风机排列布置方式优化：如何优化空气流通？

风电场风力发电机组的优化布局是风电场选址工作中的一项重要环节，其布置方案的优劣直接决定风电场的发电量，从而影响到风电场的经济性水平。由于风力发电机组的尾流效应，气流经过每台风机之后速度都会降低。如果风力发电机组排列过密，风力发电机组之间的相互影响将会大幅度地降低排列效率，减小发电量，并且增大由于风力发电机组尾流引起的湍流强度，产生的强紊流将造成风力发电机组和风轮面的振动，恶化机组载荷状态，带来不安全因素。反之，如果排列过疏，发电量增加效果不明显，同时增加了道路、电缆等投资费用以及降低了土地利用率。通常在实际风电场开发建设中，由于各种限制因素的制约，风电场区域边界已确定，因此，在确定的风电场边界和风能资源情况下，应保证风力发电机组间相互影响最小化。

在最初的研究中，风电场风力发电机组优化布置理论基本属于经验性结论，对于水平轴风力机而言，其布置方式基本为规则的行列式布置，这些基于经验判断给出的布置方式在一定程度上和特定阶段指导了风电场风力发电机组优化布置的探索研究和工程应用。实际上，不同风电场和风力发电机组类型的风机最优布置是不相同的，依据现有经验成果只能在一定条件范围内作为风力发电机组优化布置设计的参考。相比于水平轴风力机，垂直轴风力机没有偏航系统，无需对风，因而其布置形式对风向的要求较低，主要考虑因素为风速。

在风力发电机组布置中，风力发电机组布置间距是一个重要参数，风力发电机组布置间距（中心点间距）包括垂直于盛行风方向的横向间距和盛行风方向的纵向间距。前人基于经验的研究结论是：风机的最小横向间距范围为2D0～5D0（D0为风轮直径），最小纵向间距范围为5D0～12D0。实际上，风电场风力发电机组的横向、纵向间距应该按“在盛行风向上，上游风力发电机组尾流对下游其他风力发电机组出力无影响或影响很小”的原则确定，即对于不同的风电场，其最优风力发电机组间距是不同的，应根据风场区域形状及尺寸、风力发电机组类型等因素经综合优化设计计算后确定。

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图8-5　尾流影响直径的变化曲线

对于风电场区域无限制的情况，风力发电机组的最优纵向间距可按“上游风力发电机组尾流风速恢复至90%”的原则确定，即确定风力发电机组的最优纵向间距首先应研究确定风力发电机组尾流风速的变化规律。关于风力发电机组的最优横向间距，可按“上游风力发电机组尾流对其他列的风力发电机组出力无影响或影响很小”的原则选取，即确定风力发电机组的最优横向间距首先应研究确定风力发电机组尾流影响区域的变化规律。尾流影响直径的变化曲线如图8-5所示，x为风力发电机组后沿轴向的距离，y为尾流影响直径，由图可知，风力发电机组尾流影响范围（即影响区域直径）随着下游距离的增加而增加，当风场布置2排风机时，风力发电机组最小横向间距应为2.5D0；风场布置3排风机时，风力发电机组最小横向间距应为3D0；随着风力发电机组布置排数的增多，风力发电机组的最小横向间距也应适当增大。对于风电场区域确定的情况，受风场尺寸以及风电场开发经济性等因素的限制，风力发电机组最优布置间距一般需根据风场具体情况适当调整。

除了依据前人经验结果，越来越多学者提出了基于不同优化算法的风力发电机组优化布置计算方法，通过建立相应的数学模型，利用不同的优化算法对风力发电机组优化布置问题进行研究，这些方法为研究风力发电机组优化布置问题提供了新的思路，其研究成果也为风电场风力发电机组优化布置的研究和实际风电场工程的设计提供了重要的参考。