【摘要】：隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,在世界能源結(jié)構(gòu)中扮演著越來(lái)越重要的角色。在當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電成本還高于火電成本的背景下,提升風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性是保證風(fēng)能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。由于風(fēng)電的發(fā)電成本很大程度上取決于風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源情況,因此,提升風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵在于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的科學(xué)選址以及對(duì)風(fēng)力機(jī)的合理布局,而這就依賴于對(duì)風(fēng)資源的精確評(píng)估以及對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)尾流干涉效應(yīng)的深入認(rèn)識(shí)。對(duì)風(fēng)資源的評(píng)估需要在中尺度氣象模式下開展,而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)尾流干涉特性的研究需要在微尺度計(jì)算流體力學(xué)(CFD)框架下進(jìn)行,因此開展中尺度與微尺度耦合模式的風(fēng)電場(chǎng)模擬研究,對(duì)于輔助風(fēng)電場(chǎng)科學(xué)選址和風(fēng)力機(jī)優(yōu)化布局具有重要意義。本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)與中尺度氣象模式相結(jié)合的方法,建立了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)和運(yùn)行特性模擬的多尺度計(jì)算平臺(tái)。在微尺度CFD軟件OpenFOAM基礎(chǔ)上,發(fā)展了基于大渦模擬(LES)和致動(dòng)線模型(ALM)的風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)求解器,并將風(fēng)力機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制和變槳距控制方法耦合到該求解器中,開發(fā)了對(duì)平坦地形和復(fù)雜地形都適用的風(fēng)電場(chǎng)CFD模擬平臺(tái)。在中尺度天氣研究與預(yù)報(bào)(WRF)軟件的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)與大氣邊界層相互作用機(jī)理的參數(shù)化建模,發(fā)展了中尺度風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)化(WFP)耦合模型WFP-WRF。此外,通過(guò)將以上中尺度模式與微尺度模式耦合,發(fā)展了多尺度WRF-CFD計(jì)算平臺(tái)。基于以上發(fā)展的模擬平臺(tái),本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的流動(dòng)及運(yùn)行特性開展了比較系統(tǒng)的研究。首先,在微尺度CFD模式下,基于耦合風(fēng)力機(jī)控制策略的大渦模擬計(jì)算平臺(tái),對(duì)動(dòng)態(tài)入流條件下風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性、尾流干涉特性,以及風(fēng)力機(jī)排布方式對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了研究。探究了風(fēng)力機(jī)在動(dòng)態(tài)入流風(fēng)速條件下的運(yùn)行響應(yīng)特性,結(jié)果表明,耦合新發(fā)展的控制模型后,風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率能夠很好地響應(yīng)入流風(fēng)速的變化,模擬得到的風(fēng)力機(jī)功率曲線與風(fēng)力機(jī)實(shí)際的功率曲線也吻合良好。對(duì)動(dòng)態(tài)入流條件下風(fēng)力機(jī)尾跡干涉特性的研究表明,下游風(fēng)力機(jī)在尾跡影響下,轉(zhuǎn)矩、軸向推力的波動(dòng)幅度增大了;隨著下游湍流的增強(qiáng),當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后,下游風(fēng)力機(jī)的槳距調(diào)節(jié)會(huì)存在“超調(diào)”現(xiàn)象,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出功率值會(huì)在額定值附近輕微波動(dòng)。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)不同排布方案下的模擬結(jié)果表明,錯(cuò)列排布相比于其他排布方案在降低風(fēng)力機(jī)載荷脈動(dòng),提高風(fēng)場(chǎng)容量因子和風(fēng)電場(chǎng)效率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),而增加軸向間距也有利于提高風(fēng)電場(chǎng)的容量因子。其次,在中尺度模式下,基于WFP-WRF模型,首次對(duì)一個(gè)真實(shí)陸上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)特性、功率輸出特性以及風(fēng)場(chǎng)與大氣邊界層的相互作用展開了高分辨率的數(shù)值模擬研究。利用風(fēng)電場(chǎng)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和實(shí)際功率輸出數(shù)據(jù),對(duì)模型的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,當(dāng)前的計(jì)算模型對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)力機(jī)功率的模擬具有較高的精度。同時(shí),對(duì)不同風(fēng)向下,風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)力機(jī)的輸出功率及風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行效率進(jìn)行對(duì)比分析,定量地比較了三個(gè)主要風(fēng)向下風(fēng)電場(chǎng)的出力特性。此外,探究了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)大氣邊界層風(fēng)速、溫度的影響,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)影響下不同高度層的速度及溫度的波動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比,定量地揭示了風(fēng)場(chǎng)對(duì)其下游不同位置區(qū)域風(fēng)速的影響情況。最后,在中尺度與微尺度耦合的WRF-CFD模式下,對(duì)復(fù)雜地形條件下的陸上風(fēng)電場(chǎng)的流動(dòng)及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性展開了多尺度模擬研究。并基于風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分別對(duì)基于中尺度WFP-WRF模式和多尺度WRF-CFD耦合模式計(jì)算得到的風(fēng)力機(jī)功率輸出結(jié)果的精度進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明,相比于中尺度WFP-WRF模式,采用WRF-CFD多尺度耦合的方式,在捕捉風(fēng)電場(chǎng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)以及提高模擬精度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí),本文分別考慮了風(fēng)力機(jī)處在山坡上風(fēng)向、山坡頂上和上坡下風(fēng)向三種情況,探究了地形對(duì)風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響。此外,本文還研究了入流風(fēng)速對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性的影響,探討了四種不同入流風(fēng)況條件下,風(fēng)力機(jī)的輸出功率、軸向推力及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的演化特性。本文的研究發(fā)展了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)及運(yùn)行特性模擬的多尺度耦合計(jì)算平臺(tái),可以用于輔助風(fēng)電場(chǎng)的宏觀、微觀選址,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

，化石能源的過(guò)度使用，環(huán)境污染問(wèn)題已日益突出。因此，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，發(fā)展清逡逑潔能源已迫在眉睫。在過(guò)去的十多年中，風(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的可再逡逑生能源之一［１］，在世界范圍內(nèi)都一直保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。圖１．１為２００１－２０１７年間全逡逑球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［２］，可以看出，在過(guò)去的１７年中，全球風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)逡逑容量增長(zhǎng)了超過(guò)２０倍；截至２０１７年底，累計(jì)裝機(jī)容量接近５．４０億千瓦。我國(guó)是一個(gè)風(fēng)逡逑力資源十分豐富的國(guó)家，據(jù)２０１５全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)陸地７０米高度的風(fēng)能逡逑可開發(fā)量為５０億千瓦，巨大的風(fēng)能儲(chǔ)量使得在中國(guó)風(fēng)能的開發(fā)利用具有很好的前景。近逡逑１０年來(lái)，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)非常迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，如圖１．２所示，從２００９年開始，我國(guó)逡逑風(fēng)電每年新增裝機(jī)容量均在１０００萬(wàn)千瓦以上，截至２０１７年底，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)逡逑到１．８８億千瓦。中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量占據(jù)了世界風(fēng)電總裝機(jī)容量的３５％，遙遙領(lǐng)先于其他逡逑國(guó)家，成為了當(dāng)今世界的頭號(hào)“風(fēng)電大國(guó)”。２０１７年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電在我國(guó)電力逡逑裝機(jī)容量上的占比達(dá)到了邋９．０％，發(fā)電量占比約為４．４３％［３］。目前，，風(fēng)力發(fā)電無(wú)論在裝機(jī)容逡逑量上還是年發(fā)電量上都成為我國(guó)繼火電和水電之后的第三大發(fā)電能源。逡逑

由于風(fēng)電輸出的能量全部來(lái)源于大氣轉(zhuǎn)化的動(dòng)能，不需要人為的對(duì)其補(bǔ)充其他形式的逡逑能量、不存在燃料成本，因此風(fēng)電的發(fā)電成本很大程度上決定于風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)資源情況。逡逑所以，提升風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的前提是在風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)前期對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)估，并在此逡逑基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)選址及優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)布局。風(fēng)電場(chǎng)選址階段精準(zhǔn)的風(fēng)能資源以及風(fēng)逡逑況特性評(píng)估，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行具有重要的意義，而失敗的選址將造成風(fēng)場(chǎng)巨大的經(jīng)濟(jì)損逡逑失。有學(xué)者對(duì)美國(guó)風(fēng)場(chǎng)的研究表明，諸多投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)其實(shí)際產(chǎn)出的電能都比預(yù)期值減少逡逑了邋２０％以上，并且由于對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剪切和湍流特性的評(píng)估誤差，使得許多設(shè)計(jì)壽命在２０年逡逑以上的風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行４－５年后出現(xiàn)了疲勞損壞［５］。在中國(guó)，建成風(fēng)電場(chǎng)的平均等效滿負(fù)荷逡逑發(fā)電小時(shí)數(shù)也偏低［６］，造成這一現(xiàn)象的一個(gè)重要原因就是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期對(duì)風(fēng)資源的評(píng)估逡逑不夠準(zhǔn)確，以及復(fù)雜地形下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的布局不甚合理。因此，對(duì)風(fēng)資源和風(fēng)能特性的逡逑準(zhǔn)確評(píng)估以及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化選址的研究，仍然是當(dāng)今風(fēng)能工程領(lǐng)域不可忽視的問(wèn)題，具有逡逑重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。逡逑在風(fēng)能工程領(lǐng)域，風(fēng)電場(chǎng)選址可以分為宏觀選址和微觀選址兩部分。宏觀選址是指在逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM614

【參考文獻(xiàn)】

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1 Jian-wen WANG;Ren-yu YUAN;Xue-qing DONG;San-xia ZHANG;Yang SONG;Zhi-ying GAO;Kun LUO;Kun-zan QIU;Ming-jiang NI;Ke-fa CEN;;基于時(shí)間分辨粒子圖像測(cè)速技術(shù)的水平軸風(fēng)力機(jī)近尾跡特性的實(shí)驗(yàn)研究（英文）[J];Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering);2015年07期

2 程雪玲;胡非;曾慶存;;復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)數(shù)值模擬[J];氣候與環(huán)境研究;2015年01期

3 楊光焰;吳息;周海;;WRF模式對(duì)福建沿海風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速預(yù)測(cè)的效果分析[J];氣象科學(xué);2014年05期

4 朱

本文編號(hào)：2615106