风力机阵列布局对有限规模风电场功率输出及尾流效应的优化机制研究

针对风电场中尾流效应导致的功率损失问题，研究人员通过大涡模拟（LES）对比分析了对齐（AL）、横向交错（LS）和纵向交错（VS）三种40台风力机阵列布局对流动特性、功率输出及尾流的影响。结果表明，LS和VS布局可分别提升40%和16%的发电量，但VS能显著缩短尾流影响距离（减少4 km），为风电场优化设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源转型加速，风能作为增长最快的可再生能源之一，其规模化开发面临关键挑战：上游风力机产生的尾流会显著降低下游机组发电效率，导致风电场整体功率损失高达40%，并增加20%的疲劳载荷。传统对齐布局（AL）因尾流完全覆盖下游机组而效率低下，而横向交错（LS）和纵向交错（VS）布局虽被证明能改善性能，但对有限规模风电场尾流效应的系统性研究仍不足。此外，多风电场集群化建设使得尾流干扰范围可能延伸至20公里，如何平衡发电效率与尾流影响成为规划难题。

针对上述问题，兰州理工大学的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，采用基于致动盘模型（ADM）的大涡模拟（LES）技术，模拟了10排×4列（共40台）风力机在AL、LS和VS三种布局下的流动特性。通过260D（D为叶轮直径）的计算域，量化了不同布局对功率输出、湍流强度及尾流空间演化的影响。

关键技术方法
研究使用开源LES代码LESGO求解中性分层条件下的三维流场，结合ADM简化风力机受力模型。边界条件设置为压力驱动的中性大气边界层，忽略大气 stratification（分层）和Coriolis effect（科里奥利力效应）以聚焦布局影响。通过对比理论对数风速廓线验证了流入条件准确性，采用7排阵列优化VS布局的发电-湍流平衡。

研究结果

1. 流动特性与功率输出
   LS布局使风电场内湍流强度降低14.3%，发电量提升40%；VS布局通过增大前后机组轮毂高度差，发电量最高增加16%，湍流强度降低5.7%。

2. 尾流效应空间演化
   LS布局虽提升发电效率，但尾流影响延伸至下风向17公里；VS布局因垂直错位加速尾流恢复，尾流影响距离较LS缩短4公里。

3. 阵列规模优化
   7排VS阵列可在发电效率与湍流抑制间达到最佳平衡，为有限规模风电场设计提供实用参考。

结论与意义
该研究首次系统揭示了有限规模风电场中阵列布局对尾流空间演化的调控机制。VS布局通过垂直高度差实现“部分避让尾流”策略，兼具发电提升与尾流缩短的双重优势，尤其适合土地受限的密集风电场。研究为风电场微观选址、集群规划及电网协同提供了理论基石，推动可再生能源的高效可持续开发。未来需进一步耦合大气 stratification 和 Coriolis effect，以拓展至更复杂气象条件下的应用。