[论文解读] Maximizing wind farm power output with the helix approach -- experimental validation and wake analysis using tomographic PIV

Daan van der Hoek, Bert Van den Abbeele+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Wind Energy Research and Development被引用 4

一句话总结

该论文通过风洞实验结合全流场粒子成像测速（tomographic PIV），实验验证了螺旋形风场控制方法——一种利用动态独立桨距控制诱导涡流尾流形成螺旋速度分布的新型风力发电机组控制方法。该方法通过加速叶片尖端涡流的破裂，提升尾流恢复能力，在双风力机配置下使总功率输出最高提升15%。

ABSTRACT

Wind farm control can play a key role in reducing the negative impact of wakes on wind turbine power production. The helix approach is a recent innovation in the field of wind farm control, which employs individual blade pitch control to induce a helical velocity profile in a wind turbine wake. This forced meandering of the wake has turned out to be very effective for the recovery of the wake, increasing the power output of downstream turbines by a significant amount. This paper presents a wind tunnel study with two scaled wind turbine models, of which the upstream turbine is operated with the helix approach. We used tomographic particle image velocimetry to study the dynamic behavior of the wake under influence of the helix excitation. The measured flow fields confirm the wake recovery capabilities of the helix approach compared to normal operation. Additional emphasis is put on the effect of the helix approach on the breakdown of blade tip vortices, a process that plays an important role in re-energizing the wake. Measurements indicate that the breakdown of tip vortices, and the resulting destabilization of the wake is enhanced significantly with the helix approach. Finally, turbine measurements show that the helix approach was able to increase the combined power for this particular two turbine setup by as much as 15%.

研究动机与目标

• 通过缩比风洞模型实验，验证螺旋形风场控制方法在提升风场发电效率方面的有效性。
• 利用全流场粒子成像测速（tomo-PIV）分析螺旋形激励下的动态尾流行为。
• 研究螺旋形控制方法对叶片尖端涡流破裂及尾流再 energization（再 energization 可译为“再 energization”或“再能量化”）的影响。
• 量化在双风力机风场配置下，螺旋形控制对发电输出提升的贡献。

提出的方法

• 在风洞中对两台风力机模型进行缩比实验，上游风力机采用螺旋形控制方法运行。
• 采用全流场粒子成像测速（tomo-PIV）测量尾流中三维、时间分辨的流场分布。
• 通过动态独立桨距控制（DIPC）实现螺旋形控制，利用具有相位差的周期性偏航与倾斜力矩，形成螺旋形推力分布。
• 对比正常运行与螺旋形运行下的尾流特性，评估其恢复与混合性能。
• 通过追踪涡量演化及叶片尖端涡流的配对行为，分析涡流破裂动力学。
• 测量上游与下游风力机的发电输出，以量化系统整体增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双风力机风场配置下，螺旋形控制方法如何影响尾流恢复与速度亏损的耗散？
• RQ2 螺旋形控制方法对尾流中叶片尖端涡流的破裂与配对行为有何影响？
• RQ3 螺旋形控制方法在多大程度上增强了尾流中的湍流混合与卷吸作用？
• RQ4 与传统控制方法相比，螺旋形控制方法可实现多大程度的发电输出提升？

主要发现

• 螺旋形控制方法显著提升了尾流恢复能力，减少了上游风力机下游的速度亏损。
• 全流场粒子成像测速（tomo-PIV）测量结果证实，螺旋形控制方法加速了叶片尖端涡流的破裂，增强了湍流混合。
• DIPC诱导的螺旋形尾流结构促进了高动量流体更有效地卷入尾流，从而更有效地实现尾流再能量化。
• 在螺旋形控制下，叶片尖端涡流的破裂过程更为迅速且剧烈，有助于加快尾流恢复。
• 在双风力机配置下，螺旋形控制使总发电输出相比正常运行最高提升15%。
• 实验结果证实，螺旋形控制方法在增强尾流混合与提升发电效率方面具有显著效果，与先前的大涡模拟（LES）研究结果一致。