风力发电机空气动力学的全动态相似性实验与跨控制策略预测建模

《PNAS Nexus》：Full dynamic similarity experiments and predictive modeling of wind turbine aerodynamics across control strategies

　　

摘要

风力涡轮机在持续变化的湍流大气环境中运行。在实地测试中，由于大气流动的混杂效应无法加以控制，很难准确测量涡轮机设计和运行的全部影响。我们通过一种独特的实验框架，在动态相似的控制条件下对风力涡轮机进行受控实验研究，弥补了这一空白。该框架通过在实验室规模的风洞中加压至220个大气压，使得能够对全尺寸风力涡轮机进行代表性研究。这种加压条件使得能够在高雷诺数下，对缩小比例的涡轮机进行高通量实验，覆盖与商用风力涡轮机相关的偏航偏转和尖速比范围。结果表明，当前使用的控制策略是针对在理想条件下无偏航偏转运行的涡轮机设计的，应当进行修改，因为使功率最大化的尖速比取决于偏航角度。关键在于，力和功率随偏航角度的变化强烈依赖于尖速比。我们提出了统一风力涡轮机（UWT）模型，该模型能够准确预测这些受控实验中观察到的行为。UWT模型在预测偏航偏转与尖速比协同效应方面的可靠性，使其可用于风力涡轮机设计和风电场流场控制优化，以最大化风力发电系统的能源产出和经济价值。本文提出的在加压风洞中进行的低成本实验测试平台，提供了一种独特的机会，以动态相似的方式研究大规模商用涡轮机的空气动力学特性，同时避免了实地测试中面临的诸多混杂效应和挑战。