在優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)時(shí)，尺寸很重要。具有較長(zhǎng)葉片的較高塔通常捕獲更大，更強(qiáng)的風(fēng)以用于發(fā)電。然而，渦輪機(jī)尺寸只是成功風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)重要特征。風(fēng)場(chǎng)的選址和渦輪機(jī)放置也很關(guān)鍵。根據(jù)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員的說(shuō)法，風(fēng)力渦輪機(jī)很少“與其他人一起玩得很好”。
在最大化項(xiàng)目的能源生產(chǎn)方面，風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)于彼此的選址方式也很重要。
尾流效應(yīng)的影響
“我們一直在設(shè)計(jì)自己使用的渦輪機(jī)，但我們幾乎不再單獨(dú)使用它們。”加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校機(jī)械工程教授Paolo Luzzatto-Fegiz說(shuō)。（來(lái)源：Phys.org）。一段時(shí)間以來(lái)，開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)意識(shí)到渦輪機(jī)間距和整體風(fēng)電場(chǎng)布局可能會(huì)降低尾流效應(yīng)項(xiàng)目的效率和生產(chǎn)。這意味著風(fēng)速對(duì)渦輪機(jī)的影響將影響并減少風(fēng)對(duì)其后的渦輪機(jī)的影響。
基本上，第一臺(tái)渦輪機(jī)產(chǎn)生阻力，降低下游風(fēng)速。結(jié)果是：由于風(fēng)力較弱，現(xiàn)場(chǎng)的許多渦輪機(jī)可能在減少的容量下工作。Luzzatto-Fegiz稱(chēng)之為“減少風(fēng)速回歸。”換句話說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)增加更多的風(fēng)力渦輪機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致更多的阻力和更少的生產(chǎn)。
Luzzatto-Fegiz和他的英國(guó)劍橋大學(xué)的合著者Colm-cille P. Caulfield表示，關(guān)鍵是要讓所有渦輪機(jī)都能進(jìn)入高速氣流 - 例如上面的風(fēng)流（而不是之間）渦輪機(jī)。然而，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。研究發(fā)現(xiàn)，即使借助數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)的最佳布局也很困難。
Penn State Behrend和大不里士大學(xué)（伊朗）的研究人員接受了挑戰(zhàn)，并一直致力于通過(guò)基于生物地理學(xué)優(yōu)化或BBO的算法改進(jìn)風(fēng)選址。該方法著眼于自然，以及動(dòng)物如何自然地分配自己，以充分利用他們的環(huán)境來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。
“通過(guò)從動(dòng)物行為創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，研究人員可以在其他情景中計(jì)算物體的最佳分布，例如風(fēng)電場(chǎng)上的渦輪機(jī)，”Phys.org在該研究中報(bào)道。
BBO可能聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)延伸，但據(jù)研究人員稱(chēng)，該方法可以最大限度地減少計(jì)算結(jié)果。它們還包含其他變量，“包括真實(shí)的市場(chǎng)數(shù)據(jù)，表面的粗糙度 - 影響風(fēng)中的功率 - 以及每個(gè)渦輪機(jī)接收的風(fēng)量。”此外，通過(guò)使用氣象記錄和制造商統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，算法進(jìn)一步增強(qiáng)。（這些結(jié)果在2018年11月的“清潔生產(chǎn)雜志”上發(fā)表在線）。
在國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和合作伙伴提供的能源部資助報(bào)告“自然能源”中出現(xiàn)的“由于風(fēng)力發(fā)電不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的風(fēng)力渦輪機(jī)尾流效應(yīng)的成本和后果”發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的尾跡已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)延伸到25英里。更重要的是，美國(guó)（2016年）近90％的個(gè)別風(fēng)力發(fā)電站位于另一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠的25英里范圍內(nèi) - 這意味著所有這些站點(diǎn)都可能出現(xiàn)尾流效應(yīng)。
有趣的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，最大的尾流效應(yīng)發(fā)生在風(fēng)向特定方向時(shí)和夜間溫度降低時(shí)。該研究使用大氣模擬，結(jié)合經(jīng)濟(jì)和法律分析，證明風(fēng)力設(shè)施尾流效應(yīng)實(shí)際上是可測(cè)量和可預(yù)測(cè)的。
好消息：對(duì)于本研究中模擬的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施，最嚴(yán)重的尾流效應(yīng)僅發(fā)生不到4％的時(shí)間。這表明通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龊瓦x址可以預(yù)測(cè)和管理尾流損失。
有效利用尾流效應(yīng)提升風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量
斯坦福大學(xué)近日也公布了一項(xiàng)研究成果，可以顯著提高風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量，尤其對(duì)于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)，發(fā)電量增長(zhǎng)甚至接近50％！
這項(xiàng)名為“尾流轉(zhuǎn)向”的研究，通過(guò)在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中根據(jù)主風(fēng)向逐行偏轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，來(lái)改善這一問(wèn)題。
在加拿大阿爾伯塔省的TransAlta Renewables風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行的測(cè)試顯示，在使用“尾流轉(zhuǎn)向”策略后，風(fēng)場(chǎng)平均發(fā)電量提升了7%~13%，而在風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量提升了增加了47％！并且，還減少了因風(fēng)速變化而造成的發(fā)電量大幅波動(dòng)。
有些運(yùn)營(yíng)商擔(dān)心，所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向，長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)是否會(huì)影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而測(cè)試結(jié)果卻恰恰相反，“尾流轉(zhuǎn)向”不僅不會(huì)損害風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，反而會(huì)減少機(jī)械疲勞。
項(xiàng)目研究者，來(lái)自斯坦福大學(xué)土木、環(huán)境和機(jī)械工程教授John Dabri表示：“為了實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的全球目標(biāo)，我們需要找到從現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)獲得更多能源的方法。一直以來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)研究的重點(diǎn)一直是風(fēng)電場(chǎng)中單臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能，但實(shí)際上應(yīng)該考慮整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，而不僅僅是其各個(gè)部分的總和。”
在使用“尾流轉(zhuǎn)向”的策略后，前排風(fēng)機(jī)的發(fā)電量會(huì)降低，但由于尾流效應(yīng)的減小，后排風(fēng)機(jī)的發(fā)電量顯著增加。
“尾流轉(zhuǎn)向”也有助于風(fēng)場(chǎng)的電力輸出更平穩(wěn)，特別是在低風(fēng)速地區(qū)運(yùn)行的風(fēng)場(chǎng)。大量的風(fēng)機(jī)在原本輸入極低的風(fēng)速條件下，局部位置的風(fēng)機(jī)發(fā)電量提高了72%。
不過(guò)，這也還是處在測(cè)試階段，還需要更多的數(shù)據(jù)去更進(jìn)一步的研究。但是，只要確認(rèn)了“尾流效應(yīng)”的可操作性，便會(huì)大大提升風(fēng)力發(fā)電的資源利用率。
