一种风电场增容改造的风洞模拟实验装置与方法与流程

1.本技术属于风力发电微观选址技术领域，尤其涉及一种模拟大风机替换现有风电场小风机提高风能利用效率和风电场输出功率的风洞实验模拟方法。


背景技术：

2.未来我国以风电为代表的清洁能源将迎来爆发式增长阶段，将极大的改善我国电力发展结构和降低碳排放总量。经过几十年的快速发展和建设，使得目前我国陆地优质风电资源基本已经选建完毕，为后续陆上风电选址带来较大困难和不确定性，同时现有二十年以上老旧风电场面临退役和机组容量低的问题。
3.利用现有老旧风电场场区，拔除部分现有小风电机组，替换为单机功率更大的先进风电机，从而提高风电场整体装机容量和风能利用率，从而提高风电场整体输出功率是解决目前陆上风电无优质风电资源问题的好方法，同时解决了老旧风电场退役问题。国内外目前对于该方法的研究尚处于起步阶段，研究手段通常为数值模拟，其模拟结果误差较大，仅可供参考。目前尚无一种较理想方法可以较准确模拟大风机间替换现有小风机对风电场输出功率的影响。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本技术实施例提供了一种风电场增容改造的风洞模拟实验装置与方法，可规避传统数值模拟带来的误差较大问题，所述技术方案如下：
5.本技术第一方面提供一种风电场增容改造的风洞模拟实验装置，包括：直流吹式风洞，所述直流吹式风洞包括相连通的进气段、动力段、实验段和出气段，在所述进气段设有进气口，在所述出气段设有排气口，在所述动力段设有风洞电机和风洞风机；其中，在所述实验段设有数排风机模型组，每排所述风机模型组包含若干个风机模型，所述风机模型包括小风机模型和大风机模型，数个小风机模型阵列排布以形成小风机模型组，数个小风机模型和数个大风机模型阵列排布以形成混合式风机模型组；本技术用来模拟在原型机1mw以下即将到期风电场中通过拔除少量小风机同时补建大风机提高风能利用效率和风电场输出功率，与现有数值模拟比较，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可以更好的为即将退役风电场后续发展决策提供技术支撑。
6.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，所述直流吹式风洞内的气流穿过所述实验段并带动所述风机模型转动，所述风机模型的叶片转动带动发电机实现动能到电能转换。
7.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，在所述实验段内还设有数个风机转速计数器，当所述风机模型组为所述小风机模型组时，所述风机转速计数器与所述小风机模型组连接，以测定所述小风机模型组的转速；当所述风机模型组为所述混合式风机模型组时，每一个所述大风机模型与一所述风机转速计数器一一对应连接，以测定所述大风机模型的转速，每一个所述小风机模型与一所述风机转速计数器
一一对应连接，以测定所述小风机模型的转速。
8.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，所述实验段还包括操控间，在所述操控间内设有操作台，所述操作台控制所述实验段风速和所述风机模型组的风机转速；在所述操控间内还设有数个风机功率显示与存储器，每一所述风机功率显示与存储器与所述实验段内的每一所述风机模型一一对应连接。
9.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，在所述实验段设有五排所述风机模型组，且每一排所述风机模型组包括四个风机模型，五排所述风机模型组分别为第一风机模型组、第二风机模型组、第三风机模型组、第四风机模型组和第五风机模型组。
10.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，五排所述风机模型组均为所述小风机模型组，或五排所述风机模型组中至少一排为所述混合式风机模型组。
11.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，五排所述风机模型组等间距排布，且相邻两排所述风机模型组之间的间距为所述小风机模型的叶片直径的8-10倍。
12.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，所述小风机模型和所述大风机模型均为三叶片水平轴风机。
13.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，所述大风机模型最大功率为200w，所述大风机模型的原型机为功率为4.2mw的风机，所述小风机模型最大功率为40w，所述小风机模型的原型机为功率为850kw风机。
14.本技术第二方面提供一种风电场增容改造的风洞模拟实验方法，采用上述所述的风电场增容改造的风洞模拟实验装置，具体包括以下步骤：
15.步骤一：所述实验段包含五排所述风机模型组，分别为第一风机模型组、第二风机模型组、第三风机模型组、第四风机模型组和第五风机模型组，每一排所述风机模型组包括四个风机模型，共计二十个风机模型，将五排所述风机模型组均设置为小风机模型组，即二十个小风机模型，启动所述直流吹式风洞的控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机功率和所述风洞风机转速使所述直流吹式风洞内的风速达到11m/s；开启与所述小风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动五排所述小风机模型组；
16.步骤二：待风速及所述小风机模型转速稳定后，启动所述风机功率显示与存储器，记录各所述小风机模型以及风电场整体输出功率a，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
17.步骤三：关闭所述风机功率显示与存储器，关闭五排所述小风机模型组，关闭与各所述小风机模型对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吹式风洞的风洞控制电源开关；
18.步骤四：根据数值模拟优选结果，任选所述二十个小风机模型中的若干个更换为大风机模型；
19.步骤五：再次启动所述直流吹式风洞的控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机功率和所述风洞风机转速使所述直流吹式风洞内的风速
达到11m/s；开启与所述小风机模型、所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动五排所述风机模型组；
20.步骤六：待风速、风机转速稳定后，启动所述风机功率显示与存储器，记录各所述风机模型以及风电场整体输出功率b1，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
21.步骤七：提高所述直流吹式风洞内的风速达到13m/s，记录各所述风机模型以及风电场整体输出功率c1，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
22.步骤八：关闭所述风机功率显示与存储器，关闭所述风机模型组，关闭与各所述风机模型对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吹式风洞的风洞控制电源开关；
23.步骤九：再次选取不同位置处的小风机模型更换为大风机模型，重复所述步骤四至所述步骤八，调整大风机模型替换位置方案，获取输出功率b2和c2，总共获取一次发电功率a，数次发电功率b和c，列表比较b和c与a的大小，综合判断通过大风机模型替代小风机模型实现风电场增容改造的可行性和最佳增容改造技术方案。
24.本技术的风电场增容改造的风洞模拟实验装置与方法所带来的有益效果为，本技术用来模拟在原型机1mw以下即将到期风电场中通过拔除少量小风机同时补建大风机提高风能利用效率和风电场输出功率，与现有数值模拟比较，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可以更好的为即将退役风电场后续发展决策提供技术支撑。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术的直流吹式风洞结构示意图；
27.图2是本技术的直流吹式风洞的实验段结构示意图。
28.附图标记：1-直流吹式风洞，2-进气口，3-风洞风机，4-风洞电机，5-实验段，6-排气口，7-操控间，8-第一排风机组，9-第二排风机组，10-第三排风机组，11-第四排风机组，12-第五排风机组，13-风机转速计数器，14-风机显示与存储器。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等
类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.根据一实施例提供的风电场增容改造的风洞模拟实验装置，如图1所示，包括：直流吹式风洞1，所述直流吹式风洞1包括相连通的进气段、动力段、实验段5和出气段，在所述进气段设有进气口2，在所述出气段设有排气口6，在所述动力段设有风洞风机3和风洞电机4；其中，在所述实验段5设有数排风机模型组，每排所述风机模型组包含若干个风机模型，所述风机模型包括小风机模型和大风机模型，数个小风机模型阵列排布以形成小风机模型组，数个小风机模型和数个大风机模型阵列排布以形成混合式风机模型组。具体地，在所述实验段5设有木板底盘，数排所述风机模型组均通过螺丝固定在所述实验段5的木板底盘上，所述木板底盘通过钢钉固定在所述直流吹式风洞1的底板上；所述直流吹式风洞1的实验段5的尺寸为25m(长)
×
4m(宽)
×
2.2m(高)，风速范围在0-30m/s内可调，根据相似准则要求，本技术的模拟实验风速为11m/s和13m/s。根据上述实施例，本技术使用直流吹式边界层风洞来模拟大风机替代小风机对风电场输出功率的影响，由于在直流吹式风洞1中真实再现实际风电场中不同风机尾流之间的相互作用，与现有数值模拟比较，模拟结果更准确、可靠。
32.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，直流吹式风洞1内的气流穿过所述实验段5并带动所述风机模型转动，所述实验段5设有数排风机模型组，阵列包含第一排风机模型组8、第二排风机模型组9、第三排风机模型组10、第四排风机模型组11、第五排风机模型组12，每排包含若干个风机模型，每排风机模型中根据实验需要排布若干小风机模型或大、小风机模型混合排布。
33.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述直流吹式风洞内的气流穿过所述实验段并带动所述风机模型转动，所述风机模型的叶片转动带动发电机实现动能到电能转换。
34.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，在所述实验段内还设有数个风机转速计数器13，当所述风机模型组为所述小风机模型组时，所述风机转速计数器13与所述小风机模型组连接，以测定所述小风机模型组的转速；当所述风机模型组为所述混合式风机模型组时，每一个所述大风机模型与一所述风机转速计数器13一一对应连接，以测定所述大风机模型的转速，每一个所述小风机模型与一所述风机转速计数器13一一对应连接，以测定所述小风机模型的转速。
35.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述实验段5还包括操控间7，在所述操控间7内设有操作台，所述操作台控制所述实验段5风速和所述风机模型组的风机转速；在所述操控间7内还设有数个风机功率显示与存储器14，每一所述风机功率显示与存储器14与所述实验段5内的每一所述风机模型一一对应连接，具体地，所述风机功率显示与存储器14与所述实验段5内风机模型通过电缆连接。
36.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，在所述实验段5设有五排所述风机模型组，且每一排所述风机模型组包括四个风机模
型，五排所述风机模型组分别为第一风机模型组8、第二风机模型组9、第三风机模型组10、第四风机模型组11和第五风机模型组12。
37.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，五排所述风机模型组均为所述小风机模型组，或五排所述风机模型组中至少一排为所述混合式风机模型组，具体地，所述小风机模型的结构、型号规格全部一致，功率为40瓦，大风机模型的结构、型号规格全部一致，功率为200瓦。
38.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，五排所述风机模型组等间距排布，且相邻两排所述风机模型组之间的间距为所述小风机模型的叶片直径的8-10倍。
39.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述小风机模型和所述大风机模型均为三叶片水平轴风机。具体地，所述大风机模型的叶片直径尺寸为980mm，塔筒高度为1100mm，电机功率为200w，所述小风机模型的叶片直径尺寸为360mm，塔筒高度为500mm，电机功率为40w，所述大风机模型和所述小风机模型的叶片材料均为abs，塔筒材质为不锈钢。
40.例如，在一个实施例提供的所述风电场增容改造的风洞模拟实验装置中，所述大风机模型最大功率为200w，所述大风机模型的原型机为功率为4.2mw的风机，所述小风机模型最大功率为40w，所述小风机模型的原型机为功率为850kw风机。
41.本技术第二方面提供一种风电场增容改造的风洞模拟实验方法，采用上述所述的风电场增容改造的风洞模拟实验装置，具体包括以下步骤：
42.步骤一：所述实验段包含五排所述风机模型组，分别为第一风机模型组、第二风机模型组、第三风机模型组、第四风机模型组和第五风机模型组，每一排所述风机模型组包括四个风机模型，即依次排列的1号工位风机模型、2号工位风机模型、3号工位风机模型和4号工位风机模型，共计二十个风机模型，如图2所示，将五排所述风机模型组均设置为小风机模型组，即二十个小风机模型，启动所述直流吹式风洞的控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机功率和所述风洞风机转速使所述直流吹式风洞内的风速达到11m/s(小风机额定风速)；开启与所述小风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动五排所述小风机模型组；
43.步骤二：待风速及所述小风机模型转速稳定后，启动所述风机功率显示与存储器，记录各所述小风机模型以及风电场整体输出功率a，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
44.步骤三：关闭所述风机功率显示与存储器，关闭五排所述小风机模型组，关闭与各所述小风机模型对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吹式风洞的风洞控制电源开关；
45.步骤四：根据数值模拟优选结果，任选所述二十个小风机模型中的若干个更换为大风机模型；例如：将所述第一风机模型组由小风机模型组更换为混合式风机模型组，并选取第一风机模型组的1号工位风机模型和4号工位风机模型由小风机模型更换为大风机模型；
46.步骤五：再次启动所述直流吹式风洞的控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机功率和所述风洞风机转速使所述直流吹式风洞内的风速
达到11m/s(小风机额定风速)；开启与所述小风机模型、所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动五排所述风机模型组；
47.步骤六：待风速、风机转速稳定后，启动所述风机功率显示与存储器，记录各所述风机模型以及风电场整体输出功率b1，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
48.步骤七：提高所述直流吹式风洞内的风速达到13m/s(大风机额定风速)，记录各所述风机模型以及风电场整体输出功率c1，数据存储在所述风机功率显示与存储器内，试验测试时间为20分钟；
49.步骤八：关闭所述风机功率显示与存储器，关闭所述风机模型组，关闭与各所述风机模型对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吹式风洞的风洞控制电源开关；
50.步骤九：再次选取不同位置处的小风机模型更换为大风机模型，例如：将所述第二风机模型组由小风机模型组更换为混合式风机模型组，并选取第二风机模型组的2号工位风机模型和3号工位风机模型由小风机模型更换为大风机模型；重复所述步骤四至所述步骤八，调整大风机模型替换位置方案，获取输出功率b2和c2，总共获取一次发电功率a，数次发电功率b和c，列表比较b和c与a的大小，综合判断通过大风机模型替代小风机模型实现风电场增容改造的可行性和最佳增容改造技术方案。
51.本技术用来模拟在原型机1mw以下即将到期风电场中通过拔除少量小风机同时补建大风机提高风能利用效率和风电场输出功率，与现有数值模拟比较，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可以更好的为即将退役风电场后续发展决策提供技术支撑。
52.尽管已经出于说明性目的对本技术的实施例进行了公开，但是本领域技术人员将认识的是：在不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。