模型如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

對風(fēng)場的網(wǎng)格劃分具體如圖3所示，對風(fēng)力機(jī)所處的動域區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。風(fēng)力機(jī)表面網(wǎng)格為0.01 m，輪轂為0.02 m，旋轉(zhuǎn)域為0.1 m。擋風(fēng)墻的網(wǎng)格設(shè)置為0.01 m。

2.3 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗證

為保證所建立的風(fēng)力機(jī)模型數(shù)值模擬的有效性與數(shù)值模擬的正確性，將風(fēng)力機(jī)置于不同風(fēng)速（5.0、8.0、10.0、11.4（額定風(fēng)速）、13.0與15.0 m/s）下進(jìn)行數(shù)值模擬，待瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，求得功率數(shù)據(jù)，對功率數(shù)據(jù)同NREL 5 MW的設(shè)計數(shù)據(jù)［9］進(jìn)行對比。如圖4所示，不同風(fēng)速下的數(shù)值模擬得到的功率值總體上跟設(shè)計值相差不大，在額定風(fēng)速之前功率小于設(shè)計值，在額定風(fēng)速后大于設(shè)計值，雖然跟設(shè)計值存在一定偏差，但在可接受的誤差范圍內(nèi)。實際上，由于風(fēng)力機(jī)在設(shè)計中與建模過程中的細(xì)微處理，如翼型頂端閉合處理、過渡翼型的使用等各方面的設(shè)計數(shù)據(jù)不完全相同，使得風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率存在一定偏差，只要誤差在可接受范圍，可認(rèn)定風(fēng)力機(jī)模型與數(shù)值模擬方法對風(fēng)力機(jī)的模擬是可行的。

3 工況設(shè)置

3.1 風(fēng)力機(jī)不同布置工況設(shè)置

對風(fēng)力機(jī)的不同布置方式如圖5所示，其中串列布置間距為3D、5D與[8D]，錯列布置間距為0、0.5D與[1 D]（[D=126] m）。

3.2 擋風(fēng)墻工況設(shè)置

擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)參數(shù)會對擋風(fēng)效果產(chǎn)生較大影響，為探究不同參數(shù)對5 MW風(fēng)力機(jī)的功率性能的影響，設(shè)置如圖6所示工況。1）在功率損失最嚴(yán)重的排布方式下而置擋風(fēng)墻，對擋風(fēng)墻距離下游風(fēng)力機(jī)的位置進(jìn)行控制，探究擋風(fēng)墻在兩臺風(fēng)力機(jī)之間不同位置處對下游風(fēng)力機(jī)功率性能的影響。2）在確定好最佳的擋風(fēng)墻布置位置后，對擋風(fēng)墻高度進(jìn)行控制，探究不同高度擋風(fēng)墻對下游風(fēng)力機(jī)的影響，找出最佳高度。

4 結(jié)果與分析

對排布方式為串列與錯列的尾流干擾進(jìn)行云圖與功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同排布方式下尾流干擾強(qiáng)弱的工況，并在此基礎(chǔ)上對尾流干擾最強(qiáng)的工況加入擋風(fēng)墻，對風(fēng)速云圖、下游風(fēng)力機(jī)前0.5 m風(fēng)速廓線與下游風(fēng)力機(jī)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到擋風(fēng)墻布置位置距離下游風(fēng)力機(jī)不同時，擋風(fēng)墻高度變化對尾流干擾的影響特性。

4.1 不同排布方式尾流干擾結(jié)果分析

對比圖7a可得，在[3D]間距下已產(chǎn)生很大的風(fēng)速損失，這種情況在間距為[5D]的情況下，風(fēng)速損失范圍有所減緩，尾流變短。在尾流兩邊緣區(qū)域[5D]比[3D]有所減緩，說明[3D]到[5D]的過程，中心區(qū)的尾流還未恢復(fù)，中心區(qū)的尾流[5D]比[3D]更嚴(yán)重。在[8D]間距下，尾流已有所恢復(fù)，二次干擾的尾流速度分布與一次干擾的尾流速度分布情況相差不大，說明在[8D]間距下下游風(fēng)力機(jī)受到一次干擾的尾流影響較小。從圖7b中可看出：在錯列間距為[0D]時，WT2完全處于WT1的尾流干擾中，因此WT2的尾跡尾流加劇，在間距[0.5D]時，由于WT2與WT1的尾流錯開了一部分，使得WT2的尾流有所減緩，這種減緩在錯列間距為[1D]時更加明顯，說明兩臺風(fēng)力機(jī)的錯列布置可避免WT2受到WT1的尾跡尾流干擾程度，可有效減緩WT1的尾流干擾。此外，在間距為0D時由于WT1尾流與WT2重合，尾流發(fā)生疊加效應(yīng)，使得WT2湍流強(qiáng)度增大，尾流發(fā)生膨脹，在[0.5D]與[1D]在錯開布置時，錯開會導(dǎo)致尾流疊加效應(yīng)減弱，湍流強(qiáng)度減小，湍流耗散減弱，尾流恢復(fù)變慢，尾流長度更長。如[0.5D]布置，尾流在[9D]后逐漸恢復(fù)，在[1D]時，尾流在[9D]后還未開始恢復(fù)。

圖8為兩臺風(fēng)力機(jī)進(jìn)行尾流干擾后風(fēng)力機(jī)的功率，在串列干擾下，WT2的功率急劇下降，在[3D]布置時，WT2的功率下降至原功率的44%，隨著間距的增加，尾流逐漸恢復(fù)，來流風(fēng)能獲取逐漸增加，WT2的功率逐漸上升。在[3D～5D]時，WT2的功率上升僅在7%，而[5D～8D]時。上升提升到21%，說明隨時間距的變大，功率增長率逐漸加大。在[8D]時，為原來的84%，說明[8D]時尾流干擾減弱。在錯列干擾下，隨著錯列間距的增大，功率持續(xù)上升，從2.744 MW上升至3.80485 MW，這直觀說明錯列的布置可使WT2獲取更多風(fēng)能從而使功率增大。此外，從功率的增長率分析，尾流干擾使WT2功率發(fā)生大幅下降，從[0.5D]錯開到[1D]時，功率增長率持續(xù)上升。綜上說明，在串列[3D]間距時，尾流干擾比其他工況更嚴(yán)重。

4.2 擋風(fēng)墻不同工況結(jié)果分析

為探究在有限的土地上擋風(fēng)墻對尾流干擾的影響，設(shè)置兩臺風(fēng)力機(jī)在尾流干擾最嚴(yán)重的串列[3D]間距下布置擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻布置的區(qū)域位置為兩臺風(fēng)力機(jī)之間。工況設(shè)置為擋風(fēng)墻布置位置距離下游風(fēng)力機(jī)為[Ly=1D]與[Ly=2D]，其中，[Ly]表示擋風(fēng)墻放置位置距離下游風(fēng)力機(jī)的距離。

圖9為在WT1與WT2中不同位置布置擋風(fēng)墻后的風(fēng)速云圖。擋風(fēng)墻在WT1的尾跡中形成了背風(fēng)面的低風(fēng)速帶與擋風(fēng)墻高度上的高風(fēng)速帶（如圖9中虛線框所示）。對比不同[Ly]下的擋風(fēng)墻風(fēng)速云圖，在[Ly=1D]的擋風(fēng)墻影響下，由于本身擋風(fēng)墻的位置距離WT2較近，而擋風(fēng)墻產(chǎn)生的風(fēng)速帶距離有限，在[Ly=1D]的間距影響下明顯較好地恢復(fù)了WT1所產(chǎn)生的尾流尾跡。在[Ly=2 D]下，距離WT2存在一定距離且在風(fēng)電場中由于湍流動能的消耗，來流風(fēng)速恢復(fù)有限。綜上所述，在[Ly=1D]處的擋風(fēng)墻明顯比[Ly=2D]處能更好地恢復(fù)WT1的尾流尾跡。

確定擋風(fēng)墻布置位置這類工況對下游風(fēng)力機(jī)尾流干擾影響最不利布置位置后，設(shè)定此布置位置，調(diào)節(jié)擋風(fēng)墻高度來探究擋風(fēng)墻高度對下游風(fēng)力機(jī)尾流干擾的影響，設(shè)定的擋風(fēng)墻高度分別為[H=10]、25和40 m?？煽闯?，在10 m高度下產(chǎn)生的高風(fēng)速帶風(fēng)速較低（如圖中虛線框所示），此外擋風(fēng)墻的高風(fēng)速帶作用范圍較小，雖然對WT1的尾跡有一定恢復(fù)作用，但恢復(fù)WT2的來流風(fēng)速效果不是很明顯，對比25 m高度下，擋風(fēng)墻本身的高度足夠，因此阻擋的風(fēng)區(qū)域面積較10 m時大，使25 m高度下高風(fēng)速帶產(chǎn)生的氣流差更強(qiáng)，產(chǎn)生更強(qiáng)的高風(fēng)速帶。在40 m高度下，從圖10知，此高度雖然也產(chǎn)生了高風(fēng)速帶，但由于高度問題，在背風(fēng)面也形成了低風(fēng)速帶，使得WT2的轉(zhuǎn)子處于低風(fēng)速帶與高風(fēng)速帶的混合區(qū)域，這顯然會造成WT2的來流風(fēng)速不穩(wěn)定。

圖11為[Ly=1D]與[Ly=2D]下WT1與WT2的功率數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在無擋風(fēng)墻，串列間距為3D時，WT2的功率為2.744 MW，為未受到尾流尾流干擾的WT1的56%，說明WT1的尾跡對WT2的功率產(chǎn)生巨大影響，而在布置擋風(fēng)墻后，在[Ly=2 D]的WT2的功率為2.8567 MW，對比無擋風(fēng)墻時上升0.1128 MW，功率增益效果為2.3%，擋風(fēng)墻的存在會提高WT2的功率，有效限制了WT1的尾跡干擾。此外，在[Ly=1D]的WT2功率為3.2438 MW，較[Ly=2D]時WT2功率提高了0.2401 MW，功率增益效果較無擋風(fēng)墻時提升了10.2%，說明[Ly=1D]更能明顯提高WT2的功率，更好限制了WT1的尾流尾跡干擾。隨著擋風(fēng)墻高度的增加，WT2的功率并未增大，擋風(fēng)墻為10 m時，WT2的功率為3.0919 MW，較無擋風(fēng)墻功率上升；擋風(fēng)墻為25 m時，WT2功率提高到3.2438 MW，說明在擋風(fēng)墻為10 m對WT2的功率提升比擋風(fēng)墻為25 m時低，這與擋風(fēng)墻的高度產(chǎn)生的風(fēng)能效果影響有關(guān)；擋風(fēng)墻為40 m時WT2的功率為2.9939 MW，是3種高度下?lián)躏L(fēng)墻對WT2功率最低的高度，可看出雖然該高度下的擋風(fēng)墻的風(fēng)能提升較大，但由于低風(fēng)速點形成的高度比轉(zhuǎn)子高度高很多，使得WT2的轉(zhuǎn)子大部分處于低風(fēng)速帶，極大地降低了WT2的功率。

5 結(jié) 論

本文利用數(shù)值模擬探究不同排布方式下風(fēng)力機(jī)尾流干擾強(qiáng)弱，找出尾流干擾最嚴(yán)重的工況加入擋風(fēng)墻，探究不同參數(shù)的擋風(fēng)墻對尾流干擾的限制，得到以下主要結(jié)論：

1）隨著串列干擾間距的增大，干擾程度逐漸減弱，功率隨干擾間距的增加而恢復(fù)。

2）隨著錯列間距的增大，干擾程度逐漸減弱，使尾流疊加效應(yīng)減弱，尾流膨脹減弱，尾流長度更長。

3）擋風(fēng)墻的位置距離WT2較近時，擋風(fēng)墻能有效恢復(fù)WT1所產(chǎn)生的尾流，提高了WT2的來流風(fēng)速與功率。

4）擋風(fēng)墻高度限制尾流干擾中，擋風(fēng)墻的效果在高度上呈現(xiàn)出中間好，兩邊差的情況，最佳的擋風(fēng)墻高度為25 m和10 m的擋風(fēng)墻高度比40 m的效果好。

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3. Guangxi Key Laboratory of Embedded Technology and Intelligent System， Guilin 514004， China；

4. College of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract：Aiming at the wind turbine wake interference effects for different layouts，" methods of reducing wind turbine wake interference in limited site is explored. Wind turbine wake interference effects for different layouts are studied by numerical simulation， and" the most unfavorable working conditions among wake interference effects are selected" to limit the size of the site. Then the windbreak wall is added and study on the wake interference effect characteristics of wind turbines is carried out，" as the position and height of the windbreak wall change. And the distribution of the wake flow for different layouts， and the wind speed contours， as well as power law of the wake flow interference with windbreak walls are obtained. Effects of windbreak walls" with different parameters on the restriction of wake interference are found out. The results show that with the increase of serial interference spacing， the interference effects are gradually weakened. Power increases as the serial interference spacing increases， and the interference effects reach its maximum when serial interference spacing is [3D] （D is the diameter of the wind turbine）. The larger the staggered spacing is， the weaker the interference effect is， the slower the wake recovery becomes. The power increases with the increase of staggered spacing. As the staggered spacing increases， interference effects gradually weaken， and the wind speed loss becomes less. The staggered layouts weaken the wake superposition effects and the wake expansion. The closer the distance between the windbreak wall and the wind turbin downstream， the more restriction on the wake of the upstream wind turbine and more improvement on the incoming wind speed of the downstream wind turbine. For windbreak wall at three heights， 25 m is the best for restricting the wake interference effects， and 40 m windbreak wall makes worse is worse than that of 10 m.

Keywords：wind turbines； wake； wind farm； wake interference characterization； windbreak wall layouts； numerical simulation