簡析微觀選址中的尾流與湍流影響

　　目前，適用于低風(fēng)速地區(qū)的長葉片、高輪轂、大容量的風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)發(fā)展迅速，這不但使對風(fēng)力發(fā)電機組尾流效應(yīng)和風(fēng)電場湍流特性的理解變得愈發(fā)重要，也對風(fēng)電場的微觀選址提出了更高的要求。如何找到風(fēng)電場的最佳排布，有效的控制風(fēng)險，獲得最優(yōu)的發(fā)電效益，是目前急需研究解決的問題。

　　一、風(fēng)力發(fā)電機組的湍流

　　湍流是流體的一種流動狀態(tài)。對于風(fēng)電場來說，湍流表示瞬時風(fēng)速偏離均值的程度，是評價氣流穩(wěn)定程度的指標。風(fēng)電場內(nèi)的障礙物不僅會降低風(fēng)速，還會在障礙物附近形成大量湍流。如下圖所示，障礙物附近產(chǎn)生了湍流區(qū)，而且下風(fēng)向的湍流更劇烈，因此，在微觀選址時，要特別注意避開障礙物，尤其是障礙物在主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向時。

　　在山地風(fēng)電場微觀選址時，風(fēng)力發(fā)電機組附近的小山包都可以當做障礙物來分析。這也就是我們?yōu)槭裁凑J為山地風(fēng)電場的山脊要平緩，連綿性好，不能有太大的起伏波動。因為某個突起部分會增加周邊風(fēng)力發(fā)電機組的湍流強度，形成我們通常所說的“窩風(fēng)”現(xiàn)象，不但會影響風(fēng)力發(fā)電機組的安全性，也會對風(fēng)速造成影響，從而降低發(fā)電效益。所以山地風(fēng)電場微觀選址，要特別注意待選點位周邊的地形因素，尤其主導(dǎo)風(fēng)向上是否存在地形突起。

　　讓我們以下圖來舉例說明

　　某風(fēng)電場的主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，場內(nèi)地勢起伏較大，山脊的連綿性較好，圖中紅框圈示的位置均位于較高處，從地形上看適合布置風(fēng)力發(fā)電機組，通過CFD軟件的測算，發(fā)電效益也不差。但是我們來看第二張圖

　　從圖上明顯可以看出，在這條山脊的南側(cè)跟北側(cè)，各有一個較高的突起，均在遮擋范圍內(nèi)，距離均在1km左右，雖然距離相對較遠，作為障礙物的遮蔽效應(yīng)較小，但仍不建議選擇圖中紅框的位置布置風(fēng)力發(fā)電機組。這種地形情況下，各種軟件模型往往無能為力，需要在微觀選址時格外注意。對于這樣的點位，建議可以在此位置安裝雷達或激光測風(fēng)儀器，進行短期測風(fēng)，確保湍流強度在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計范圍內(nèi)，風(fēng)速的損失在可控的風(fēng)險范圍內(nèi)。

　　障礙物的問題在軟件模型中往往較難體現(xiàn)，但卻是微觀選址時的重要參考，對于類似的因素，需要在現(xiàn)場作業(yè)時多加注意，綜合考量。

　　二、風(fēng)力發(fā)電機組的尾流

　　風(fēng)力發(fā)電機組從風(fēng)中吸收能量進行發(fā)電，風(fēng)吹過風(fēng)力發(fā)電機組后，會在后面形成類似船舶駛過水面的尾流，風(fēng)速降低了，湍流卻會增加。由于尾流的存在，風(fēng)力發(fā)電機組之間必須保持一定的距離，既是出于提高發(fā)電量的考慮，也是為了使風(fēng)力發(fā)電機組能夠安全運行。因此，研究風(fēng)電場尾流是優(yōu)化布置風(fēng)力發(fā)電機組，提高收益的關(guān)鍵。

　　風(fēng)力發(fā)電機組的尾流結(jié)構(gòu)包括多個區(qū)域，分為近區(qū)、中間區(qū)和遠區(qū)，如下圖所示

　　每個區(qū)的長度取決于風(fēng)輪直徑的大小，同時還與氣壓、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度有關(guān)，每個區(qū)的大致長度為

　　1、近區(qū)長度約為風(fēng)輪直徑的2~4倍；

　　2、中間區(qū)長度約為風(fēng)輪直徑的2~3倍；

　　3、遠區(qū)長度超過5倍風(fēng)輪直徑。

　　由于尾流效應(yīng)對風(fēng)向的敏感性，主導(dǎo)風(fēng)向?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機組的排布方案起到?jīng)Q定性作用，在主導(dǎo)風(fēng)向上，由于近區(qū)存在氣壓差，湍流強度非常大，而且風(fēng)速損失嚴重，必須避開此區(qū)域。因此，風(fēng)力發(fā)電機組之間的距離至少應(yīng)該達到中間區(qū)的末端，也就是說，在陸地中性大氣穩(wěn)定度情況下，沿著主導(dǎo)風(fēng)向至少為5倍風(fēng)輪直徑，非主導(dǎo)風(fēng)向上至少為3倍風(fēng)輪直徑?？梢岳斫鉃?倍風(fēng)輪直徑為保證風(fēng)電場效率的最低要求，3倍風(fēng)輪直徑為風(fēng)力發(fā)電機組間的最小安全距離。