文摘

代表风力涡轮机的次网格参数化提供天气预报模型。参数化模型阻力和混合的涡轮机导致大气中,以及电力生产风引起的风力涡轮机。参数化完成的文档;它不需要知识专有数据的风力涡轮机的特点。应用参数化的研究风力资源限制在一个假想的巨型风力农场。模拟生产密度不超过被发现,峰值密度部署能力和略有减少容量密度增加。

1。介绍

风力发电在数值天气预报模型可以惰性或活跃。惰性的类型,涡轮的风速预测位置可以从模型中提取,用于计算风力发电生产,不影响涡轮的天气预报(1]。在活动类型,这种影响包括,特别是风力涡轮机的阻力和湍流增强作用于大气中(2]。在本文中,我们提供了一些细节的风力发电机参数化适合大型风力农场,与许多涡轮机在一个网格单元。本文改进了风力发电机参数化(2,3),有效地提供一个简化的和记录的选择出现在什么WRFv3.3 [4,5]。次网格,醒来并不显式地模拟,而是动量损失立即扩散在网格单元的宽度。参数化是适应典型的风力涡轮机的特点。的巨型风电场3)重新学习为目的的实际限制风力发电从大气中抽取。而[3)检查的更微妙的影响风电场降水气候统计数据,目前的研究则更为直白,不需要数十年模拟。模拟使用WRFv3.1 MYJ边界层方案和水平网格间距。风力发电机参数化增加了阻力升高和生产的湍流动能MYJ方案。

如果一个水平风矢量是已知的风力涡轮机(在实践中,这意味着一个合适的平均风矢量已知),然后产生的力量是什么 在哪里容量系数和吗的额定功率输出特定的风力涡轮机。在模拟中,我们关注的焦点和大概,括号潜在设施的范围。受到自然法则和工程设计。为涡轮叶片不旋转,所以。同样的,对涡轮旋转停止避免损失,。作为增加的过去电力生产增长迅速,但由工程设计带来的广阔的高原,涡轮叶片的机械调整节距角(6]。

图1显示了一个典型的提供这个参数化。图1还显示了两个无量纲系数,必须知道,如果涡轮对大气的影响计算。的气体动力的基础(1)决定了这些影响。从基本物理、风的可用功率侵犯转子横截面积涡轮的 在哪里空气的密度。的比例可用的电力功率系数: (1)可以写成 尽管(4)提供电力生产的相同的计算(1),的知识会有另一个重要目的计算湍流动能的生产。

拖拽力对一个对象呈现横截面积一个统一的流流体的速度是传统建模的shape-dependent阻力系数。在风力涡轮机的语言建模中,阻力系数被命名为推力系数: 在大雷诺数,主要是形状相关的。例如,有许多引用值如平板和一个球体。旋转的涡轮叶片的阻力远远大于计算基于固定刀片和仅使用面积的叶片。风力涡轮机的阻力的特点是磁盘卷,,在那里叶片长度。奖金能源/ S 2.0兆瓦,山峰大约在(2]。大概这个引用的值包括塔的阻力,但在这种参数化建模的阻力是发生在转子的面积。

风力涡轮机的拖曳力消除空气中的动量转移到地球。但与地球有一个大质量,拖曳力传送到地球,通过塔,没有在地球上做重要的工作,这就意味着能量的损失平均风进入电力生产和湍流动能,而不是在地球的动能(4]。

力涡轮机的气氛是相反的(5),所以工作的速度(权力)在大气中: 我们严格的节能原理 所以

大多数数值天气预报模型采用力/质量在一个网格点,在一个网格体积。的阻力(5)适当需要规范化,通过网格中的空气体积的总质量。同样,需要正常化时(8)是用来预测湍流动能和添加到其他源项预测湍流动能。

在这里我们把作为唯一的多个风力涡轮机的地区内的高度边界网格体积(图2)。这介绍了一些,非现实性放在一边,因为它允许将风力发电机建模为具有不同的旋转速度和不同在不同的高度。前款规定的正常化过程意味着转子面积每网格体积与逆单位长度(面积密度)是计算所需的数量。在交错网格模型中,水平风的高度的预测可能隔垂直速度的预测水平,它定义的水平垂直边界网格体积水平速度。

2。功能和

为我们采用soft-clip函数,它允许来没有锋利的高原”曲线拐点。“注意,4不提供这个soft-clip特性和2,3没有单调。soft-clip函数我们采用计算效率和提供了一个非常接近的近似: 在这里,在那里控制的中心点和控制过渡的斜率。调整中心点和斜率近似奖金风力涡轮机的基本特征。稍微复杂的要求完全为零,这可能需要用人的转变下面埋葬它的一部分设在。让 因此 作为调整风力涡轮机的叶片,减少这最大的不超过,推力系数也降低。我们发现以下适合满意的: 图1列表的值参数用于奖金2 MW汽轮机。我们使用一个值这使得,所以没有间断在。其他的选择是有可能的。

3所示。风力资源限制的应用程序

在大气科学教材引用典型的中间纬度压力梯度力(/质量)和典型的水平速度规模cross-isobaric,其中约1/10。只有cross-isobaric内部组件能够更新动能被移除的风电场。在边界层风矢量可能是一个更大的部分cross-isobaric,但矢量的大小可能更少。如果我们接受cross-isobaric流的典型的大小,风电场内动能的速度生产每公里的深度提取(假设的密度)。

动能也从侧面进入风力发电场。如果一个巨型风力农场的水平区域从一层深度提取风吗(可能是大气边界层的深度,而不是高度的顶部风力涡轮机),然后(2)可用于计算功率流水到风电场侧面积。这可能就是力量,可以提取区域的风电场,功率密度 例如,让我们来和。为和,给提取一个上限。使用而不是让。注意,一个巨大的风力发电场可提取的,对权力的约束,从平流源相应地会更少。因此,变得小,风力资源的压力梯度的更新变得更加重要。

在上面的估计,应该使用什么样的价值吗?另外,运输的贡献是什么通过风电场的顶部吗?我们也需要认识到,提取接近上限,这将暗示会降低风电场的遍历。连续性方程因此需要向上平流能源风力发电场的顶部。所有这些考虑都意味着一个更精确的估计的极限功率提取一个网站需要细节风气候,包括边界层混合,以及使用数值天气预报模式。

我们演示应用程序的风电场参数化与适度扩展几个这样的研究限制风电场资源(2,4,7),即允许所有大小的风力涡轮机的特征图1。使用参数化研究部署容量密度的相对影响8兆瓦发电机,2 MW发电机的两倍大。

风电场的位置是在3),面积182700公里²(图3)。在[3),2兆瓦风力发电机位于涡轮机的密度,让大型风电场的容量和一个容量密度。2兆瓦风力涡轮机的中心高度转子半径。这里我们实验2 MW和8兆瓦发电机,容量密度从部署来。8兆瓦风力发电机只是双高度和半径的2兆瓦发电机。的,,曲线模型如图1。这里显示的研究比[简单得多3),只检查风电场的影响风电场内的风特性,以及风电场的电力生产。

从0 UTC 4月23日的8天1948 - 0 UTC时间1948年5月1日是方便。国家可再生能源实验室显示年平均风速之间的距离和在模拟风电场地区。模型,没有风力涡轮机,平均风速和在和分别在8天的模拟。

3.1。8 MW和2 MW部署

这里我们强调一个特定部署457兆瓦之间比较228375 2兆瓦风力发电机或58656 8兆瓦发电机。在电力生产的分析,平均水平经历了整个农场用CF (是一个工程设计参数和CF是一个实验结果)。虽然容量密度(CD)是相同的,生产密度(PD) 8兆瓦(图增加部署是60%4)。天真的估计可能预期的增加大于100%,使用推理的层开采对权力的两倍深,上部有更强的风。这种估计是没有意识到。

数据5和6表明,提取(如所示风速降低)已成为相当微不足道的高度。但8 MW和2 MW发电机可删除下面的能量。正如所料,高8 MW涡轮机提取更多的能量在上面的层的高度较小的涡轮。估计有多少更有效的提取与涡轮机高要求的数值模拟。的能力去做这样一个评估的一个主要参数化的实际利益。

3.2。生产饱和

这里我们总结了调查跨广泛的风电场电力生产的特点。结论类似于(2,4,7,8:图7显示了一个限制权力的提取。这样的知识明显影响风电场的设计特点:是否要添加更多的风力涡轮机的一个农场,获得更多的土地,发展更大的农场,或者开发另一个农场在一个遥远的位置。在我们的模拟中,CF收益下降立即从最低的CD。这是因为电力生产的变化很敏感附近的,上升的速度比无论增加与。相反的情况可能发生在不同的气候。如果一直到生产的范围,可能有明显降低CF直到CD下降,但没有超过一个值大于。

考虑增加CD从2兆瓦风力发电机,通过四倍的面积转子或四倍数量的涡轮机。图中的两个场景可以找到8。增加转子面积密度的4倍(重新部署8兆瓦发电机)PD增加了2.07。四倍数量的2兆瓦风力发电机PD增加了1.38倍。由于PD的增加是明显小于4,我们会说的集体影响风涡轮机的功率效率具有重要意义。检查风的阴谋在图的差异6上面显示风降低顶部的涡轮机,明显的影响大气中湍流动量垂直运输。这运输可能很难估计通过详细的数值模型。

我们注意到角1,牧师一个建立在北海风力农场,平均在过去的5年(9]。这说明规模的重要性理解生产风能的局限性。作为讨论的部分3风电场的水平程度越大,动能的平流是那么重要,更重要的压力梯度力成为维持能源生产在风电场风速。1角转速风力发电场足够小大约是0.2,因此解释观察到的PD。

4所示。结论

在考虑国家和国际能源投资组合时,风能继续成为一个多元化的能源组合的重要组成部分。尽管目前风电场规模足够小比例,允许平流的动能的风电场是一个重要的电源,重要的是如何辨别,风力资源减少和更大的风力发电场。未来电力需求可能会迫使巨型风力农场的发展,与地区数量级大于当前农场。此外,许多小型风电场的发展近可能的资源限制类似于一个巨大的风力发电场。

巨型风力农场需要计划活动类型数值天气预报模型,以得到一个准确的估计的风能资源。例如,在我们的研究中,大(高)风力涡轮机产生更大的CF。部署的成本效益更大的发电机前需要准确预测这个CF可以做出金融决定。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。