在優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)時，尺寸很重要。具有較長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)電場的一個重要特征。風(fēng)場的選址和渦輪機(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”。
在最大化項目的能源生產(chǎn)方面，風(fēng)力渦輪機(jī)相對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)計自己使用的渦輪機(jī)，但我們幾乎不再單獨使用它們。”加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校機(jī)械工程教授Paolo Luzzatto-Fegiz說。（來源：Phys.org）。一段時間以來，開發(fā)人員已經(jīng)意識到渦輪機(jī)間距和整體風(fēng)電場布局可能會降低尾流效應(yīng)項目的效率和生產(chǎn)。這意味著風(fēng)速對渦輪機(jī)的影響將影響并減少風(fēng)對其后的渦輪機(jī)的影響。
基本上，第一臺渦輪機(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)場的許多渦輪機(jī)可能在減少的容量下工作。Luzzatto-Fegiz稱之為“減少風(fēng)速回歸。”換句話說，在現(xiàn)場增加更多的風(fēng)力渦輪機(jī)可能會導(dǎo)致更多的阻力和更少的生產(chǎn)。
Luzzatto-Fegiz和他的英國劍橋大學(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，這說起來容易做起來難。研究發(fā)現(xiàn)，即使借助數(shù)學(xué)模型，開發(fā)風(fēng)電場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，以及動物如何自然地分配自己，以充分利用他們的環(huán)境來滿足他們的需求。
“通過從動物行為創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，研究人員可以在其他情景中計算物體的最佳分布，例如風(fēng)電場上的渦輪機(jī)，”Phys.org在該研究中報道。
BBO可能聽起來像是一個延伸，但據(jù)研究人員稱，該方法可以最大限度地減少計算結(jié)果。它們還包含其他變量，“包括真實的市場數(shù)據(jù)，表面的粗糙度 - 影響風(fēng)中的功率 - 以及每個渦輪機(jī)接收的風(fēng)量。”此外，通過使用氣象記錄和制造商統(tǒng)計數(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）。
在國家可再生能源實驗室（NREL）和合作伙伴提供的能源部資助報告“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)電場的尾跡已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)延伸到25英里。更重要的是，美國（2016年）近90％的個別風(fēng)力發(fā)電站位于另一個風(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)向特定方向時和夜間溫度降低時。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)實際上是可測量和可預(yù)測的。
好消息：對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％的時間。這表明通過適當(dāng)?shù)姆治龊瓦x址可以預(yù)測和管理尾流損失。
有效利用尾流效應(yīng)提升風(fēng)電場發(fā)電量
斯坦福大學(xué)近日也公布了一項研究成果，可以顯著提高風(fēng)場發(fā)電量，尤其對于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)場，發(fā)電量增長甚至接近50％！
這項名為“尾流轉(zhuǎn)向”的研究，通過在整個風(fēng)電場中根據(jù)主風(fēng)向逐行偏轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，來改善這一問題。
在加拿大阿爾伯塔省的TransAlta Renewables風(fēng)電場進(jìn)行的測試顯示，在使用“尾流轉(zhuǎn)向”策略后，風(fēng)場平均發(fā)電量提升了7%~13%，而在風(fēng)速較低時，風(fēng)場發(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。
有些運營商擔(dān)心，所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向，長期來說是否會影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而測試結(jié)果卻恰恰相反，“尾流轉(zhuǎn)向”不僅不會損害風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，反而會減少機(jī)械疲勞。
項目研究者，來自斯坦福大學(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)電場獲得更多能源的方法。一直以來，風(fēng)電場研究的重點一直是風(fēng)電場中單臺風(fēng)機(jī)的性能，但實際上應(yīng)該考慮整個風(fēng)場，而不僅僅是其各個部分的總和。”
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)場的電力輸出更平穩(wěn)，特別是在低風(fēng)速地區(qū)運行的風(fēng)場。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，這也還是處在測試階段，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，便會大大提升風(fēng)力發(fā)電的資源利用率。
