风力机错列布置的尾流效应

张志阳, 魏 敏*, 胡 蓉, 张立新, 李 辉,2

(1.石河子大学机械电气工程学院,石河子 832000； 2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400044)

风流经旋转风机后会产生风速变化形成尾流区[1],而尾流效应是影响风电场发电功率的主要原因之一[2],下游风机置于上游风机的尾流场中,会造成下游风机输出功率的降低[3],从而影响风电场的发电效益[4]。在有限资源内,为使风电场产生最大的发电效益[5],要尽可能多而且不受上游风机的尾流场影响地布置风机[6]。尾流场中的湍流强度不仅会影响风机的疲劳载荷[7],也会影响风电场的发电效率[8],为了提高风电场的发电效率[9],风机的最优布置至关重要[10],所以开展两台错列风机尾流研究具有重要意义[11]。

目前尾流效应研究主要来自数值模拟实验和风洞实验的方法。Archer等[12]研究风机尾流产生的湍流强度对地表的流场融合影响,表明地表附近的流场融合强度没有增强。Han等[13]研究了复杂地形风机性能和尾流特性,实验发现风机尾流在不稳定性条件下比在稳定性条件下恢复更快。Mahdi[14]研究了稳定流速条件下风机尾流的大涡模拟,发现SGS模型对作用在叶片上的平均气动载荷忽略不计,而尾流的结构受SGS模型的显著影响。Dou等[15]研究了小型风机风洞实验,发现偏航角的变化影响风机推力变化,导致尾流场的偏移。段鑫泽等[16]研究了错列风机尾流干扰模拟分析,发现三维的致动线模型在风机尾流特征模拟中优于二维的制动盘模型。杨瑞等[17]研究了室内模型风机错列布置,发现随着测量间距增大,轴向速度先减小后增加。叶昭良等[18]研究了偏航过程中风轮的动态尾流特性,发现偏航角增加引起动态偏航的速度尾流轨迹偏斜出现延迟且宽度增加。

现利用Windcube V2激光雷达测量无尾流和有尾流状态下,达坂城风电场两台风机在错列布置下风机的尾流场变化,获得尾流场中的速度场信息,为风机错列布置尾流效应数值模拟提供实验对比,从而为达坂城风电场二期建设提供参考依据。

1 风电场实验设备和方法

实验选用2台金风科技GW106/2500水平轴直驱式风力发电机,额定风速12.5 m/s, 风电场月平均风速13.5 m/s。所用实验设备见表1。

表1 实验设备Table 1 Experimental equipment

实验在新疆天翼达坂城试验风电场进行,实验布置如图1所示,两台风力机错列布置上风机与下风机横向间距1.5D(D为风轮直径),纵向间距8D,利用多普勒测风仪分别测量下风机后3D、5D、8D三个截面处的速度分布。实验现场布置时利用GPS定位系统确定下风机3D、5D、8D截面处激光雷达测量位置,对测量位置打桩固定,实验现场布置如图2所示。通过中央监控平台预测未来半个月风电场风速变化和风功率变化,持续预测5个月以确定风电场风向的主方向和激光雷达测量方向保持一致,否则应及时调整激光雷达位置,中央监控室布置如图3所示。

图1 实验布置Fig.1 The experimental setup

图2 实验布置现场图Fig.2 Experimental layout site map

图3 中央监控室Fig.3 Central monitoring room

相同条件下对上风机停机使下风机处于无尾流效应状态,测量下风机后3D、5D、8D三个截面处的速度分布,并分析有尾流状态下风机和无尾流状态下风机后不同角度下3D、5D、8D三个截面处的速度变化。

Jenson模型认为尾流横截面呈线性变化,测量范围的选取依据Jenson公式:

r=r0+kx

(1)

式(1)中:x为风力机下游距离,m；r0为风力机半径,m;r为尾流截面半径,m;k为尾流膨胀系，可由式(2)求得：

(2)

式(2)中:h为轮毂高度,m;z0为地表粗糙面,结合达坂城风电场实际地形,取z0=0.17。

为了确保实验的合理性和准确性,实验选取较大的测量范围,以风机轮毂中心点为水平轴方向为测量中心点,尾流测量半径为800 m,测量半径平均分为10段。由于风电场风机错列布置,为了便于分析风机尾流场3D、5D、8D截面处的轴向、径向、切向速度,轴向速度选取第一象限和第二象限区域测量点,径向和切向速度选取第一象限区域测量点。第一象限的测量角度划分为0°、30°、45°、60°、90° 5个测量角。第二象限的测量角度划分为90°、120°、135°、150°、180° 5个测量角。为了便于错列布置风机后尾流场速度值的数据对比,轴向速度测量角度第一象限选取0°、30°、60°,第二象限选取120°、150°、180°。径向和切向速度只选取第二象限测量角度60°、90°、120°。测量范围和测量点图4所示。

图5 无尾流时下风机不同角度相同截面轴向速度曲线Fig.5 Axial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

图4 测量范围和测量点Fig.4 Measurement range and measurement point

2 实验结果分析

实验选用两个风机错列布置对下风机尾流场进行测量。风机错列布置时下风机尾流场变化比较复杂,第一和第二象限尾流场变化差异较大,因此对下风机后两个象限区尾流场中3D、5D、8D截面处的速度值进行测量并取其平均值,获得下风机两个象限区的尾流场信息。相同条件下为了对比风机错列布置时下风机速度场变化,对上风机停机测量无尾流状态时下风机尾流场的速度值变化。

图5为无尾流时下风机不同角度相同截面轴向速度测量值,可知来流经过下风机时发生能量交换,风能转换为机械能,机械能转换为电能,轴向速度出现损失后会逐渐恢复。测量角度的变化对轴向速度值有些影响,随着测量点向外延伸轴向速度的变化趋势变缓,其中尾流场影响最大范围为3D～6D截面,8D截面处尾流效应基本消失。

图6为有尾流时下风机不同角度相同截面第一象限区轴向速度测量值,可知测量角度的变化对第一象限区轴向速度值影响不大,轴向速度先减小后增加并且轴向速度幅值波动较小,说明第一象限区内轴向速度受上风机尾流效应较弱与无尾流时下风机轴向速度的变化趋势相似,且出现速度线平行。

图7为有尾流时下风机不同角度相同截面第二象限区轴向速度测量值,可知测量角度的变化对第二象限区轴向速度影响较大,轴向速度所受上风机尾流效应影响明显,轴向速度值出现先减小后增加在减小在增加过程,轴向速度的幅值和频率波动较大,3D截面处幅值变化最大,8D截面处幅值变化最小且8D截面速度线出现与无尾流时下风机轴向速度线同样平行效果。说明来流经过下风机时先出现速度亏损后逐渐恢复,上风机尾流效应对下风机尾流叠加形成复杂的湍流现象,湍流强度使尾流场和外流场不断融合,尾流区内外流场形成不同的剪切层,所以造成上风机尾流效应对下风机第一象限区和第二象限区轴向速度的影响程度不同。

图8为无尾流时下风机不同角度相同截面径向速度测量值,由图可知测量角度的变化对径向速度影响不大,随着轴向距离的增加,径向速度幅值和频率先增加后减小,5D截面处幅值变化最大,3D截面处幅值变化最小,尾流场中径向速度影响最大范围在3D～6D之间,说明下风机旋转效应对尾流场径向速度影响变弱直至消失。

图6 有尾流时下风机不同角度相同截面第一象限区轴向速度曲线Fig.6 Axial velocity of the first quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

图7 有尾流时下风机不同角度相同截面第二象限区轴向速度曲线Fig.7 Axial velocity of the second quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

图8 无尾流时下风机不同角度相同截面径向速度曲线Fig.8 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

图9为有尾流时下风机不同角度相同截面径向速度测量值,由图可知测量角度的变化对径向速度影响较小,随着轴向距离的增加,径向速度幅值和频率先增加后减小,5D截面处变化最大,3D截面处变化最小。说明上风机尾流效应对下风机径向速度影响逐渐减小,8D截面处径向速度趋于平缓,上风机的尾流效应对下风机的影响基本消失。

图10为无尾流时下风机不同角度相同截面切向速度测量值,由图可知测量角度的变化对切向速度影响较小,随着轴向距离的增加,切向速度的幅值和频率先增加后平稳,3D截面处变化最小,5D截面处变化最大,尾流场切向速度影响最大的范围在D～5D之间。说下风机旋转效应对尾流场中切向速度影响逐渐变弱。

图11为有尾流时下风机不同角度相同截面切向速度测量值,由图可知测量角度的变化对切向速度有影响,随着轴向距离的增加,切向速度的幅值和频率先增加后减小,8D截面处变化最小,5D截面处变化最大,尾流场切向速度影响最大的范围在D～5D之间,5D～8D之间的幅值和频率波动变小,说明上风机的尾流效应对下风机作用逐渐变弱,湍流强度降低,切向速度逐渐平缓。

图9 有尾流时下风机不同角度相同截面径向速度曲线Fig.9 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

图10 无尾流时下风机不同角度相同截面切向速度曲线Fig.10 Tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan without wake

图11 有尾流时下风机不同角度相同截面切向速度曲线Fig.11 The tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

3 结论

(1)有尾流时下风机第一象限区内轴向速度受到上风机尾流效应的影响较弱与无尾流时下风机轴向速度的变化趋势相似,两种情况轴向速度变化曲线出现平行。有尾流时上风机尾流效应对下风机尾流叠加形成复杂的湍流现象,湍流强度使尾流场和尾流场混合,使得尾流区内外流场形成不同的剪切层。

(2)有尾流和无尾流时测量角度的变化对径向速度的影响都较小,有尾流时随着轴向距离的增加上风机尾流效应对下风机径向速度影响逐渐减小,8D截面处径向速度趋于平缓。无尾流时随着轴向距离的增加下风机旋转效应对尾流场径向速度影响逐渐消失。

(3)有尾流时测量角度的变化对切向速度有影响,尾流场对切向速度影响最大的范围在D～5D之间,随着轴向距离的增加,上风机的尾流效应对下风机作用逐渐减弱,湍流度降低。无尾流时测量角度的变化对切向速度影响较小,下风机旋转效应对尾流场切向速度影响最大的范围与上风机的尾流效应对下风机的影响相同。