實(shí)際風(fēng)況下薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群性能及布局規(guī)律研究

齊文闖,陳云瑞,郭朋華,鄒瀚森,李景銀

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

為了應(yīng)對(duì)氣候變化以及化石能源枯竭的難題,世界各國(guó)在保證自身能源供應(yīng)的前提下大力發(fā)展新能源,我國(guó)更是提出了“碳中和、碳達(dá)峰”的宏偉目標(biāo)。在眾多新能源中,風(fēng)能以儲(chǔ)量大、前景廣闊等優(yōu)勢(shì)受到眾多國(guó)家的廣泛關(guān)注并得到大力發(fā)展[1]。近年來(lái),隨著我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展,陸上風(fēng)能資源豐富地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)趨于飽和,基于分布式的低風(fēng)速風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用成為了研究熱點(diǎn)[2]。風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的常用設(shè)備,根據(jù)主軸方向可分為水平軸和垂直軸兩大類[3]。水平軸風(fēng)電機(jī)組因單機(jī)容量大、風(fēng)能利用率高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用,但其尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)較慢,且對(duì)于風(fēng)向頻變地區(qū)的適應(yīng)性欠佳,因此不適用于城市中、低風(fēng)速風(fēng)能的分布式發(fā)電[4]。相比之下,垂直軸薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)因啟動(dòng)風(fēng)速低、氣動(dòng)噪聲小、排列更緊湊以及無(wú)需對(duì)風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)[5-7],作為分布式微型離網(wǎng)發(fā)電機(jī)組在城市中的應(yīng)用則具有巨大的潛力。

由于垂直軸薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)較低,因此提高薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率一直是熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。對(duì)薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)性能改進(jìn)的研究大致可分為以下4類[8]: ①改進(jìn)機(jī)組構(gòu)型[9-11]。王軍等[9]通過(guò)改變?nèi)~片數(shù)目和葉片彎曲程度來(lái)提高薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率,提出了一種六葉片轉(zhuǎn)子加定子的新型結(jié)構(gòu),其最大風(fēng)能利用率可達(dá)40%。②增加導(dǎo)流板等附加裝置[12-16]。Salleh等[14]實(shí)驗(yàn)探究了導(dǎo)流板對(duì)薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)特性和動(dòng)力特性的影響,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板可以使風(fēng)力機(jī)性能提高84.6%。③與H型風(fēng)力機(jī)組合使用[8]。④利用多臺(tái)機(jī)組的集群增強(qiáng)效應(yīng)[17-20]。Zheng等[18]構(gòu)建了一個(gè)由3臺(tái)薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)組成的集群,通過(guò)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)可使集群平均功率系數(shù)提高36.8%。Zhang等[20]從候鳥(niǎo)的兩種飛行隊(duì)形(V形、I形)中獲得啟發(fā)開(kāi)發(fā)了雙機(jī)組集群,可使平均功率系數(shù)提高22.9%,并基于此集群模塊開(kāi)發(fā)了一個(gè)V字形多機(jī)陣列風(fēng)電場(chǎng)。

隨著薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)構(gòu)型的逐漸成熟,通過(guò)集群效應(yīng)提高機(jī)組風(fēng)能利用率的方法得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注,高效模塊化的集群結(jié)構(gòu)也為高密度化的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址提供了基礎(chǔ)。然而,目前集群的研究大多僅針對(duì)單一風(fēng)向下集群的增益情況展開(kāi)探討,沒(méi)有考慮其他風(fēng)向下集群的功率輸出情況。同時(shí),集群排布方式一定程度上破壞了垂直軸風(fēng)力機(jī)獨(dú)有的“萬(wàn)向性”特點(diǎn),即當(dāng)來(lái)流風(fēng)向變化時(shí),集群中機(jī)組相對(duì)緊湊的位置關(guān)系使得下游機(jī)組處于上游機(jī)組的尾流中,導(dǎo)致其功率輸出受風(fēng)向影響顯著,從而影響集群的平均功率輸出。水平軸機(jī)組通過(guò)偏航靈活對(duì)風(fēng)可以較好地應(yīng)對(duì)風(fēng)向改變的問(wèn)題,而薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)一般不具有偏航驅(qū)動(dòng),即集群中機(jī)組的相對(duì)位置自建成后很難改變,因此,研究集群在不同風(fēng)況條件下的功率輸出很有必要。Mereu等[21]研究了15°、30°及45°風(fēng)向角下8臺(tái)薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群的性能,發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)向角的變大,集群效率逐漸下降,在45°來(lái)流風(fēng)向下機(jī)組的平均效率降低了19%左右,其原因同Golecha等[22]的研究相類似,即由于上游機(jī)組的格擋作用導(dǎo)致下游機(jī)組效率偏低,最終研究表明線性陣列正對(duì)主風(fēng)向擺放時(shí)增益效果最佳。 Belabes等[23]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),直線串列薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群在50°～-20°風(fēng)向范圍內(nèi)可獲得較高的功率輸出。在真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中,360°風(fēng)向上均有風(fēng)能分布,然而,上述研究中的風(fēng)向改變范圍較小,沒(méi)有分析360°全風(fēng)向下集群的輸出功率情況,也沒(méi)有系統(tǒng)總結(jié)針對(duì)真實(shí)風(fēng)場(chǎng)不同風(fēng)況條件下薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群的最佳安裝風(fēng)向規(guī)律,對(duì)現(xiàn)實(shí)風(fēng)場(chǎng)布局的指導(dǎo)意義具有一定局限性。同時(shí),下游機(jī)組受上游機(jī)組的影響,導(dǎo)致其感知到的風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速不同,最佳轉(zhuǎn)速也應(yīng)不同,但目前的研究中常常忽略這一影響,而是簡(jiǎn)單地設(shè)定各機(jī)組采用定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。因此,為了使數(shù)值模擬更貼近真實(shí)情況,需要一種變速控制方法使得集群中各機(jī)組均處于最佳功率點(diǎn)運(yùn)行,從而更全面地評(píng)估集群在全風(fēng)向下的整體性能。

本文通過(guò)編譯Fluent軟件中用戶自定義函數(shù)(UDF)來(lái)實(shí)現(xiàn)集群中各機(jī)組的變轉(zhuǎn)速控制,基于不同風(fēng)況條件下計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬結(jié)果,評(píng)估了薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群在4個(gè)地區(qū)8個(gè)典型站點(diǎn)不同安裝方向下的功率輸出增益情況,總結(jié)了不同風(fēng)況條件下的集群最佳安裝方向規(guī)律,并證明了該規(guī)律對(duì)三角形薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群在真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中安裝方向的選擇具有一定普適性。

1 計(jì)算模型及變轉(zhuǎn)速控制策略

1.1 幾何模型及計(jì)算域

圖1為目前廣泛使用的雙葉片薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)組構(gòu)型,其中葉輪直徑D為0.95 m,高為1.00 m,葉片由兩個(gè)直徑d為0.50 m的半圓形板構(gòu)成,運(yùn)動(dòng)方向與來(lái)流方向相同的葉片為前進(jìn)葉片,相反的為回轉(zhuǎn)葉片。葉片厚度t為1 mm,兩葉片的重疊距離e為50 mm,重疊比s為0.1。

圖1 雙葉片薩沃紐斯機(jī)組構(gòu)型Fig.1 Configuration of double-vane Savonius wind turbine

如圖2所示,計(jì)算域包含3個(gè)靜止域和3臺(tái)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)域,其中,3個(gè)旋轉(zhuǎn)域的相對(duì)位置隨集群構(gòu)型的改變而改變。為避免邊界條件對(duì)仿真結(jié)果的影響,進(jìn)口邊界距離旋轉(zhuǎn)域15D,出口邊界距離旋轉(zhuǎn)域30D,模擬采用速度進(jìn)口、靜壓出口。湍流模型采用k-ωSST模型,壓力速度采用耦合求解算法,壓力插值修正采用二階插值方案。

圖2 薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群數(shù)值求解計(jì)算域Fig.2 Computational domains of the Savonius wind turbine cluster

機(jī)組的性能用機(jī)組功率系數(shù)(風(fēng)能利用率)CP來(lái)評(píng)估,集群的增益效果用功率比F來(lái)評(píng)估。機(jī)組功率P、功率系數(shù)CP、功率比F的表達(dá)式分別為

P=Tω

(1)

(2)

(3)

式中:T為機(jī)組扭矩;ω為機(jī)組轉(zhuǎn)速;ρ為空氣密度,取值為1.29 kg/m3;Uin為來(lái)流風(fēng)速;A為機(jī)組橫截面積;Pc為機(jī)組集群的平均輸出功率;Pi為孤立機(jī)組的輸出功率。

機(jī)組轉(zhuǎn)速與來(lái)流風(fēng)速的關(guān)系用無(wú)量綱參數(shù)葉尖速比λ表示,可寫為

(4)

1.2 網(wǎng)格及計(jì)算方法

二維模型采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,對(duì)網(wǎng)格由外到內(nèi)進(jìn)行加密處理,葉片表面設(shè)置為邊界層,邊界層y+小于1.5,如圖3所示。旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間設(shè)置交界面,用滑移網(wǎng)格方法進(jìn)行計(jì)算,選取k-ωSST湍流模型,進(jìn)口速度設(shè)置為來(lái)流風(fēng)速,出口靜壓設(shè)置為0。

圖3 計(jì)算域及邊界層網(wǎng)格示意圖Fig.3 Grid diagram of the computational domain and boundary layer

以機(jī)組的功率系數(shù)CP作為參考指標(biāo),選擇5種網(wǎng)格方案對(duì)孤立機(jī)組進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn),隨著網(wǎng)格數(shù)增多,CP逐漸趨于穩(wěn)定,方案3與方案5的CP相差0.87%,故機(jī)組旋轉(zhuǎn)域可選擇網(wǎng)格數(shù)較少的方案3,此時(shí)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)接近400 000。采用此網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果表明,時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s時(shí)的CP與0.000 5 s時(shí)的誤差僅為0.9%,考慮到計(jì)算成本,故選取0.001 s作為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Table 1 Grid independence test

1.3 數(shù)值驗(yàn)證

將本文孤立薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果與Sheldahl等[24]在7 m/s風(fēng)速下孤立機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn),在低葉尖速比條件下,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好;但在較大葉尖速比條件下,模擬結(jié)果略高,這和Ferrari等[25]利用二維模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況相類似,主要是因?yàn)槎S數(shù)值模擬沒(méi)有考慮到三維流動(dòng)效應(yīng)及端板的影響。本文主要研究低風(fēng)速條件下機(jī)組的功率輸出情況,葉尖速比通常在1以下,由圖4可知此范圍內(nèi)的數(shù)值計(jì)算誤差較小。即使高葉尖速比情況下的計(jì)算數(shù)值高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其誤差也仍在可以接受的范圍內(nèi),因此可認(rèn)為數(shù)值結(jié)果能夠表征單個(gè)機(jī)組的性能趨勢(shì)。本文集群的數(shù)值模擬與孤立機(jī)組模擬的計(jì)算域設(shè)置、邊界條件選擇及模擬方法均一致,僅在機(jī)組個(gè)數(shù)上存在差異,故孤立機(jī)組的實(shí)驗(yàn)吻合性良好也證明了本文數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置、湍流模型選擇等的合理性,由此可認(rèn)為本文薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群數(shù)值仿真的結(jié)果是可信、合理的。

圖4 單臺(tái)薩沃紐斯機(jī)組數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]的對(duì)比Fig.4 Comparison between numerical and experimental results[24] of one Savonius wind turbine

1.4 變轉(zhuǎn)速控制策略

由于機(jī)組對(duì)流場(chǎng)的干擾以及機(jī)組間流場(chǎng)的相互干涉,集群中每臺(tái)機(jī)組感知到的來(lái)流風(fēng)速均不相同,且并非是自然風(fēng)速。要保證集群整體獲得最大的功率輸出,則需使每臺(tái)機(jī)組持續(xù)保持在最佳葉尖速比下運(yùn)行。

通過(guò)CFD方法模擬8種不同風(fēng)速下孤立機(jī)組的CP-λ曲線,可得到每個(gè)風(fēng)速下達(dá)到最大輸出功率時(shí)的機(jī)組最佳轉(zhuǎn)速,如表2所示,進(jìn)而可擬合得到薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線,如圖5所示。基于該最佳功率曲線,本文提出了一種變轉(zhuǎn)速控制策略,即每臺(tái)機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)周圍流場(chǎng),從而使得機(jī)組保持在最佳功率曲線上運(yùn)行,以獲得最大的輸出功率。

表2 不同風(fēng)速下薩沃紐斯機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速及最大輸出功率Table 2 The optimal rotational speed and maximum output power of the Savonius wind turbine at different wind speed

圖5 孤立機(jī)組的最佳功率曲線Fig.5 Optimal power curve of the isolated turbine

設(shè)定機(jī)組的切入、切出風(fēng)速分別為1、15 m/s,通過(guò)收集每臺(tái)機(jī)組在一定時(shí)間間隔內(nèi)的功率輸出,根據(jù)最佳功率曲線自動(dòng)調(diào)整下一時(shí)間段內(nèi)機(jī)組的轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)定轉(zhuǎn)速的集群數(shù)值模擬相比,變轉(zhuǎn)速模擬無(wú)需給定每臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速,也無(wú)需手動(dòng)調(diào)速,其轉(zhuǎn)速通過(guò)在Fluent軟件中編譯UDF實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤賦值和動(dòng)態(tài)調(diào)整,使得數(shù)值模擬結(jié)果更符合實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行情況。

2 集群安裝規(guī)律探究

為了探究集群在真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中最佳的安裝角度,對(duì)Chen等[26]最新提出的薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群開(kāi)展多風(fēng)場(chǎng)、不同方向排布增益分析。集群構(gòu)型如圖6(a)所示,擺放方向如圖6(b)所示,規(guī)定垂直于1號(hào)機(jī)組與3號(hào)機(jī)組連線的箭頭指示集群的安裝方向。

(a)構(gòu)型

2.1 地區(qū)選擇

選取我國(guó)8個(gè)典型站點(diǎn)2020年的風(fēng)資源數(shù)據(jù),對(duì)集群不同安裝方向的耦合增益情況進(jìn)行分析,所選城市、氣象站編號(hào)及經(jīng)緯度如表3所示。所選的8個(gè)站點(diǎn)分布在我國(guó)東北、東南、華東、華中、西北、西南等各個(gè)方位,各地區(qū)風(fēng)速分布與風(fēng)能分布特點(diǎn)均不相同,基本可以涵蓋常見(jiàn)風(fēng)區(qū)的風(fēng)資源特性。在不同安裝方向增益分析中,3臺(tái)機(jī)組的相對(duì)位置始終保持不變。

表3 8個(gè)站點(diǎn)編號(hào)及地理位置Table 3 Number and location of the 8 sites

圖7給出了所選8個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)能玫瑰圖,用以反映風(fēng)能在各個(gè)風(fēng)向上的分布,其中,徑向坐標(biāo)表示風(fēng)能頻率,即各風(fēng)向風(fēng)能占該地區(qū)總風(fēng)能的百分比,東、南、西、北4個(gè)方向分別用E、S、W、N表示。根據(jù)風(fēng)能頻率分布規(guī)律可將8個(gè)站點(diǎn)大致分為以下4類地區(qū):第1類為具有單一最大風(fēng)能方向地區(qū),包括廈門、昆明、呼和浩特、喀什;第2類為具有兩個(gè)相位差較大的最大風(fēng)能方向地區(qū),如青島;第3類為具有3個(gè)相位差較大的最大風(fēng)能方向地區(qū),如大連;第4類為最大風(fēng)能方向不明顯或風(fēng)能分布比較平均地區(qū),包括沈陽(yáng)、鄭州。

(a)沈陽(yáng)

2.2 功率擬合

為了方便快速地得到特定風(fēng)速和風(fēng)向下薩沃紐斯孤立機(jī)組及集群的功率輸出,選擇典型數(shù)據(jù)進(jìn)行CFD模擬,通過(guò)曲線擬合的方式構(gòu)建兩者的功率預(yù)測(cè)模型。Kusiak等[27]曾指出風(fēng)力機(jī)的理論輸出功率與風(fēng)速的三次方成正比,根據(jù)圖5擬合得到的孤立機(jī)組功率預(yù)測(cè)公式為

(5)

表4 3臺(tái)機(jī)組功率預(yù)測(cè)公式系數(shù)及可決系數(shù)Table 4 Coefficients for power predicted formula and coefficient of determination of three wind turbines

2.3 不同風(fēng)向條件的集群流場(chǎng)分析

為了分析集群中機(jī)組格擋作用的影響,對(duì)8 m/s風(fēng)速下SSW、NNE、NNW、SSE、N、S 6個(gè)來(lái)流風(fēng)向的平均流場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖8給出了SSW、NNE兩個(gè)風(fēng)向的流場(chǎng)圖,由圖可知,2號(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組相對(duì)位置造成的格擋作用,使得SSE風(fēng)向下2號(hào)機(jī)組處于3號(hào)機(jī)組的尾流區(qū)中,而NNE風(fēng)向下則正好相反。尾流區(qū)中風(fēng)速明顯降低,造成下游機(jī)組可利用的風(fēng)能資源大幅降低甚至無(wú)法啟動(dòng)。

(a)SSW風(fēng)向

圖9所示為SSE、NNW兩個(gè)風(fēng)向的流場(chǎng)圖,兩個(gè)風(fēng)向雖然對(duì)稱,但各機(jī)組的運(yùn)行情況卻不一致。由圖9(a)可以看出,SSE風(fēng)向下1號(hào)機(jī)組周圍流場(chǎng)流速較低,導(dǎo)致前進(jìn)葉片無(wú)法提供足夠的驅(qū)動(dòng)力,機(jī)組無(wú)法正常啟動(dòng),故轉(zhuǎn)速為0。而由圖9(b)可以看出,在NNW風(fēng)向下,雖然2號(hào)機(jī)組也受到1號(hào)機(jī)組的尾流影響,但由于兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)向相反,使得2號(hào)機(jī)組的前進(jìn)葉片與1號(hào)機(jī)組的回轉(zhuǎn)葉片在兩臺(tái)機(jī)組的間隙處線速度同向,因而提高了間隙處空氣的流速,促進(jìn)了1號(hào)機(jī)組尾流的恢復(fù),進(jìn)而削弱了對(duì)2號(hào)機(jī)組周圍流場(chǎng)的不利影響,因此雖然2號(hào)機(jī)組風(fēng)能利用率急劇下降,但不致停機(jī)。

(a)SSE風(fēng)向

圖10給出了N、S兩個(gè)風(fēng)向的流場(chǎng)圖。如圖所示,當(dāng)N、S風(fēng)向來(lái)風(fēng)時(shí),處于下游的兩臺(tái)機(jī)組均會(huì)受到上游機(jī)組的影響,由于相對(duì)位置的格擋作用,導(dǎo)致N風(fēng)向來(lái)風(fēng)時(shí)的3號(hào)機(jī)組與S風(fēng)向來(lái)風(fēng)時(shí)的1號(hào)機(jī)組均因周圍流場(chǎng)恢復(fù)不佳、空氣流速較低等原因無(wú)法啟動(dòng),造成兩個(gè)風(fēng)向上集群功率差別的主要原因?yàn)?號(hào)機(jī)組在兩個(gè)工況下的出力差異。由圖10可知,在N風(fēng)向來(lái)風(fēng)時(shí),流場(chǎng)比較復(fù)雜,2號(hào)機(jī)組的回轉(zhuǎn)葉片由于受到間隙流的影響,導(dǎo)致凹面壓力較低,從而產(chǎn)生反力矩,不利于其正向旋轉(zhuǎn);而當(dāng)S風(fēng)向來(lái)風(fēng)時(shí),2號(hào)機(jī)組回轉(zhuǎn)葉片受到的阻力不大,且其前進(jìn)葉片受到了氣流較好的推動(dòng)作用,促進(jìn)了其正向旋轉(zhuǎn),從而加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)能的捕獲和利用,導(dǎo)致集群在N風(fēng)向上的功率輸出遠(yuǎn)小于S風(fēng)向。

(a)N風(fēng)向

由上述流場(chǎng)分析可知,集群中機(jī)組的格擋作用會(huì)導(dǎo)致下游的機(jī)組性能嚴(yán)重下降甚至停轉(zhuǎn),但由于機(jī)組的旋轉(zhuǎn)方向以及機(jī)組間距不同,導(dǎo)致對(duì)稱風(fēng)向上集群的運(yùn)轉(zhuǎn)情況并不對(duì)稱,這也從側(cè)面說(shuō)明了對(duì)集群在全風(fēng)向的功率輸出進(jìn)行擬合是必要的。

2.4 實(shí)際風(fēng)況下集群安裝方向研究

(a)第1類

由圖11(a)可知,對(duì)于具有單一最大風(fēng)能方向的廈門、呼和浩特、喀什、昆明,集群正對(duì)該方向安裝便可獲得較為明顯的增益效果,其平均功率比分別為1.23、1.20、1.24、1.31。對(duì)具有兩個(gè)風(fēng)能頻率較大方向的青島,朝向NNW方向安裝時(shí)集群可獲得最大的風(fēng)能利用率,這主要是因?yàn)榧簩?duì)反向來(lái)風(fēng)的增益相當(dāng),但N、NW方向上仍具有較大風(fēng)能,正對(duì)NNW方向擺放時(shí)可以更充分的利用其周圍45°范圍內(nèi)的風(fēng)能,如圖11(b)所示。屬于第3類地區(qū)的大連在W、E、NNW方向上風(fēng)能均比較豐富,由圖11(c)可以看出,集群朝向大部分方向擺放時(shí)的平均風(fēng)能利用率均不如孤立機(jī)組,而朝向NW方向擺放時(shí)的輸出功率相較于孤立機(jī)組有所提高,平均功率比為1.12,這主要因?yàn)榇筮B的3個(gè)主風(fēng)能風(fēng)向夾角約為90°,當(dāng)朝向這3個(gè)方向擺放時(shí)均會(huì)由于格擋作用導(dǎo)致一到兩個(gè)方向上的風(fēng)能利用不充分,而朝向風(fēng)能不那么充足的NW方向擺放時(shí),反而使集群對(duì)上述3個(gè)方向上風(fēng)能的利用率均有所增加,故集群可獲得最大平均功率比。鄭州沒(méi)有明顯的最大風(fēng)能方向,若要使集群獲得最大的風(fēng)能利用率,就要避免在集群中機(jī)組相互格擋的方位上出現(xiàn)較豐富的風(fēng)能,因此如圖11(d)所示,當(dāng)集群正對(duì)NNW方向安裝時(shí)可獲得最大的風(fēng)能利用率,因?yàn)樵摲较蚩梢允辜撼浞植东@NW、WNW、N、NNE、NE方向上的風(fēng)能。

由以上分析可知,風(fēng)能頻率分布對(duì)集群在自然風(fēng)場(chǎng)中的安裝方向起關(guān)鍵性作用。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)有單一最大風(fēng)能方向時(shí),集群正對(duì)此方向擺放可獲得最大風(fēng)能利用率;當(dāng)風(fēng)場(chǎng)有兩個(gè)相位差較大的主風(fēng)能風(fēng)向時(shí),選擇兩者中周圍風(fēng)能更豐富的方向排布可獲得更大的功率輸出;對(duì)于有3個(gè)主風(fēng)能風(fēng)向、主風(fēng)能風(fēng)向不明顯或風(fēng)能分布比較均勻的地區(qū),則應(yīng)避免在機(jī)組相互格擋的方位上出現(xiàn)較大的風(fēng)能分布,集群安裝方向處于較為豐富的風(fēng)能區(qū)即可獲得較好的增益效果。

3 規(guī)律普適性研究

為了驗(yàn)證上述集群安裝規(guī)律對(duì)三角形薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群的普適性,選取了兩種確有增益效果的集群,以相同方式預(yù)測(cè)了他們?cè)谏鲜?類地區(qū)不同安裝方向的增益效果。

3.1 集群構(gòu)型及安裝方向

集群2、集群3中3臺(tái)機(jī)組的相對(duì)位置關(guān)系如圖12所示。與集群1相同,規(guī)定垂直于1號(hào)機(jī)組與3號(hào)機(jī)組連線的箭頭指示集群的安裝方向,集群安裝方向改變時(shí)3臺(tái)機(jī)組的相對(duì)位置保持不變。

(a)集群2構(gòu)型

3.2 安裝規(guī)律驗(yàn)證

計(jì)算獲得了集群2、集群3在4類地區(qū)中4個(gè)典型站點(diǎn)不同安裝方向的平均功率比,所選的4個(gè)站點(diǎn)分別來(lái)源于2.1節(jié)所述的4類地區(qū),分別為有單一主風(fēng)能風(fēng)向的呼和浩特、有2個(gè)相位差較大主風(fēng)能風(fēng)向的青島、有3個(gè)相位差較大主風(fēng)能風(fēng)向的大連以及主風(fēng)能風(fēng)向不明顯的鄭州。兩個(gè)集群在不同地區(qū)站點(diǎn)的功率輸出如圖13所示。

(a)呼和浩特

由圖13可知,在不同地區(qū),集群2和集群3在不同安裝方向下的平均功率比具有相似的趨勢(shì)。由圖13(a)可知,在呼和浩特,集群2、集群3正對(duì)主風(fēng)能NNW方向安裝時(shí)具有最大的增益效果,平均功率比分別為1.28、1.21。對(duì)于青島,其在NNW、S風(fēng)向上風(fēng)能分布都很豐富,如圖13(b)所示,在不同的安裝方向上,集群2與集群3表現(xiàn)出與集群1相同的情況,即正對(duì)NNW方向安裝時(shí)具有最大的增益效果,平均功率比分別為1.32、1.26。對(duì)于大連和鄭州,兩地沒(méi)有突出的主風(fēng)能風(fēng)向,集群2、集群3在大部分安裝方向上功率輸出效果均不佳,所以與集群1相同,若想實(shí)現(xiàn)較充分的風(fēng)能利用,兩種集群的安裝方向要慎重選擇。由圖13(c)可知,在大連,當(dāng)集群2正對(duì)W方向排布時(shí)可獲得最佳風(fēng)能利用效果,平均功率比為1.09,這是因?yàn)榧?在±45°和±135°安裝方向上均出現(xiàn)了明顯的格擋效應(yīng),而大連具有3個(gè)最大風(fēng)能風(fēng)向,當(dāng)朝向任一方向安裝時(shí),均會(huì)使得一部分風(fēng)能不能得到充分利用,當(dāng)朝向W方向安裝時(shí),在出現(xiàn)格擋效應(yīng)的方向上未出現(xiàn)最大風(fēng)能分布,且可充分利用W、E兩個(gè)方向上的風(fēng)能,所以集群增益效果較好。同樣地,當(dāng)集群3朝向NW方向安裝時(shí),可充分利用3個(gè)最大風(fēng)能方向上的風(fēng)能,同時(shí)最大程度上削弱了格擋效應(yīng)對(duì)集群功率輸出的影響,平均功率比為1.12。在鄭州,沒(méi)有明顯的主風(fēng)能風(fēng)向,風(fēng)能主要分布在從W方向到NE方向區(qū)域內(nèi),而在此方向區(qū)間內(nèi),集群2正對(duì)任一方向排布均會(huì)受格擋效應(yīng)的影響,當(dāng)朝向NNE安裝時(shí),如圖13(d)所示,由于格擋效應(yīng)的存在,雖然對(duì)WNW方向上的風(fēng)能利用不充分,但很大程度上降低了±45°安裝方向上格擋效應(yīng)造成的損失,因此集群整體平均功率輸出較好,平均功率比可達(dá)到1.08。上述分析依然適用于集群3,當(dāng)朝向NNW方向安裝時(shí),最大程度上削弱了格擋效應(yīng)對(duì)集群功率輸出的影響,與集群1相同,該方向排布可使其相對(duì)充分地利用風(fēng)能,所以集群平均功率比最大,為1.07。

綜上所述,集群2、集群3在4類地區(qū)中4個(gè)典型站點(diǎn)最佳安裝方向出現(xiàn)的原因和集群1是相同的,這也說(shuō)明了2.4節(jié)中安裝方向選擇規(guī)律對(duì)三角形薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群具有普適性。

4 結(jié) 論

本文基于變轉(zhuǎn)速控制策略和CFD數(shù)值仿真,評(píng)估了薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群在不同地理位置、不同風(fēng)況條件下4個(gè)地區(qū)8個(gè)典型站點(diǎn)的輸出功率,并以此為基礎(chǔ)總結(jié)了在不同風(fēng)況條件下集群安裝方向的選取規(guī)律,進(jìn)一步證明了該規(guī)律對(duì)三角形薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群的普適性,得到的主要結(jié)論如下。

(2)集群的安裝方向取決于風(fēng)能頻率分布規(guī)律。對(duì)于有單一最大風(fēng)能方向的地區(qū),集群應(yīng)正對(duì)此方向安裝,收益為孤立風(fēng)力機(jī)的1.2倍左右;對(duì)于有兩個(gè)相位差較大的主風(fēng)能風(fēng)向地區(qū),選擇周圍風(fēng)能更豐富的方向排布集群;對(duì)于有3個(gè)主風(fēng)能風(fēng)向、主風(fēng)能風(fēng)向不明顯或風(fēng)能分布比較均勻的地區(qū),首先應(yīng)使機(jī)組相互格擋的方位避開(kāi)風(fēng)能相對(duì)集中區(qū),然后將集群朝向風(fēng)能資源比較豐富的方向排布,得到的平均功率比可達(dá)到1.05以上。

(3)在呼和浩特、青島、大連、鄭州4個(gè)站點(diǎn),得到按照上述布局規(guī)律擺放的集群2的平均功率比分別為1.28、1.32、1.09、1.08,集群3的平均功率比分別為1.21、1.26、1.12、1.07。此結(jié)果表明,得到的真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中的布局規(guī)律對(duì)三角形薩沃紐斯風(fēng)力機(jī)集群具有一定的普適性,能為復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)條件下集群的安裝方向選擇提供參考依據(jù)。