關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布距離和列陣方式及海上風(fēng)電場(chǎng)的模型

1、關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布距離和列陣方式及海上風(fēng)電場(chǎng)的模型關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布距離和列陣方式及海上風(fēng)電場(chǎng)的模型摘要：隨著能源需求增長(zhǎng)與化石燃料資源日趨枯竭的矛盾日益突出，潔凈的可再生能源越來越受到人們的歡迎和重視，風(fēng)力發(fā)電是新能源中最具有 經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景的一種發(fā)電形式。目前，在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置模擬計(jì)算時(shí)，均忽略了 風(fēng)輪的湍流影響，而采用簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)尾流線性擴(kuò)張模型，即尾流影響邊界隨距離線性增大模 型。此外，多數(shù)風(fēng)機(jī)尾流模型未考慮風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)后的尾流影響區(qū)域直徑的突然擴(kuò)大，而一 些考慮了該因素的尾流風(fēng)速預(yù)測(cè)解析計(jì)算公式，則不能滿足上游風(fēng)機(jī)后風(fēng)速與尾流影響區(qū) 域邊界的連續(xù)性。為此，本文推導(dǎo)了一種新的簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)尾

2、流模型。研究風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng) 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的影響，建立比較全面的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率和風(fēng)速的關(guān)系模型，為研窕風(fēng) 電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化排布和規(guī)劃方面的有關(guān)問題奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)問題1,本文考慮尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)組的影響，同時(shí)考慮了尾流邊界效應(yīng)模型， 確定了速度與功率關(guān)系式，從到而確定風(fēng)電場(chǎng)之間的最佳距離，提出一個(gè)完整的模型。針對(duì)問題2,在上述模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了風(fēng)向、風(fēng)速、迎風(fēng)角等因素對(duì)風(fēng)電 場(chǎng)組效率的影響，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，我們可以得知有關(guān)速度的概率分布f(V),建立速度 分布函數(shù)；逐漸增加了模型的復(fù)雜性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的模擬更接近現(xiàn)實(shí)情況，因此模型模擬得 到的結(jié)果與問題1相比，結(jié)論更靈活易行。針對(duì)問題3,

3、從海上風(fēng)能資源的分析到建風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)分析，結(jié)合海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式，分析了不同構(gòu)建方式的特點(diǎn)并作了相應(yīng)的比較，最終提 出了適合我國(guó)東南沿海建立海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布置方式。關(guān)鍵詞:尾流效應(yīng)、風(fēng)電、功率特性、水平軸風(fēng)電場(chǎng)組、一、問題重述：目前我國(guó)的風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了世界第一，但我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的成熟度仍未達(dá)到 世界前列水平。按照人均計(jì)算的風(fēng)電裝機(jī)容量，我國(guó)的世界排名為34,為46W/人，而同 為總裝機(jī)容量世界前列的美國(guó)、德國(guó)和西班牙，這一數(shù)據(jù)分別為149. 8W/人、356.9W/人和 463.5W/人：根據(jù)陸地面積計(jì)算，中國(guó)排名為第25位(6.5kW/平方千米)。問題一：如今風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)損失主

4、要集中在下游風(fēng)力機(jī)在上游風(fēng)力機(jī)尾流中受到干擾, 損失接收功率。下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P2）與上游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P1）的比值隨兩 臺(tái)風(fēng)力機(jī)之間距離D的變化。請(qǐng)查找區(qū)域典型數(shù)據(jù)，求得風(fēng)力機(jī)最佳間距（附表1江蘇 省13個(gè)氣象站點(diǎn)80m高風(fēng)速測(cè)定單位m/s）。問題二：請(qǐng)以根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速、迎風(fēng)角、間距、轉(zhuǎn)向等信息，調(diào)整風(fēng)力機(jī)以減少風(fēng)機(jī) 泯動(dòng)能所帶來的能量損失，并設(shè)計(jì)一種最新的陸地風(fēng)機(jī)列陣方式。問題三：相較陸地，海洋上擁有更多的風(fēng)能資源，但其建造風(fēng)機(jī)場(chǎng)難度更大。請(qǐng)結(jié)合海洋風(fēng)能數(shù)據(jù)，探討海上風(fēng)機(jī)場(chǎng)的構(gòu)建方式。二、問題分析：在風(fēng)電場(chǎng)的模型結(jié)構(gòu)中，有一下兩個(gè)主要的難點(diǎn)：1、處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確描述風(fēng)電場(chǎng)系 統(tǒng)：2

5、、在多個(gè)目標(biāo)中選擇合適的判斷依據(jù)。因此，如何處理大量數(shù)據(jù)建立風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)， 以及如何在多目標(biāo)條件下確定最優(yōu)化的判斷標(biāo)準(zhǔn)，就是我們首先要解決的問題。其次，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的排布陣列是為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，故應(yīng)該找到速度與功率的關(guān) 系，從而建立合理的排布，充分利用風(fēng)力資源以獲得最大的功率。而且風(fēng)機(jī)之間存在尾流 效應(yīng)的影響和尾流遮擋等因素，難點(diǎn)是如何找到影響功率和風(fēng)速的最大或最主要的因素， 建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行建模求解。對(duì)于海上建立風(fēng)電場(chǎng)，要針對(duì)不同的海域有不同的方式，如何提出一個(gè)基本適用于大 眾化的模式是比較難的。這要選定某一區(qū)域進(jìn)行分析才可能推廣，實(shí)現(xiàn)特殊到一般的轉(zhuǎn)化 也是個(gè)難點(diǎn)。三、基本假設(shè)本文研究

6、水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。（對(duì)于問題1、2、3,其條件不同,故分別在針對(duì)問題建模求解前提出）四、文中常用符號(hào)說明Cp（?,?）一一風(fēng)能利用系數(shù),cT一一為風(fēng)輪的推力系數(shù)?一一為葉尖速比;?一一為空氣密度;V 為風(fēng)速;v?一一為無窮遠(yuǎn)處風(fēng)速;A 為風(fēng)輪掃掠面積;R一為風(fēng)輪半徑;3 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;B一為槳距角: 質(zhì)量的總能量；P 為風(fēng)機(jī)的吸收功率；E 系統(tǒng)中單位I 單位質(zhì)量的內(nèi)能：。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；n 一一傳動(dòng)鏈和發(fā)電機(jī)的總效率;Qnet一一外界環(huán)境傳遞給控制體內(nèi)流體的熱量；一一是外界環(huán)境對(duì)控制體內(nèi)流體做 的功。Wnet五、模型建立與求解5.1對(duì)于問題1的模型與求解：5. 1.1基本假設(shè)將風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪簡(jiǎn)化為一個(gè)

7、無厚度可穿透的圓盤，該圓盤從空氣中提取能量使氣流速 度、壓力等降低。認(rèn)為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)是一維的、穩(wěn)態(tài)的、不可壓流場(chǎng)。如圖5. 1.1所示將流 經(jīng)風(fēng)輪的、上游截至未受風(fēng)輪影響的無窮遠(yuǎn)處來流、下游到尾流氣流恢復(fù)至周圍環(huán)境氣流 狀態(tài)的流管作為控制體。圖5. 1. 1 致動(dòng)盤理論模型不考慮風(fēng)機(jī)成本-效益和風(fēng)電場(chǎng)增量裝機(jī)效益。本文選取變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn) 行研究的。5. 1.2問題求解為了推導(dǎo)出風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍流場(chǎng)中各個(gè)變量之間的關(guān)系，沿著流線可以將該流管分為 三個(gè)部分。第一個(gè)部分是自由來流的風(fēng)輪上游區(qū)域；第二個(gè)部分是風(fēng)輪平面：第三個(gè)部分 是風(fēng)輪下游區(qū)域，從風(fēng)輪平面開始直至氣流狀態(tài)恢復(fù)至周圍環(huán)境氣流狀態(tài)的位置。在空間 位置固定的、無變形的控制體內(nèi)，由質(zhì)量守恒的關(guān)系，可得以下方程：?