杨晓雷

(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京 100190)

(中国科学院大学工程科学学院,北京 100049)

引言

化石能源的使用导致地球气温升高,给环境带来了巨大甚至不可逆的影响,比如极端天气、冰川融化等[1].根据国家发改委能源研究所发布的《2020 年中国可再生能源展望报告》,到2050 年,中国风电将占到能源消费的38.5%[2].在风电占如此大的比重下,其成本需进一步降低以保持经济上的竞争力[3].从19 世纪末到现在,基于空气动力学理论的叶片设计技术不断进步,促进风力机发电效率不断提高.同时,通过采用更高的塔筒和更长的叶片,使得单个机组的发电量不断提升,从千瓦到十兆瓦甚至更高[3].另一方面,风电场中的风力机通常按照一定间距排布成阵列,其性能受风力机尾迹影响[3].风力机尾迹影响发电量、风电质量、及风电机组维护费用.风机尾迹风速低,带来的平均发电量损失约为20%[4],高可达80%[5],湍流强度高,影响下游风力机所受疲劳载荷,从而增加维护费用[6-7],是影响风电成本的关键因素,尾迹湍流脉造成下游机组电量产出脉动,影响风电并网性能.

当前风力机控制和设计以最优自身性能为目标,然而这通常导致整个风电场性能不佳.将风电场作为一个整体进行设计和控制优化有潜力显著提高风电场电量产出,降低运营与维护成本.对风力机尾迹机理进行深入研究,发展尾迹快速预测模型,是实现风电场整体设计和控制的流……