基于CFD和风洞实验对丘陵地形风资源分布的研究

随着新能源行业的深入发展,风电行业发展更为迅速,对于一个风电项目而言,研究其风资源分布特性尤为重要。中国内陆地形较为复杂,大部分为山地丘陵。受地形的影响,风资源分布特性较为复杂,评估较为困难。先建立余弦型的丘陵地形物理模型,分别采用CFD数值模拟、风洞实验2种方法对丘陵地形周围流场进行模拟仿真与实验测试,通过对丘陵迎风坡、背风坡特定参考点水平风速、垂直风速变化特征的分析,归纳总结了丘陵地形周围风资源分布特征,为丘陵地形下风能开发利用提供一定的参考。     

典型丘陵地形下风资源分布特征的研究

为了探究典型丘陵不同高宽比下迎风坡的风资源分布特征,采用势流叠加理论与源板块法相结合,建立典型丘陵山地风场数学模型,利用MATLAB对典型丘陵地形下风场内的风资源特征进行仿真计算,分析3种不同坡度地形条件下位于迎风坡6个典型参考点在不同相对地面高度处水平方向风加速因子和垂直方向相对风速的变化规律;采用CFD软件分析各个参考点的湍流强度随相对地面高度的变化规律,确定合适的风机安装高度和位置。研究结果表明:丘陵地形高宽比在0.25~0.5时,随着高宽比的增加迎风坡上的风加速效应主要集中在垂直速度方向;TI值和强湍流区的变化趋势与地形的高宽比成正比。     

苏北区域台风外围风特性研究及对风电机组选型的影响

利用台风"温比亚"影响期间苏北区域4座测风塔的实测风数据,对苏北沿海平原地区台风外围影响下的风切变、湍流强度和阵风系数进行对比分析,同时探讨台风外围风特性对风电机组选型的影响.结果表明:台风外围各扇区风速在由海岸到内陆约50 km内衰减最为明显,随后风速衰减逐渐放缓;台风外围各扇区风切变、湍流强度和阵风系数均在由海岸到...     

基于Windographer的某区域风电场风资源分析评估

根据甘肃省某区域风电场测风塔10 m、40 m、60 m、80 m高度的实测风数据,利用Windographer4.2风资源分析软件计算空气密度、平均风速和风功率密度年内变化和日变化、风速和风能频率分布、风向频率和风能频率方向分布、风切变指数、湍流强度和50年一遇最大风速等指标参数。其计算结果表明测风塔80 m高度年平均风速为6.93 m/s,年平均风功率密度为354 W/m~2,年有效风速(3.0～25.0 m/s)时数为7 200 h以上,盛行风向稳定。60～80 m高度湍流强度在0.072～0.080之间,小于0.12,湍流强度较小。综合判定该区域风能资源较为丰富,符合大型风电场建设条件,适宜进行大规模风电开发利用。     

中国气象局风能太阳能预报系统（CMA-WSP）在风资源短期预报中的检验评估

[目的]为检验中国气象局风能太阳能预报系统（CMA-WSP）风速产品在风资源短期预报中的可靠性,对CMAWSP 100 m风速3 d预报产品进行检验分析。[方法]文章利用湖北省枣阳周楼、麻城蔡家寨和大金中部3个风电场100 m风速实测数据开展研究。[结果]研究结果如下：（1）CMA-WSP对枣阳风电场3 d内风速的整体预报效果较好,预报结果与实测风速变化趋势较为一致,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d的预报与实测风速相关系数可达0.728、0.740和0.860,随着预报时效增加,预报与实测相关性逐渐降低。（2）CMA-WSP预报风速与实测风速相对误差变化规律性强,逐15 min、小时平均和日平均风速第1 d预报相对误差分别为68%、70%和92%,预报风速整体高于实测风速;小时平均风速及相对误差均呈现白天小、晚上大的特征;月平均风速变化与MRE值变化呈相反趋势,且在1～6月和10～12月最低、7～9月最大。（3）从地区差异来看,CMA-WSP对枣阳周楼风电场风速的预报效果最好,第1 d预报与实测风速相关性可以达到0.728,第2～3 d的预报相关性也超过0.6,CMA-WS...     

基于CFD的复杂地形风电机组机位微地形风资源数值模拟研究

  [目的]  在复杂地形进行风电机组建设时,机位点周围易形成高边坡地形,改变了风资源分布特征,影响机组发电量和安全性能,文章旨在研究高边坡地形的影响因素和预防其对机组的危害。  [方法]  基于STAR-CCM+软件平台对实际风电场机组高边坡地形进行了数值模拟,分析了立机位置选择、坡度、开挖深度等因素对机位处风资源参数的影响。  [结果]  结果表明:高边坡改变了原地形风的加速效应,产生大幅度的流体分离。当高边坡位于机组上风向时,机组下叶尖易产生较大的风切变,湍流强度超标,而高边坡在机组下风向时,机位处风资源参数则正常;高边坡的坡度大小对坡前立机风参数无显著影响;当下叶尖高度低于边坡高度时,机组位置下叶尖风速很小,切变值易超标。  [结论]  分析结果可为高边坡地形机组施工平台设计和塔筒高度选择提供参考。     

中国风能开发利用的风环境区划

基于大气边界层气象和气候学理论分析以及中尺度数值模拟,采用秒级探空气象资料和典型地形激光雷达观测资料,依据风能利用高度内总体风能资源开发潜力,划分出9个风环境区。年平均风能环境指数最高的风环境区是北方通风廊道,其次是东北平原,最低的是青藏高原下游地区。发现在稳定大气条件下,风能利用高度内的平均风速垂直变化呈两层分布形态,下层平均风速随高度的增速比上层大2～5倍。下层风速的垂直变化取决于地表特征,上层则受上游大地形造成的局地环流影响,由此形成不同风环境区风能资源特性的差异。最后给出构建不同地形条件下平均风廓线计算方法的建议。结论可为中国风能资源评估理论拓展与数值模拟、风电场选址和适用复杂地形条件的风电机组设计提供科学支撑。     

风对南水北调东线工程东平湖输水流场影响的模拟

在东平湖正常设计调水条件下,借助于SMS地表水软件,根据东平湖地形、植被覆盖和调水流向等特征对东平湖进行网格划分,建立了二维水流模型,研究了不同风速、风向对东平湖输水流场的影响。结果表明,当湖区风速为3m/s(一般天气)时,风速、风向基本不会对东平湖输水流场产生影响;当湖区风速达10 m/s(极端天气)时,风速、风向对东平湖输水流场的影响很小,引起的湖水位变幅在5%以下。可见在正常设计调水条件下,风生流对东平湖湖区流场的影响可以忽略,在模拟研究湖区水质(溶质类污染物)时可以不考虑风的影响。     

大型风力发电机组变桨距系统结构可靠性设计研究

随着风力发电技术的不断发展,大功率、长叶片已逐渐成为大型风力发电机组的主要特征和发展方向,以持续提升风能利用的经济性。风力发电机组大型化带来叶片长度和重量的显著增加,风轮每旋转一周,在低速轴上的受力和作用在叶片上的重力均会出现周期性变化,同时,在风轮旋转平面上,因风切变、塔影效应和湍流的作用而产生循环变化的载荷。风力发电机组大型化必然带来机组疲劳载荷的增加,疲劳载荷是风力发电机组在全风速范围内运行所产生的典型载荷循环,循环的数量正比于各种风速下机组发电运行的时间,决定着部件的设计使用寿命。为进一步研究风切变、塔影效应、叶片重力、叶片推力载荷对大风轮直径机组叶根疲劳载荷所产生的影响,文章通过对风轮运行载荷分析和系统仿真,对变桨传动系统结构有限元计算和分析,研讨影响变桨传动系统可靠运行的主要因素,为大型风力发电机组变桨传动系统可靠性设计提供参考。     

风电机组载荷计算的外部风速条件模拟研究

针对大型风力发电机组设计中的风速条件进行了模拟研究,利用Bladed软件进行了仿真和载荷计算,研究内容包括风切变、塔影、上风向尾流、三维湍流、瞬时风速等建模问题.结合沈阳工业大学承担"863"项目--SUT-1000 MW级变速恒频风电机组的研制,进行了IEC标准下各级负载级别的载荷计算.     

山区长短腿输电塔的动力失稳分析

针对山区长短腿输电塔在静风和脉动风作用下动力失稳问题,为寻求输电塔失稳极限风速和破坏发生路径,研究了山地丘陵B类地貌常用5B ZBC4型长短腿输电塔在风载作用下的动力特性,采用B-R准则和动态增量法（IDA）并结合位移等值准则,考虑了不同的风载作用,模拟了山区脉动风载对输电塔进行非线性屈曲分析和时程分析。结果表明,输电塔靠近山顶侧发生受压破坏、山谷侧为受拉破坏,且从塔腿开始逐渐发展到塔身,最终导致倒塔事故;现行山地丘陵输电塔的抗风设计规范将风等效为静力荷载的方法偏于不安全。     

大型低风速风电场运行分析

近年来,风能资源丰富的区域受到资源和规模等因素的限制,人们悄然把目光转向更为广阔的低风速区域。安徽来安低风速风电场是全国首个低风速风电场。本文介绍了来安风电场的基本情况,从海拔高度对发电量的影响、森林(粗糙度)对发电量的影响、风切变和湍流强度对功率曲线的影响等四个方面分析风电场的运行情况,总结了低风速风电场运行的特点和部分规律,为以后风电场建设提供参考。     

典型复杂地形影响下单台风力机布机方案数值计算研究

针对在典型复杂地形下选取单台风力机最佳布机点的问题,文章首先对典型复杂地形中的悬崖地形和高低山头地形分别进行无风力机工况下的数值模拟,根据得到的流场结果初步选取了不同迎风工况下的若干布机方案,最后,采用改进致动盘模型和拓展k-ε湍流模型相结合的方法,对各布机方案进行了风力机与地形耦合流场的数值计算。通过分析比较不同迎风工况和各布机方案下风轮前端1D处的轴向入流平均风速、湍流强度、垂直风速分量以及由轴向入流平均风速预测得到的发电功率,给出了合理的布机建议,为复杂地形风电场微观选址提供了理论支持。     

激光雷达在不同地形条件下进行风资源评估的适用性研究北大核心CSCD

为了验证WindCube激光雷达在不同地形和不同测量高度条件下替代测风塔评估风资源的可行性,文章采用WindCube激光雷达与测风塔在复杂山地、平原和沿海3种地形条件下的同步观测试验数据,对风速、风向、相对偏差和风廓线进行了对比分析。对比结果表明:WindCube测量高度越高,有效数据完整率越低,在90~120 m轮毂高度,有效数据完整率在90%以上,能满足风能资源评估要求;在复杂山地、平坦地形条件下,WindCube与测风塔风速相关系数达0.99以上,风向相关系数在0.85~0.90,两种仪器测得的10 min平均风速偏差在0.1 m/s以内,相对偏差在1%左右,WindCube可代替测风塔进行风能资源评估;沿海地形条件下,WindCube与测风塔风速相关系数达0.90以上,风向相关系数在0.90左右,WindCube与测风塔测得的10 min平均风速偏差较大,达0.5 m/s,相对偏差在10%左右,受下垫面影响,WindCube替代测风塔进行风能资源评估的可行性应根据项目实际情况进一步评估。     

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明：在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。     

风电场局部地形改造空气动力场数值模拟

针对风场局部地区机组发电能力不足、技术改造效果不确定的问题,应用Global mapper、WAsP、Matlab等软件拟合出局部地形物理模型。以风场实测数据作为物理模型的入流条件,利用UDF自定义速度入口和湍流入口,通过CFD计算出12种来流下各改造地形的机组轮毂高度处的风速、湍流度。与实际风数据比较后发现,该物理模型具有较高的精度,同时改造地形可有效增加下风向的风速、减小湍流度,从而取得较好的经济效益。     

复杂下垫面风电场风速垂直外推方法研究

以复杂下垫面风电场风速垂直外推方法为研究对象,分析复杂下垫面风电场风廓线受影响的成因,认为大气稳定度、地形以及粗糙度对风廓线存在显著影响,然后选取风向与大气稳定度分类参数对各影响因素进行量化。在此基础上以支持向量回归为工具,提出考虑各影响因素的风速垂直外推方法,并以中国中部复杂山区风电场为例验证所提出的方法。将外推结果与传统方法进行对比,结果表明所提出的方法各评价参数均优于规范推荐的风切变指数方法,其计算出的风速偏差、绝对风速偏差、均方根误差以及发电量偏差分别降低79%、11.7%、20.2%以及81.6%,相关系数提高0.4%,说明该方法能有效提高风速垂直外推准确性、降低风电项目建设风险。     

基于分形学的湍流风谱特性对比研究

为定量描述湍流风场和解决湍流风谱模型选择时存在盲目性和不准确性等问题,基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度的影响,生成不同程度的风速时间序列曲线。基于图像识别技术和计盒维数法对各条件下风速曲线分形维数进行计算。结果表明:不同湍流风谱模型具有不同的分形特性;湍流风分形特性受湍流强度和地表粗糙度影响;相同地貌特征和气候条件下,不同高度处风速时间序列数据具有不同的分形维数。     

低风速型风电机组高柔塔筒涡激振动疲劳损伤评估

为实现低风速型风电机组高柔塔筒抗疲劳设计，以某140 m柔塔机组为研究对象，采用欧盟标准EN 1991-1-4推荐的有效相关长度法和频谱模型法，开展涡激振动疲劳损伤评估。基于有限元法建模获取结构固有模态属性；由疲劳应力-寿命（S-N）曲线、风速瑞利分布和Miner法则推导塔筒疲劳应力范围和损伤规则；对比分析柔塔与刚塔两类机型临界风速分布和焊缝疲劳损伤分布。结果表明：柔塔更易激发二阶涡激振动，二阶涡激载荷显著增大，其损伤对不同风场条件（年平均风速、风切变）极为敏感；在6.5 m/s设计风速下，45%～85%塔筒高度处疲劳损伤均超过IEC 61400-6塔架与基础设计要求20年损伤限值0.1，存在疲劳破坏风险，须考虑加阻措施或优化结构设计。     

基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。