【摘要】：隨著國內(nèi)外對環(huán)保問題的日益重視,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)電場的風(fēng)資源情況,因此,提升風(fēng)電場發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵在于對風(fēng)電場的科學(xué)選址以及對風(fēng)力機(jī)的合理布局,而這就依賴于對風(fēng)資源的精確評估以及對風(fēng)場內(nèi)尾流干涉效應(yīng)的深入認(rèn)識。對風(fēng)資源的評估需要在中尺度氣象模式下開展,而對風(fēng)電場尾流干涉特性的研究需要在微尺度計算流體力學(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)電場模擬研究,對于輔助風(fēng)電場科學(xué)選址和風(fēng)力機(jī)優(yōu)化布局具有重要意義。本文通過計算流體力學(xué)與中尺度氣象模式相結(jié)合的方法,建立了對風(fēng)電場流動和運(yùn)行特性模擬的多尺度計算平臺。在微尺度CFD軟件OpenFOAM基礎(chǔ)上,發(fā)展了基于大渦模擬(LES)和致動線模型(ALM)的風(fēng)力機(jī)流場求解器,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)了對平坦地形和復(fù)雜地形都適用的風(fēng)電場CFD模擬平臺。在中尺度天氣研究與預(yù)報(WRF)軟件的基礎(chǔ)上,通過對風(fēng)電場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)電場參數(shù)化(WFP)耦合模型WFP-WRF。此外,通過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計算平臺。基于以上發(fā)展的模擬平臺,本文對風(fēng)電場的流動及運(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算平臺,對動態(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)排布方式對風(fēng)電場運(yùn)行的影響進(jìn)行了研究。探究了風(fēng)力機(jī)在動態(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)實際的功率曲線也吻合良好。對動態(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、軸向推力的波動幅度增大了;隨著下游湍流的增強(qiáng),當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后,下游風(fēng)力機(jī)的槳距調(diào)節(jié)會存在“超調(diào)”現(xiàn)象,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出功率值會在額定值附近輕微波動。對風(fēng)電場不同排布方案下的模擬結(jié)果表明,錯列排布相比于其他排布方案在降低風(fēng)力機(jī)載荷脈動,提高風(fēng)場容量因子和風(fēng)電場效率方面具有明顯的優(yōu)勢,而增加軸向間距也有利于提高風(fēng)電場的容量因子。其次,在中尺度模式下,基于WFP-WRF模型,首次對一個真實陸上風(fēng)電場內(nèi)的流動特性、功率輸出特性以及風(fēng)場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)電場的測風(fēng)數(shù)據(jù)和實際功率輸出數(shù)據(jù),對模型的計算精度進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明,當(dāng)前的計算模型對于風(fēng)場的風(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,對不同風(fēng)向下,風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)力機(jī)的輸出功率及風(fēng)場的運(yùn)行效率進(jìn)行對比分析,定量地比較了三個主要風(fēng)向下風(fēng)電場的出力特性。此外,探究了風(fēng)電場運(yùn)行對大氣邊界層風(fēng)速、溫度的影響,對風(fēng)電場影響下不同高度層的速度及溫度的波動特性進(jìn)行了對比,定量地揭示了風(fēng)場對其下游不同位置區(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,對復(fù)雜地形條件下的陸上風(fēng)電場的流動及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性展開了多尺度模擬研究。并基于風(fēng)場運(yùn)行數(shù)據(jù)分別對基于中尺度WFP-WRF模式和多尺度WRF-CFD耦合模式計算得到的風(fēng)力機(jī)功率輸出結(jié)果的精度進(jìn)行了檢驗,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)電場的流動細(xì)節(jié)以及提高模擬精度方面具有明顯的優(yōu)勢。同時,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,探究了地形對風(fēng)力機(jī)周圍流場以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響。此外,本文還研究了入流風(fēng)速對風(fēng)電場運(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)展了對風(fēng)電場流動及運(yùn)行特性模擬的多尺度耦合計算平臺,可以用于輔助風(fēng)電場的宏觀、微觀選址,具有重要的工程應(yīng)用價值。
【圖文】：

，化石能源的過度使用，環(huán)境污染問題已日益突出。因此，推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，發(fā)展清逡逑潔能源已迫在眉睫。在過去的十多年中，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)展勢頭。圖１．１為２００１－２０１７年間全逡逑球累計風(fēng)電裝機(jī)容量的統(tǒng)計結(jié)果［２］，可以看出，在過去的１７年中，全球風(fēng)電的累計裝機(jī)逡逑容量增長了超過２０倍；截至２０１７年底，累計裝機(jī)容量接近５．４０億千瓦。我國是一個風(fēng)逡逑力資源十分豐富的國家，據(jù)２０１５全國風(fēng)能資源評估數(shù)據(jù)顯示，我國陸地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)能儲量使得在中國風(fēng)能的開發(fā)利用具有很好的前景。近逡逑１０年來，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)非常迅猛的發(fā)展勢頭，如圖１．２所示，從２００９年開始，我國逡逑風(fēng)電每年新增裝機(jī)容量均在１０００萬千瓦以上，截至２０１７年底，中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)逡逑到１．８８億千瓦。中國風(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)先于其他逡逑國家，成為了當(dāng)今世界的頭號“風(fēng)電大國”。２０１７年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電在我國電力逡逑裝機(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)電無論在裝機(jī)容逡逑量上還是年發(fā)電量上都成為我國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源于大氣轉(zhuǎn)化的動能，不需要人為的對其補(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)電場區(qū)域的風(fēng)資源情況。逡逑所以，提升風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性的前提是在風(fēng)電場開發(fā)前期對風(fēng)能資源進(jìn)行準(zhǔn)確地評估，并在此逡逑基礎(chǔ)上對風(fēng)電場進(jìn)行科學(xué)選址及優(yōu)化風(fēng)電場布局。風(fēng)電場選址階段精準(zhǔn)的風(fēng)能資源以及風(fēng)逡逑況特性評估，對于風(fēng)電場的運(yùn)行具有重要的意義，而失敗的選址將造成風(fēng)場巨大的經(jīng)濟(jì)損逡逑失。有學(xué)者對美國風(fēng)場的研究表明，諸多投產(chǎn)的風(fēng)電場其實際產(chǎn)出的電能都比預(yù)期值減少逡逑了邋２０％以上，并且由于對風(fēng)場風(fēng)剪切和湍流特性的評估誤差，使得許多設(shè)計壽命在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，建成風(fēng)電場的平均等效滿負(fù)荷逡逑發(fā)電小時數(shù)也偏低［６］，造成這一現(xiàn)象的一個重要原因就是風(fēng)電場建設(shè)前期對風(fēng)資源的評估逡逑不夠準(zhǔn)確，以及復(fù)雜地形下風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)的布局不甚合理。因此，對風(fēng)資源和風(fēng)能特性的逡逑準(zhǔn)確評估以及對風(fēng)電場優(yōu)化選址的研究，仍然是當(dāng)今風(fēng)能工程領(lǐng)域不可忽視的問題，具有逡逑重要的學(xué)術(shù)研究價值。逡逑在風(fēng)能工程領(lǐng)域，風(fēng)電場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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：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;;基于時間分辨粒子圖像測速技術(shù)的水平軸風(fēng)力機(jī)近尾跡特性的實驗研究（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模式對福建沿海風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測的效果分析[J];氣象科學(xué);2014年05期

4 朱

本文編號：2615106