文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123408
风电场微观选址软件的应用
宋梦譞,何仲阳,陈凯,张兴
(清华大学航天航空学院,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084)
(Tel:010-62772668, Email:x-******@tsinghua.) 基金项目:国家863项目(2007AA05Z426)、国家国际科技合作专项项目(2011DFG13020)。
摘要:本文介绍了本研究小组开发的风电场微观选址软件及其在日本大槌地区风电场设计中的应用。文中介绍了本软件中采用的数值方法,包括复杂地形上大气流动的数值计算,以及本研究小组开发的用于快速计算风力机尾流效应的虚拟粒子模型和优化风力机布局的仿生方法。计算结果表明,该方法能够在复杂地形上生成优化的风力机布局,有效地降低风力机之间的影响,所得到的日本大槌的风电场布局方案能够有效地满足当地住宅区的能耗需求。
关键词:风力发电,微观选址,尾流模型
0 前言
风能是目前最成熟的可再生能源利用形式之一。我国风能资源储量丰富,近年来风电行业发展迅速,2011年全国风电装机容量约为2005年的50倍[1,2]。然而在风电的开发利用中,微观选址是其中十分重要的环节。由于风力机提取了气流的动能,导致下游形成速度降低的尾流区,对其它风力机的发电效率造成影响。在复杂地形上,大气流动不均匀,尾流的影响范围和强度也会发生变形和偏差。
在对微观选址方法的研究方面,国外很多学者利用各种优化算法对风力机布局进行优化,包括遗传算法、粒子群算法、蒙特卡罗方法、贪婪算法、模拟退火算法等。由于这些优化算法需要反复对大量不同的风力机布局进行发电功率评估,因而需要快速地计算风力机的尾流及其对其它风力机发电量的影响。现有的研究中广泛采用线性模型[3]来计算尾流。该模型基于平坦地形提出,不能很好地在复杂地形上表达尾流的变形效果。本研究小组提出了在复杂地形上模拟风力机尾流的虚拟粒子模型[4]。在复杂地形上,该模型根据预先计算得到的流场数据,采用虚拟物质的对流扩散运动来近似模拟风力机的尾流发展,能够比线性模型更准确地计算尾流和发电功率。另外还开发了与虚拟粒子模型相结合的仿生优化方法[5],可在复杂地形上对风电场风力机布局进行优化。
本研究小组基于对上述尾流模型和优化算法的研究,开发了风电场微观选址软件[6]。本文叙述微观选址软件中所采用的数值方法,介绍软件的功能,及其在日本大槌地区的风电场设计项目中的应用。
1 风电场微观选址方法
风场数值模拟
在复杂地形上进行风电场微观选址之前,需要获得风速风向的三维分布。本文采用计算流体力学(CFD)方法对风场气流进行模拟。湍流模型采用标准k-ε模型。对于风场气流问题,控制方程为不可压缩、常物性、稳态的连续方程、N-S方程和k-ε方程:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中μt为湍流粘性系数,其定义为μt=ρCμk2/ε。在计算大空间气流时,上述方程中的系数取值为[7]:C1=,C2=,Prk=,Prε=,Cμ=。
计算在地形追随网格上地形,该网格的横向网格线在地面附近与地面形状贴合,纵向网格线均为竖直方向。图1为地形追随网格的示例。
图1 地形追随网格示例
风力机尾流模型
在复