我国有着丰富的风能资源，风能的利用在我国有着悠久的历史。目前，适用于低风速地区的长叶片、高轮毂、大容量的风力发电机组技术发展迅速，风力发电机组正在变得越来越大，叶片也变得越来越长，对风力发电机组尾流效应特性的理解，因此变得越来越重要，对风电场的微观选址也提出了更高的要求。如何找到风电场的最佳排布，获得最优的发电效益，成为当今世界各国科研人员们重点关注和攻克的难题。
那么，什么是风力发电机组尾流效应，目前尾流效应对微观选址有怎样的不利影响，我国的科技人员又是如何攻克这些难关的？下面让小编为你们介绍一下。
尾流的定义
风力发电机组从风中吸收能量发电，根据能量守恒原理，风吹过风力发电机组后，能量一定比之前降低了。因此，风力发电机组总是在后面形成风影，即尾流，就像船舶驶过后，在水面上形成的尾流。
图1 丹麦Horns Rev 的海上风电场
图1非常直观地展示了大型风电机组的尾流效应。大气运动形成的气流经过大型风电机组时，其能量被机组吸收掉一部分，在经过机组后，气流的能量变小。更重要的是，气流在和叶轮相互作用后，会形成更强更多的紊流，气流不再是一个平稳向前的气流，在经过转动的叶轮后，整个气流的紊流增加，运动方式更为复杂。
如果一个机组处于另一个机组的尾流之中，不仅仅是可吸收的能量变少，更多的影响是尾流紊流带来的额外载荷。
风电机组尾流结构
如图2所示，风力发电机组尾流的结构包括多个区域，风电机组下游的尾流可以分为近尾流区域和远尾流区域。每个区的长度取决于风轮直径的大小，同时还与气压、风速和大气稳定度有关。
图2 风电机组尾流结构
尾流对风电场的不利影响
一般情况下，在风电场中，许多风力机布置在一起，一些风力机将处于其它风力机的尾迹流场中。尾流对风电场会造成许多不利影响：1、尾迹流场的湍流结构会影响下游风力机的疲劳载荷,使风力机的性能受到影响,功率输出减小，导致整个风电场总的功率输出受到影响。2、风力机尾迹流场是以旋涡流动为主导的复杂流动.风轮叶片的结构参数、失速延迟、动态失速、塔影效应等都会影响到风力机的尾迹流动。
更有复杂山地风电场较多，较高的湍流强度是复杂风电场的主要特征之一。湍流强度增强了山顶的地形加速效应，并在下风坡以更快的速度衰减，而风力发电机组的存在加强了这一效应。湍流强度的增加降低了风力发电机组的推力系数，这意味着尾流强度变弱，但持续的距离更长。
而对于海上风电场，风向对于整个风电场的尾流损失而言非常重要。沿着风力发电机组排布很窄的风向区间内，发电量降低非常显著。当风向偏离排布线后，发电量损失随着风向变化快速减小。
由于尾流的存在，风力发电机组之间必须保持一定的距离，既是出于提高发电量的考虑，也是为了使风力发电机组能够安全运行。因此，基于风力机尾迹流动，开展风电场微观选址技术研究，可以合理地布置风力机，尽量减小风力机之间尾流的影响，提高风电场效率，使风电场的经济性达到最佳。
我国科技人员做的工作
基于风力机尾迹流动的风电场微观选址技术的研究与应用,对于提高我国大型水平轴风力机空气动力学设计水平、合理布置风电场都具有重要的学术意义及工程应用价值。我国各大院校、研究院所以及知名风电行业企业都对此关键技术进行研究，从而找到风电场的最佳排布，获得最优的发电效益。从2019年上海市科技大会上我们获知，上海电力学院和中国电力科学研究院有限公司共同完成的《基于风力机尾迹流动的风电场微观选址关键技术及工程应用》项目取得了众多技术成果并完成了多项工程应用。研究成果在国内外期刊上发表相关论文53篇，被SCI、EI收录20篇，被他引349次，授权发明专利3项，申请软件著作权1项。项目最终获得了2019年上海市科技进步三等奖。下面为大家介绍一下该项目研发取得的创新成果。
创新点1：风力机尾迹流动研究中创造性地计入了叶片的动态失速特性。风力机叶片动态失速会在许多情况下出现，如大气素流、塔影影响、偏航工况等等。当风力机处于动态失速状态运行时，叶片的升力系数特性会与风洞实验数据出现明显的差别，最大输出功率和最大叶片载荷将会同时出现，极大地增加了风力机的动态载荷。
目前，理论计算方法不计入动态失速影响，计算得出的载荷值只有实测值的50%-70%。失速风轮在高风速下所产生的这种超过设计值的输出功率，会在很大程度上改变风力机的尾迹流动特性。《基于风力机尾迹流动的风电场微观选址关键技术及工程应用》项目在风力机尾迹流动研究中创造性地计入动态失速等因素的影响，从而拓宽了风电场微观选址技术应用范围。
创新点2：风力机尾迹流动研究中考虑了不同的塔架形式的影响。《基于风力机尾迹流动的风电场微观选址关键技术及工程应用》项目研究了塔影效应对风力机尾迹流动的影响。通过对塔筒式风力机和桁架式风力机的结构受力情况、速度亏损规律、湍流强度分布及输出功率等参数进行分析研究，发现气流在流经塔架后，塔架尾迹区湍流强度存在明显变化，塔架对风力机尾迹气流的扰动范围、强度、对风力机输出功率等的影响也存在较大差异。《基于风力机尾迹流动的风电场微观选址关键技术及工程应用》项目提出了基于不同的塔架形式对风力机尾迹流动的影响，优化风电场风力机群微观选址的方法。
创新点3：对各种叶片不同的结构参数、不同风况、各种工况下水平轴风力机尾迹流动特性进行了研究。项目通过对水平轴风力机尾迹的结构组成、流动发展规律及其与下游其它风力机的之间的相互作用关系，创立了不同叶片结构参数、不同风况、不同工况下基于风力机尾迹流动的尾迹计算模型，用于风电场微观选址、风电场风力机群优化排列。
结 语
目前，项目研发的基于风力机尾迹流动的风电场微观选址技术，可使风电场设计成本降低20%-25%，风电场整体输出功率提高10%以上。已分别在中国电力科学研究院、上海绿色环保有限贵任公司、上海崇明北沿风力发电有限公司等相关工程中得到成功的工程应用，取得了较大的经济效益。
项目针对风力机尾迹流动在风电场微观选址技术中的应用，开展了系统研究和工程应用，为我国大型风电场的布局、选址、规划及风电场优化运行等技术提供了理论基础和实践依据。
写到这里，想必大家已经了解了尾流效应对微观选址的影响以及我国科研人员所做出的贡献。我们期待着我国科研人员能够创造出更多的佳绩。期待下次科普时与大家再见!
