【正文】 關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)排布距離和列陣方式及海上風(fēng)電場(chǎng)的模型摘要：隨著能源需求增長與化石燃料資源日趨枯竭的矛盾日益突出，潔凈的可再生能源越來越受到人們的歡迎和重視，風(fēng)力發(fā)電是新能源中最具有經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景的一種發(fā)電形式。目前，在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置模擬計(jì)算時(shí)，均忽略了風(fēng)輪的湍流影響，而采用簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)尾流線性擴(kuò)張模型，即尾流影響邊界隨距離線性增大模型。此外，多數(shù)風(fēng)機(jī)尾流模型未考慮風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)后的尾流影響區(qū)域直徑的突然擴(kuò)大，而一些考慮了該因素的尾流風(fēng)速預(yù)測(cè)解析計(jì)算公式，則不能滿足上游風(fēng)機(jī)后風(fēng)速與尾流影響區(qū)域邊界的連續(xù)性。為此，本文推導(dǎo)了一種新的簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)尾流模型。研究風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的影響，建立比較全面的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率和風(fēng)速的關(guān)系模型，為研究風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化排布和規(guī)劃方面的有關(guān)問題奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)問題1，本文考慮尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)組的影響，同時(shí)考慮了尾流邊界效應(yīng)模型，確定了速度與功率關(guān)系式，從到而確定風(fēng)電場(chǎng)之間的最佳距離，提出一個(gè)完整的模型。針對(duì)問題2，在上述模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了風(fēng)向、風(fēng)速、迎風(fēng)角等因素對(duì)風(fēng)電場(chǎng)組效率的影響，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，我們可以得知有關(guān)速度的概率分布f(V),建立速度分布函數(shù)；逐漸增加了模型的復(fù)雜性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的模擬更接近現(xiàn)實(shí)情況，因此模型模擬得到的結(jié)果與問題1相比，結(jié)論更靈活易行。針對(duì)問題3，從海上風(fēng)能資源的分析到建風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)分析，結(jié)合海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式，分析了不同構(gòu)建方式的特點(diǎn)并作了相應(yīng)的比較，最終提出了適合我國東南沿海建立海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布置方式。關(guān)鍵詞：尾流效應(yīng)、風(fēng)電、功率特性、水平軸風(fēng)電場(chǎng)組、一、問題重述：目前我國的風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了世界第一，但我國風(fēng)電發(fā)展的成熟度仍未達(dá)到世界前列水平。按照人均計(jì)算的風(fēng)電裝機(jī)容量，我國的世界排名為34，為46W/人，而同為總裝機(jī)容量世界前列的美國、德國和西班牙，；根據(jù)陸地面積計(jì)算，中國排名為第25位（）。問題一：如今風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)損失主要集中在下游風(fēng)力機(jī)在上游風(fēng)力機(jī)尾流中受到干擾，損失接收功率。下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P2）與上游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P1）的比值隨兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)之間距離D的變化。請(qǐng)查找區(qū)域典型數(shù)據(jù)，求得風(fēng)力機(jī)最佳間距（附 表1 江蘇省13個(gè)氣象站點(diǎn)80m高風(fēng)速測(cè)定 單位m/s）。問題二：請(qǐng)以根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速、迎風(fēng)角、間距、轉(zhuǎn)向等信息，調(diào)整風(fēng)力機(jī)以減少風(fēng)機(jī)渦動(dòng)能所帶來的能量損失，并設(shè)計(jì)一種最新的陸地風(fēng)機(jī)列陣方式。問題三：相較陸地，海洋上擁有更多的風(fēng)能資源，但其建造風(fēng)機(jī)場(chǎng)難度更大。請(qǐng)結(jié)合海洋風(fēng)能數(shù)據(jù)，探討海上風(fēng)機(jī)場(chǎng)的構(gòu)建方式。二、問題分析：在風(fēng)電場(chǎng)的模型結(jié)構(gòu)中，有一下兩個(gè)主要的難點(diǎn)：處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確描述風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)；在多個(gè)目標(biāo)中選擇合適的判斷依據(jù)。因此，如何處理大量數(shù)據(jù)建立風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，以及如何在多目標(biāo)條件下確定最優(yōu)化的判斷標(biāo)準(zhǔn)，就是我們首先要解決的問題。其次，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的排布陣列是為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，故應(yīng)該找到速度與功率的關(guān)系，從而建立合理的排布，充分利用風(fēng)力資源以獲得最大的功率。而且風(fēng)機(jī)之間存在尾流效應(yīng)的影響和尾流遮擋等因素，難點(diǎn)是如何找到影響功率和風(fēng)速的最大或最主要的因素，建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行建模求解。對(duì)于海上建立風(fēng)電場(chǎng)，要針對(duì)不同的海域有不同的方式，如何提出一個(gè)基本適用于大眾化的模式是比較難的。這要選定某一區(qū)域進(jìn)行分析才可能推廣，實(shí)現(xiàn)特殊到一般的轉(zhuǎn)化也是個(gè)難點(diǎn)。三、基本假設(shè)本文研究水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。（對(duì)于問題3，其條件不同，故分別在針對(duì)問題建模求解前提出）四、文中常用符號(hào)說明——風(fēng)能利用系數(shù)， ——為風(fēng)輪的推力系數(shù)——為葉尖速比； ——為空氣密度。 ——為風(fēng)速； ——為無窮遠(yuǎn)處風(fēng)速?！獮轱L(fēng)輪掃掠面積；——為風(fēng)輪半徑。 ω——為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。 β——為槳距角； P——為風(fēng)機(jī)的吸收功率；E——系統(tǒng)中單位質(zhì)量的總能量； I——單位質(zhì)量的內(nèi)能；Ω——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速； η——傳動(dòng)鏈和發(fā)電機(jī)的總效率； ——外界環(huán)境傳遞給控制體內(nèi)流體的熱量；——是外界環(huán)境對(duì)控制體內(nèi)流體做的功。五、模型建立與求解：①將風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪簡(jiǎn)化為一個(gè)無厚度可穿透的圓盤，該圓盤從空氣中提取能量使氣流速度、壓力等降低。②認(rèn)為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)是一維的、穩(wěn)態(tài)的、不可壓流場(chǎng)。、上游截至未受風(fēng)輪影響的無窮遠(yuǎn)處來流、下游到尾流氣流恢復(fù)至周圍環(huán)境氣流狀態(tài)的流管作為控制體。 致動(dòng)盤理論模型③不考慮風(fēng)機(jī)成本效益和風(fēng)電場(chǎng)增量裝機(jī)效益。④本文選取變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究的。為了推導(dǎo)出風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍流場(chǎng)中各個(gè)變量之間的關(guān)系，沿著流線可以將該流管分為三個(gè)部分。第一個(gè)部分是自由來流的風(fēng)輪上游區(qū)域；第二個(gè)部分是風(fēng)輪平面；第三個(gè)部分是風(fēng)輪下游區(qū)域，從風(fēng)輪平面開始直至氣流狀態(tài)恢復(fù)至周圍環(huán)境氣流狀態(tài)的位置。在空間位置固定的、無變形的控制體內(nèi)，由質(zhì)量守恒的關(guān)系，可得以下方程： ()基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)，式（）左邊的第一項(xiàng)等于0。所分析的控制體為流管，其邊界為流線，因此沒有流體能夠進(jìn)入或者離開控制體內(nèi)，因此式（）可以簡(jiǎn)化為： ()其中和是每個(gè)截面流線方向的速度和面積。類似的，在空間位置固定的、無變形的控制體內(nèi)，一維動(dòng)量方程的通用形式如下： ()同樣的，由于穩(wěn)態(tài)假設(shè)以及流管邊界的無穿透，式（）可以簡(jiǎn)化為： ()其中是風(fēng)輪對(duì)氣流的作用力。能量守恒的通用形式如下： ()不考慮邊界上熱量的傳遞，并且認(rèn)為控制體是從無窮遠(yuǎn)處自由來流位置到風(fēng)輪平面前方和風(fēng)輪平面后到不受風(fēng)輪影響的無窮遠(yuǎn)處，那么在該控制體內(nèi)流體沒有被做功，則式（）的右邊項(xiàng)為0。進(jìn)一步，由于流場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)的，并且忽略內(nèi)能的變化，式（）可以簡(jiǎn)化為： ()式（）是能量守恒方程的簡(jiǎn)化形式，也就是伯努利方程。根據(jù)以上所有假設(shè)，式（）可以用于一條流線上的兩點(diǎn)之間。在從出口（位置1）到致動(dòng)盤前一點(diǎn)（位置2）的區(qū)域內(nèi)和致動(dòng)盤后一點(diǎn)（位置2+）與出口（位置3）之間的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)用式（），可得： () ()式（）減去式（），然后在兩邊同時(shí)乘以A2，得到: ()將式（）與式（）、式（）相比較可得： ()上式表明風(fēng)輪平面的氣流速度是無窮遠(yuǎn)上游速度與無窮遠(yuǎn)下游速度和的一半。而且風(fēng)輪