大气湍流对小型风力发电机性能的影响

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1、ImpactofambientturbulenceonperformanceofasmallwindTurbine大气湍流对小型风力发电机性能的影响关键词：小型风力发电机、湍流、阵风、风能摘要：用高分辨率风速仪测量出的风速，记录BergeyXL.1风力发电机产生的电能。这两项数据，都会被运用研究。此项研究是关于：环境湍流水平对小型风力发电机发电效能的影响。人们发现，环境湍流强度影响能量的产生，但是在不同风速下，影响是不同的。在低风速下，增大湍流强度可能会增加发电机的能量产生。然而，在靠近发电机的停止风速时，湍流强度提

2、高导致能量产生的下降，这种情况可能会发生在阵风湍流启动停止的事件中。风速变化频率为1Hz条件下，记录的调查结果显示：在风速发生变化和能量产生发生变化之间，存在一个2秒的时差；只持续1秒的瞬时风速变化并不会导致能量产生，但是持续时间较长的风速变化会产生相当可观的能量。一、介绍。即将到来的风产生的湍流，能够对风力发电机输出功率产生显著的影响。在实践中，往往当较小的风力发电机附近存在建筑物、树木或其他障碍物时，这个现象会尤为重要。这种情况下，小型风力发电机的安装可能经历的流入湍流强度的次数比处于一个开放的野外工地时大许多倍

3、。当前的功率曲线表示，，不考虑湍流对小型发电机能量产生的影响。例如，基于IEC61400-12-1曲线是风速分级功率测量值的统计平均值，由此丢失了此项数据的方差。[1]这种方法不能正确地考虑湍流不同程度。[2]IEC61400-12-1没有具体限制湍流水平的测量值，由此产生的功率曲线，对于不同湍流程度如何影响发电机功率生产没有提供任何指导。可以认为，特定湍流水平对大型风力发电机组的影响是可控的，而且湍流对小型风力发电机的影响可根据这个或是一个类似的标准测试。这个标准测试就是：在更广泛的湍流水平范围内，建立一个及时可以

4、处理现场湍流影响，并且在风力发电机功率曲线情况下提供有用的信息。周围湍流和风向变化都会对小型风力发电机产生显著影响。较小的质量和尺寸的小型风力发电机意味着，湍流对小型风力发电机的影响不同于常用规模的发电机。[3]水平增强的湍流可能导致发电机部件上产生较低风能和更大的机械应力。[4]小的尺寸、有风的操作环境、被动偏航系统以及小的涡轮，意味着当涡轮不能自动形成狂风时，他们更可能在偏航状态下运行时。[5]当涡轮受到的风不对称、依赖于一个COS2的相对气流角时，水平轴风力发电机的输出功率下降迅速。[6]高湍流强度是减少涡轮结

5、构疲劳寿命的最重要因素，而且湍流强度会影响发电机停止行为。[7]由于湍流影响阵风风力的对齐、机翼的性能和停止功率限制，湍流对输出功率的影响更加难以概括。湍流强度更强的风比湍流强度较弱的风拥有更大的力量和风速，因为风速跟功率呈三次方关系。[8]当一个小型发电机在高湍流强度环境下进行测试时，小型风力发电机暂时关闭的原因：多数情况下高阵风速超过限制。[9]Smith长期在国家可再生能源实验室收集小型风力发电机性能测试结果。小型风力发电机显示，当处于最强和最差湍流水平时，AEP存在9%到32%的差异。大部分风力发电机在最强湍

6、流和最差湍流这两个极端情况下，具有较低的AEP值，尽管有数据（skystream）表现出AEP会随着湍流强度增强而增强的趋势。本次实验研究的目的是：在具有代表性的开放环境中，确定不同湍流程度对具有代表性的小型风力发电机性能的影响。从1千瓦容量的BergeyXL.1水平轴风力发电机上的仪表中，得到的高分辨率（一分钟/一赫兹）数据，并对这个数据进行分析。以此来探究湍流程度对风力发电机输出功率的影响。二、方法论一个BergeyXL.1小型风力发电机被应用这项研究。这个BergeyXL.1风力发电机是逆风，额定容量为1.0千

7、瓦的水平轴风力发电机。它由三个叶片、直径为2.5米的固定式转子直接耦合为变速永磁交流发电机。选择此发电机的原因：其机械性能和操作系统简单；之前的广泛的应用过程中，已经记录了其本身性能和操作性能。BergeyXL.1风力发电机安装在一个直径0.114米、高18米的镀锌钢管倾斜塔上。另外，直径0.152米、高18米的筒斜式塔安装在发电机北方13.4米处，作为一个气象桅杆，以获得轴毂高的的风速。此项研究还用到了NRG40C杯风速计和一个R.M.Young81,000三维超声风速仪。声波风速计被安装在一个短臂横梁上，使得其测

8、量到，当风从西南方向过来时，转盘下方20厘米的体积。一个NRG40C和一个NRG200S风向传感器位于参考桅杆顶端1米以上。用于此项研究的所有NRG40C风速计，生产于2009年年初的几个月，并由OTECH工程（Davis，CA，USA）进行校准。这些校准实验安装前，都在Guelph大学的风洞中进行测试。另外，安装了传感器用于测量发动机的航偏角