Влияние турбины на восстановление после пробуждения и выход электроэнергии на уровне ферм

Влияние патрубков турбин на производительность ветропарка

Расположение ветровых турбин в ветропарке является одним из наиболее важных проектных решений, влияющих как на общий захват энергии, так и на долгосрочные эксплуатационные расходы. Среди многих факторов, которые инженеры должны сбалансировать, расстояние между отдельными турбинами - обычно называемое расстоянием между турбинами - играет центральную роль в определении того, сколько энергии может генерировать ферма. Фундаментальная задача заключается в управлении будками, которые формируются за каждой турбиной. Когда ветер проходит через ротор, он теряет импульс и становится более турбулентным, создавая область пониженной скорости ветра, которая может простираться на сотни метров вниз по течению. Если следующая турбина расположена слишком близко, она работает в этом нарушенном потоке и производит значительно меньше электроэнергии. И наоборот, распространение турбин слишком далеко друг от друга потребляет больше земли и увеличивает затраты на взаимосвязь без пропорционального увеличения энергии. Понимание сложной взаимосвязи между расстоянием между турбинами, восстановлением будки и выходом энергии на уровне фермы, поэтому необходимо для проектирования экономически эффективных, высокодоходных проектов.

Современные ветропарки, особенно крупные морские установки, могут включать в себя десятки или даже сотни турбин.Кумулятивный эффект будильников означает, что даже небольшие изменения интервала могут привести к миллионам долларов в потерянных или полученных доходах за время существования проекта. В этой статье дается углубленный взгляд на то, как интервал турбин влияет на динамику пробуждения, как инженеры определяют оптимальные схемы и какие стратегии используются для балансирования производства энергии с экономическими ограничениями.

Понимание физики пробуждения на ветровых фермах

Что такое турбиновое пробуждение?

Когда ветер сталкивается с ветровой турбиной, часть его кинетической энергии извлекается ротором и преобразуется в механическую, а затем электрическую энергию. Это извлечение заставляет ветер сразу за ротором замедляться. Область замедленного потока известна как ближний стук, и она характеризуется выраженным дефицитом скорости и высокой интенсивностью турбулентности. Поскольку этот более медленный воздух движется вниз по течению, он смешивается с окружающим более быстрым воздухом, постепенно восстанавливая скорость посредством процесса, называемого восстановлением будки. Стойка также расширяется боком, создавая конусообразную зону влияния, которая может влиять на турбины, расположенные как непосредственно под ветром, так и, в меньшей степени, смещенные в стороны.

Точная форма и сила будильника зависят от нескольких факторов, включая диаметр ротора турбины, высоту концентратора, коэффициент тяги и атмосферные условия окружающей среды, такие как интенсивность турбулентности и сдвиг ветра. Например, в высоко турбулентных атмосферных условиях будильник восстанавливается быстрее, потому что турбулентные вихри смешивают медленный будильник с более быстрым воздухом над и вокруг него. В стабильных условиях с низкой турбулентностью - обычно в морских средах ночью - пробуждения могут сохраняться в течение десяти или более диаметров ротора ниже по течению, значительно снижая производительность турбин ниже по течению.

Механизмы восстановления Wake

Восстановление пробуждения обусловлено двумя основными механизмами: турбулентным смешиванием и увязанием. Турбулентное смешивание происходит, когда слой сдвига между медленным пробуждением и более быстрым свободным потоком генерирует вихри, которые передают импульс в пробуждение. Чем выше турбулентность окружающей среды, тем быстрее восстанавливается пробуждение. Увлечение относится к включению воздуха свободного потока в пробуждение по мере его расширения, что также придает импульс и помогает повысить скорость ветра в пробуждении. Эти процессы зависят не только от атмосферных условий, но и от расположения самой ветряной электростанции - расстояние между турбинами напрямую влияет на то, сколько времени и расстояния пробуждение должно восстановиться, прежде чем столкнуться со следующим ротором.

Важно отметить, что восстановление будки не является линейным процессом. Дефицит скорости распадается примерно как обратная часть расстояния вниз по течению, что означает, что самое быстрое восстановление происходит в первых нескольких диаметрах ротора позади турбины. После примерно 5-7 диаметров скорость восстановления замедляется, и будка становится более диффузной. Это поведение имеет глубокие последствия для решений о интервале: размещение турбин очень близко друг к другу (например, 3 диаметра ротора) подвергает блоки вниз по течению серьезным дефицитам, в то время как увеличение расстояния до 7-10 диаметров может позволить потоку восстанавливаться до почти свободных скоростей потока, особенно в средах с умеренной и высокой турбулентностью.

Влияние космического пространства на динамику волн

Downstream (Streamwise) - Пространство

Расстояние между турбинами вдоль преобладающего направления ветра, часто называемое стрим-вайзом или расстоянием вниз по течению, является наиболее важным параметром для управления бодрствованием. В типичных крупных ветровых электростанциях это расстояние колеблется от 5 до 12 диаметров ротора (D). Когда турбины расположены только в 5D друг от друга, турбины вниз по течению могут испытывать потерю мощности 30-40% по сравнению с турбиной свободного потока, в зависимости от турбулентности. В 7D потери часто падают до 15-25%, а при 10D или более потери могут быть ниже 10% в средних атмосферных условиях. Однако предельная выгода дополнительного расстояния уменьшается за пределами примерно 8-9D, поэтому инженеры должны взвесить прирост энергии против стоимости дополнительной земли или морской зоны.

Оффшорные ветропарки, где стоимость земли не является ограничением, но кабельные и фундаментные затраты высоки, часто используют больший интервал вниз по течению (например, 8-12D) для максимизации захвата энергии на турбину. На суше, где земля дефицитна и дорогая, разработчики могут принять более плотный интервал (6-8D) для увеличения количества турбин на единицу площади, принимая более высокие потери будильника в обмен на более высокую общую емкость таблички. Оптимальный выбор зависит от конкретного участка ветрового ресурса, турбулентности и экономических параметров.

Crosswind (Spanwise)

Расстояние перпендикулярно направлению ветра или расстоянию по шпанге также имеет значение, но в меньшей степени для восстановления пробуждения в преобладающем направлении ветра. Когда турбины расположены рядами, перпендикулярными ветру, эффекты пробуждения от боковых турбин минимальны, если расстояние между ними составляет по меньшей мере 3-5 D. Однако, если направление ветра значительно варьируется или если ферма использует схему сетки, межветровое расстояние становится важным, чтобы избежать помех пробуждения от нескольких направлений. В некоторых конструкциях, пошатнувшиеся схемы используются, чтобы позволить пробуждениям распространяться и взаимодействовать по-разному, потенциально улучшая общую эффективность фермы на 2-5% по сравнению с выровненными сетями.

Исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и Технического университета Дании (DTU) показали, что межветровое расстояние менее 3D может привести к увеличению турбулентных нагрузок и снижению производительности, особенно в направлениях ветра, которые не идеально совпадают с сеткой. Современные инструменты оптимизации ветропарка теперь рассматривают совместное распределение вероятностей скорости и направления ветра для определения наилучшего интервала по всему спектру ожидаемых условий.

Влияние площадей на выходную мощность на уровне ферм

Совокупный эффект интервала турбины на общую выработку энергии фермы существенен. Для данной площади земли существует компромисс между количеством установленных турбин и средним коэффициентом мощности каждой турбины. Добавление большего количества турбин (более узкий интервал) увеличивает мощность таблички, но уменьшает выход на турбину из-за потерь будильника. Помимо определенной плотности, добавление другой турбины дает уменьшающийся или даже отрицательный чистый прирост энергии. Это явление известно как «предел плотности ветряной фермы».

Например, типичная береговая ветряная электростанция с 7D интервалом вниз по течению может достичь эффективности фермы (фактическая энергия, деленная на сумму энергии турбины свободного потока) около 85-90%. Снижение интервала до 5D может снизить эффективность до 70-75%, в то время как увеличение интервала до 10D может повысить эффективность выше 95%, но за счет гораздо большего объема. Оптимальная точка обычно заключается в том, что предельная стоимость дополнительной земли равна предельной стоимости дополнительной энергии, восстановленной. Передовые методы моделирования, такие как используемые в Флоренция и PyWake , позволяют разработчикам исследовать эти компромиссы для конкретных условий участка.

Оптимальные стратегии и подходы к моделированию

Отраслевые справочные руководства

Традиционные руководящие принципы проектирования ветропарков давно рекомендуют интервал 7-10 диаметров роторов в преобладающем направлении ветра и 3-5 диаметров роторов перпендикулярно ему. Эти эмпирические правила основаны на эмпирических наблюдениях и простых моделях будки, разработанных в 1980-х и 1990-х годах. Хотя они остаются полезными для предварительного проектирования компоновки, современные проекты все чаще полагаются на подробную вычислительную динамику текучей среды (CFD) или инженерные модели будки, которые учитывают особенности турбулентности, розы ветра, рельефа и турбины.

Например, модель пробуждения Parker и модель пробуждения Jensen широко используются для оценки дефицита скорости и рекомендации регулировок интервала. Более сложные подходы, такие как моделирование с большим вихрем (LES), используются в исследованиях для захвата сложных турбулентных структур пробуждений, но они вычислительно слишком дороги для рутинной оптимизации фермы. Вместо этого промышленность использует упрощенные модели, откалиброванные по LES или полевым данным.