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風電場的尾流效應研究有哪些新變化

  在優化風力渦輪機生產時,尺寸很重要。具有較長葉片的較高塔通常捕獲更大,更強的風以用于發電。然而,渦輪機尺寸只是成功風電場的一個重要特征。風場的選址和渦輪機放置也很關鍵。根據加州大學圣巴巴拉分校的研究人員的說法,風力渦輪機很少“與其他人一起玩得很好”。

  

  在較大化項目的能源生產方面,風力渦輪機相對于彼此的選址方式也很重要。

  

  尾流效應的影響

  

  “我們一直在設計自己使用的渦輪機,但我們幾乎不再單獨使用它們。”加州大學圣塔芭芭拉分校機械工程教授Paolo Luzzatto-Fegiz說。(來源:Phys.org)。一段時間以來,開發人員已經意識到渦輪機間距和整體風電場布局可能會降低尾流效應項目的效率和生產。這意味著風速對渦輪機的影響將影響并減少風對其后的渦輪機的影響。

  

  基本上,渦輪機產生阻力,降低下游風速。結果是:由于風力較弱,現場的許多渦輪機可能在減少的容量下工作。Luzzatto-Fegiz稱之為“減少風速回歸。”換句話說,在現場增加更多的風力渦輪機可能會導致更多的阻力和更少的生產。

  

  Luzzatto-Fegiz和他的英國劍橋大學的合著者Colm-cille P. Caulfield表示,關鍵是要讓所有渦輪機都能進入高速氣流 - 例如上面的風流(而不是之間)渦輪機。然而,這說起來容易做起來難。研究發現,即使借助數學模型,開發風電場的較佳布局也很困難。

  

  Penn State Behrend和大不里士大學(伊朗)的研究人員接受了挑戰,并一直致力于通過基于生物地理學優化或BBO的算法改進風選址。該方法著眼于自然,以及動物如何自然地分配自己,以充分利用他們的環境來滿足他們的需求。

  

  “通過從動物行為創建數學模型,研究人員可以在其他情景中計算物的較好的分布,例如風電場上的渦輪機,”Phys.org在該研究中報道。

  

  BBO可能聽起來像是一個延伸,但據研究人員稱,該方法可以大限度地減少計算結果。它們還包含其他變量,“包括真實的市場數據,表面的粗糙度 - 影響風中的功率 - 以及每個渦輪機接收的風量。”此外,通過使用氣象記錄和制造商統計數據,算法進一步增強。(這些結果在2018年11月的“清潔生產雜志”上發表在線)。

  

  在可再生能源實驗室(NREL)和合作伙伴提供的能源部資助報告“自然能源”中出現的“由于風力發電不協調而產生的風力渦輪機尾流效應的成本和后果”發現,風力發電場的尾跡已經被發現延伸到25英里。更重要的是,美國(2016年)近90%的個別風力發電站位于另一個風力發電廠的25英里范圍內 - 這意味著所有這些站點都可能出現尾流效應。

  

  有趣的是,研究人員還發現,較大的尾流效應發生在風向特定方向時和夜間溫度降低時。該研究使用大氣模擬,結合經濟和法律分析,證明風力設施尾流效應實際上是可測量和可預測的。

  

  好消息:對于本研究中模擬的風力發電設施,*嚴重的尾流效應僅發生不到4%的時間。這表明通過適當的分析和選址可以預測和管理尾流損失。

  

  有效利用尾流效應提升風電場發電量

  

  斯坦福大學近日也公布了一項研究成果,可以顯著提高風場發電量,尤其對于低風速地區的風場,發電量增長甚至接近50%!

  

  這項名為“尾流轉向”的研究,通過在整個風電場中根據主風向逐行偏轉風機,來改善這一問題。

  

  在加拿大阿爾伯塔省的TransAlta Renewables風電場進行的測試顯示,在使用“尾流轉向”策略后,風場平均發電量提升了7%~13%,而在風速較低時,風場發電量提升了增加了47%!并且,還減少了因風速變化而造成的發電量大幅波動。

  

  有些運營商擔心,所有風機轉向,長期來說是否會影響風機結構的穩定性,而測試結果卻恰恰相反,“尾流轉向”不僅不會損害風機結構,反而會減少機械疲勞。

  

  項目研究者,來自斯坦福大學土木、環境和機械工程教授John Dabri表示:“為了實現可再生能源發電的全球目標,我們需要找到從現有風電場獲得更多能源的方法。一直以來,風電場研究的重點一直是風電場中單臺風機的性能,但實際上應該考慮整個風場,而不僅僅是其各個部分的總和。”

  

  在使用“尾流轉向”的策略后,前排風機的發電量會降低,但由于尾流效應的減小,后排風機的發電量顯著增加。

  

  “尾流轉向”也有助于風場的電力輸出更平穩,特別是在低風速地區運行的風場。大量的風機在原本輸入極低的風速條件下,局部位置的風機發電量提高了72%。

  

  不過,這也還是處在測試階段,還需要更多的數據去更進一步的研究。但是,只要確認了“尾流效應”的可操作性,便會大大提升風力發電的資源利用率。


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