风向对风力机发电的影响

1. 摘要

随着风力发电机的增大，风向随高度的变化（风偏转）在入流风场中起到了至关重要的作用。我们使用明尼苏达大学Eolos风能研究站5年的实地数据集来探讨风偏转的特性及其对涡轮性能的影响。风偏转表现出明显的日变化，即在夜间和白天分别倾向于出现风偏转和风回转。我们进一步建议根据涡轮上下旋翼的变化将风偏转条件划分为四种情景，这些变化影响不同旋翼部分的载荷：VV（上旋翼：偏转，下旋翼：偏转）、VB（上旋翼：偏转，下旋翼：回转）、BV（上旋翼：回转，下旋翼：偏转）和BB（上旋翼：回转，下旋翼：回转）。

这种划分使我们能够更好地阐明风偏转对涡轮发电量的影响。顺时针旋转的涡轮在VV和VB情景中往往会产生大量的功率损失，而在BV和BB情景中会产生小的功率增益。逆时针旋转的涡轮与顺时针旋转的涡轮呈现完全相反的趋势。得出的发现可以推广到其他风力站点进行功率评估，并为针对最大利润的涡轮类型选择提供洞察。

2. 简介

风的偏转可以根据风旋转的方向被分类为逆时针偏转风和顺时针偏转风。在北半球，逆时针偏转风是顺时针（CW）转动的，它通常与温暖的气流上升和动态上升有关，主要是因为南风会将更多的热空气输送到北方。而顺时针偏转风是随着高度逆时针（CCW）转动的，它通常与冷空气的下沉和动态下沉有关。

他们发现风偏转遵循一个日常循环，稳定的夜间条件允许高幅度偏转风的出现概率更高。

在陆地站点上，风偏转的这种年度变化仍然不清楚，由于不同的大气条件，如更高的湍流耗散，它可能与离岸观测有很大的不同。

总之，现有的现场研究在风向偏转如何影响风机发电方面缺乏一致的结论。此外，当前模拟的改进在很大程度上依赖于现场数据，以提供现实的风向偏转流入特性。因此，在本研究中，我们希望通过利用明尼苏达大学Eolos风能研究站（以下简称Eolos站）长期测量的现场数据库，对风向偏转特性进行系统评估，包括日常和年度变化，以及它们对风机功率性能的影响。第二部分描述了Eolos站的实验设施和数据预处理方法。第三部分引入了四种关于风向偏转与风机转子相互作用的新概念，并对风向偏转特性及其对风机发电的影响进行了详细描述。第四部分总结了本研究的主要发现，并简要讨论了如何在风向偏转条件下提高风机功率性能。

3.

图 1. (a) 描述了站点上2.5兆瓦的风力发电机和气象塔的示意图。 (b) 基于近五年来测得的轮毂高度的风向和风速的风向玫瑰图。百分比水平表示在15°风向扇区内特定情况的出现频率。“N”、“E”、“S” 和 “W” 分别代表北、东、南和西的方向。