邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響研究前言

隨著國(guó)家對(duì)新能源的大力支持，風(fēng)電作為其中的重要組成部分，已經(jīng)逐漸成為中國(guó)新能源領(lǐng)域的一道亮麗風(fēng)景線(xiàn)。而作為風(fēng)電行業(yè)的核心技術(shù)之一，風(fēng)電機(jī)組的功率特性也備受關(guān)注。然而，在實(shí)際操作中，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率與其理論值相差甚遠(yuǎn)，其中又以發(fā)電量低于理論值的情況更為突出。這與邊界層氣象條件有著密切關(guān)系。因此，針對(duì)邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入的研究和探討，對(duì)于提高風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率和有效利用風(fēng)能具有重要意義。

一、風(fēng)電機(jī)組及其功率特性

風(fēng)電機(jī)組是指將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，它由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、塔架等部分組成。常見(jiàn)的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電原理即是依靠風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。因此，風(fēng)電機(jī)組輸出的電能大小與其旋轉(zhuǎn)速度及葉片面積大小等參數(shù)有關(guān)。

而風(fēng)電機(jī)組的功率特性則是指風(fēng)速不同條件下風(fēng)電機(jī)組的輸出功率表現(xiàn)。理論上，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也將達(dá)到峰值，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組能夠輸出最大容量的電能。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率往往會(huì)低于理論值。因此，如何優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的功率特性，提高其實(shí)際發(fā)電能力，又成為當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向之一。

二、邊界層氣象及其對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響

邊界層大氣是指地表層大氣中，氣象物理量的變化范圍較大，而風(fēng)速、溫度和濕度等變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響最大。因此，在研究邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性影響的時(shí)候，需將其分析為風(fēng)速、溫度和濕度三方面來(lái)進(jìn)行。

1.風(fēng)速

（1）風(fēng)向變化

風(fēng)向的變化是影響風(fēng)功率特性的主要因素。風(fēng)向的變化會(huì)引起風(fēng)能質(zhì)量的變化，并且引起轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的不均勻。這樣，在變化的過(guò)程中，風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩也會(huì)隨之發(fā)生變化。

圖1風(fēng)向變化對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

（2）風(fēng)速峰值

風(fēng)速大小的變化，對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，功率曲線(xiàn)圖在不同的風(fēng)速下發(fā)生了變化。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也逐漸增大。在風(fēng)速達(dá)到峰值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率達(dá)到最大值，隨后功率曲線(xiàn)迅速下降，并越過(guò)零點(diǎn)，轉(zhuǎn)而成為負(fù)值。

圖2常規(guī)的功率曲線(xiàn)

2.溫度

在邊界層大氣中，由于日曬和熱輻射等原因，溫度會(huì)比較高，并且在白天溫度變化比較劇烈。而溫度的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率特性產(chǎn)生的影響則是通過(guò)氣體的密度變化傳遞過(guò)去的。

溫度的升高會(huì)導(dǎo)致氣體的密度降低，進(jìn)而影響了風(fēng)電機(jī)組的葉片密度、空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和空氣的阻力。因此，隨著溫度的升高，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率逐漸降低。

3.濕度

濕度是指單位體積空氣所含水蒸氣質(zhì)量的比值。由于氣象要素各自之間的相互關(guān)系，濕度的變化也會(huì)對(duì)其他氣象要素產(chǎn)生影響。例如濕度大，空氣中就會(huì)含有更多的水分，因此在風(fēng)電機(jī)組葉片表面會(huì)形成更多的水滴，出現(xiàn)流線(xiàn)卡住喉嚨、液體進(jìn)入葉片表面等情況，阻礙風(fēng)力發(fā)電。

圖3濕度對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的影響

三、邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的優(yōu)化

以上分析可知，邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響是不可忽視的，因此如何針對(duì)邊界層氣象的特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組功率特性，提高其實(shí)際輸出能力就顯得尤為重要。

（1）優(yōu)化葉輪設(shè)計(jì)

在葉輪外形設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮風(fēng)功率特性預(yù)測(cè)和風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的相互平衡，在同樣保證預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的前提下，盡量降低風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和維護(hù)成本。另外，由于理論風(fēng)速與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速之間存在差異，因而對(duì)于同一預(yù)測(cè)結(jié)果，留出一定設(shè)計(jì)緩沖余地對(duì)于減小預(yù)測(cè)誤差和提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性十分重要。

（2）完善風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)

在邊界層大氣中，風(fēng)速、溫度和濕度等因素是發(fā)生變化的，因此風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以達(dá)到優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的功率特性的目的。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的優(yōu)化，可以使風(fēng)電機(jī)組在不同的邊界層大氣環(huán)境中都實(shí)現(xiàn)最高效率運(yùn)行。

（3）加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的智能化管理

現(xiàn)代智能方案在風(fēng)電場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用是通過(guò)監(jiān)控、控制和協(xié)調(diào)完成的。例如，在預(yù)警告警、常規(guī)維護(hù)和故障維護(hù)方面，利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒和處理，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行在線(xiàn)維護(hù)和優(yōu)化，提高風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)際輸出功率，達(dá)到和提高邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性影響的最小化。

結(jié)語(yǔ)

邊界層氣象條件對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率特性影響很大，但通過(guò)加強(qiáng)葉輪設(shè)計(jì)、完善控制系統(tǒng)和加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的智能化管理，可以克服其影響，提高風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率和有效利用風(fēng)能，從而提高整個(gè)風(fēng)能行業(yè)的發(fā)展水平和質(zhì)量。為了深入探討邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響，我們需要具體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和解釋。下面我們將介紹幾個(gè)較為重要的數(shù)據(jù)及其分析。

一、風(fēng)速與功率關(guān)系

風(fēng)速與功率之間的關(guān)系是風(fēng)電機(jī)組功率特性中最為基礎(chǔ)和核心的一部分。下面是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的風(fēng)速與功率之間的曲線(xiàn)圖：

圖1風(fēng)速與功率曲線(xiàn)

從曲線(xiàn)圖中可以看出，隨著風(fēng)速的逐漸增大，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也逐漸增大。在風(fēng)速達(dá)到峰值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率達(dá)到最大值，隨后功率曲線(xiàn)迅速下降，并越過(guò)零點(diǎn)，轉(zhuǎn)而成為負(fù)值。這是因?yàn)轱L(fēng)速過(guò)大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的葉片容易受到損壞或損耗，而且由于葉片旋轉(zhuǎn)的速度過(guò)快，不利于齒輪箱等部件的保護(hù)。因此，風(fēng)電機(jī)組的工作區(qū)間應(yīng)該處于峰值和負(fù)值之間，以最大化其發(fā)電能力。

二、溫度與功率關(guān)系

溫度與功率之間的關(guān)系是由于溫度對(duì)氣體的密度變化產(chǎn)生的。溫度的升高會(huì)導(dǎo)致氣體的密度降低，進(jìn)而影響了風(fēng)電機(jī)組的葉片密度、空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和空氣的阻力。下面是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的溫度與功率之間的曲線(xiàn)圖：

圖2溫度與功率曲線(xiàn)

從曲線(xiàn)圖中可以看出，隨著溫度的逐漸升高，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率逐漸降低。這是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致了氣體密度的降低，減少了葉片受力的作用，同時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和空氣的阻力也發(fā)生了變化，使得風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力下降。

三、濕度與功率關(guān)系

濕度與功率之間的關(guān)系是由于濕度對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和葉片表面的液體影響產(chǎn)生的。下面是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的濕度與功率之間的曲線(xiàn)圖：

圖3濕度與功率曲線(xiàn)

從曲線(xiàn)圖中可以看出，隨著濕度的逐漸升高，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率逐漸降低。這是因?yàn)闈穸雀?，空氣中含有的水分增多，容易在風(fēng)電機(jī)組葉片上形成水滴，阻礙了風(fēng)力發(fā)電。此外，濕度高還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉片表面形成流線(xiàn)卡住喉嚨、液體進(jìn)入葉片表面等情況，也會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力。

總體來(lái)看，邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響主要來(lái)自于風(fēng)速、溫度和濕度三個(gè)方面。能夠通過(guò)不同的方法來(lái)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的功率特性，提高風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率和有效利用風(fēng)能。隨著可再生能源的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，特別是風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組成為最重要的可再生能源發(fā)電設(shè)備之一。但與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的性能和可靠性也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，而邊界層氣象是影響風(fēng)電機(jī)組性能和可靠性的重要因素之一。本文結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能的影響進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、實(shí)際案例

我國(guó)是全球最大的風(fēng)能資源國(guó)家之一，位于風(fēng)能較為集中的地帶，同時(shí)也是世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家之一。為了更好地解決風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的性能問(wèn)題，以及提高風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了大量有關(guān)風(fēng)電機(jī)組性能和可靠性的研究。以下是一個(gè)來(lái)自某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際案例，通過(guò)對(duì)該案例中的問(wèn)題進(jìn)行分析，有助于我們更全面地了解邊界層氣象對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。

某風(fēng)電場(chǎng)共有70余臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，其中有一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的功率輸出現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，該風(fēng)電機(jī)組接收到的環(huán)境條件，如風(fēng)速、溫度和濕度都沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。但是該風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)的功率波動(dòng)和不穩(wěn)定輸出的現(xiàn)象，讓風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維人員非?？鄲馈Ｍㄟ^(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)和檢查，未發(fā)現(xiàn)任何明顯的問(wèn)題，這使得問(wèn)題的定位和解決變得更加困難。

后來(lái)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維人員來(lái)到風(fēng)電機(jī)組周?chē)M(jìn)行環(huán)境條件的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的所在。原來(lái)，風(fēng)電機(jī)組周?chē)拇笮驮O(shè)備，如通信基站和太陽(yáng)能電池板等，會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生顯著的影響，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能不穩(wěn)定，尤其是在氣壓、風(fēng)速、溫度和濕度發(fā)生微小變化的情況下更加明顯。經(jīng)過(guò)對(duì)周?chē)h(huán)境的優(yōu)化和調(diào)整，該風(fēng)電機(jī)組的性能恢復(fù)了正常，避免了不必要的損失和影響。

二、影響因素

風(fēng)電機(jī)組的性能受到多種環(huán)境因素的影響，包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度、濕度、氣體密度以及風(fēng)電機(jī)組與周?chē)h(huán)境的交互作用等。下面將從風(fēng)速、溫度、濕度三個(gè)方面來(lái)具體分析：

1.風(fēng)速影響

風(fēng)速是影響風(fēng)電機(jī)組性能的最常見(jiàn)因素之一，它會(huì)直接影響風(fēng)力發(fā)電的數(shù)量和能源利用率。風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生變化，直接影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量和正常運(yùn)行。

特別是高速風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響尤為明顯。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定數(shù)值，將超出風(fēng)電機(jī)組的額定工作能力范圍，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)受力不均勻，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的功率輸出波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障和損壞。

2.溫度影響

溫度是影響風(fēng)電機(jī)組性能的重要因素之一，它可以影響風(fēng)電機(jī)組葉片的材質(zhì)和強(qiáng)度，進(jìn)而影響風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致大氣密度的變化，這對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出能力也會(huì)產(chǎn)生直接影響。

當(dāng)溫度升高時(shí)，大氣密度趨于下降，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力下降，同樣的，溫度下降時(shí)，大氣密度將增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力將會(huì)提高。因此，在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，需要考慮不同溫度條件下的性能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的極限運(yùn)行條件。

3.濕度影響

濕度也是影響風(fēng)電機(jī)組性能的重要因素之一，它們的變化直接影響風(fēng)電機(jī)組葉片上的水膜結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性。當(dāng)濕度升高時(shí)，葉片表面容易出現(xiàn)水滴，增加空氣動(dòng)力學(xué)阻力，阻礙風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)一步運(yùn)行。

濕度變化還會(huì)直接影響風(fēng)電機(jī)組通道中的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，阻力系數(shù)，以及葉片中的空氣速度和靜壓力等參數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，需要綜合考慮不同濕度條件下的性能和極限運(yùn)行條件，以確保整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。

三、優(yōu)化方法

為了提高風(fēng)電機(jī)組的性能和可靠性，需要綜合考慮上述影響因素，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。下面將從優(yōu)化措施方面進(jìn)行具體分析：

1.風(fēng)速優(yōu)化

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)需要考慮風(fēng)電機(jī)組的額定工作能力范圍，特別是在設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)時(shí)需要考慮迎風(fēng)面的葉片所受的風(fēng)力和側(cè)風(fēng)面葉片所受風(fēng)力之差，確保風(fēng)電機(jī)組能夠在不受損壞的情況下發(fā)揮最大功率輸出能力。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)不同的風(fēng)速變化和風(fēng)向改變，需要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整葉片角度、增加強(qiáng)度等，以保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.溫度優(yōu)化

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，需要考慮不同溫度條件下的性能和運(yùn)行情況。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要將風(fēng)電機(jī)組的工作溫度范圍控制在臨界值以下，并采取相應(yīng)的措施，如冷卻、加強(qiáng)機(jī)體強(qiáng)度等，以保障風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的可靠性。

3.濕度優(yōu)化

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，需要采取相應(yīng)的措施，防止水分對(duì)葉片表面的影響?？梢圆捎猛繉硬牧稀⒃黾舆^(guò)濾設(shè)備等措施，減少葉片表面的描流卡住喉嚨和液體進(jìn)入葉片表面等情況，提升風(fēng)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，還需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組周?chē)沫h(huán)境因素進(jìn)