不同条件下风力机运行对局地大气结构的影响研究

摘要

由于环境保护和能源结构优化的需要，风力发电作为可再生能源的重要部分近年来得到了迅速发展。不过在大力发展风电，关注风力发电带来积极影响的同时，风电开发和运行对气候环境的潜在负面影响也不应被忽略。风力发电利用了近地大气边界层内的风能，造成大气能量损失，而且风力机旋转会对大气流动产生扰动，这样会打破原本的大气平衡，改变自然界本身的大气循环。所以针对风力机运行对局地大气结构的影响进行深入分析具有重要意义。
　　本文应用数值模拟方法，建立单台风力机流场和多台风力机流场模型，结合湍流理论和大气流动特征，对不同条件下风力机运行进行研究，分析其对局地大气边界层内空气流动的影响。
　　首先模拟了在不同气温层结条件下单台风力机运行时，流场内速度、温度、湍流度的变化特征。模拟结果显示，在夜间稳定层结条件下，近地表温度低于高空温度，上升气流受到抑制，风力机的旋转会导致近地表区域增温和高空区域降温现象的发生；而在白天不稳定层结或者中性层结条件下，地表受到辐射加热，地表温度高于大气温度，对流强烈，风力机的旋转会使得近地表原本温度较高的区域降温，而高空区域温度增高。这些现象说明风力机运行会对大气温度层结造成一定的扰动，改变原有的大气结构。然后对多台风力机流场进行模拟，结果表明，无论顺列还是是错列布置，边界层内的速度、温度和湍流度等参数与单台风力机运行相比均发生剧烈变化，竖直方向上湍流度变化影响的高度更大，进而受到影响的大气边界层范围也在扩大。最后对不同下垫面时的风力机运行进行了模拟。随着地表粗糙度的增大，风力机下游的风速逐渐降低，且速度恢复率也在逐渐减小。下垫面地表粗糙度不同对温度的影响主要集中在风力机轮毂高度以下区域，虽然温度变化规律基本相似，但是随着粗糙度增加，影响程度越来越剧烈。湍流度也会随着地表粗糙度的增大而增加，导致湍流变得更加紊乱。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 国内研究发展现状

1.3 国外研究发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基本理论和模型设置

2.1 大气边界层基本理论

2.2 风力机和流场模型设置

2.3 模拟条件设置

2.4 网格无关性验证

2.5 模拟方法验证

2.6 本章小结

第3章 不同因素下风力机运行对局地大气结构影响

3.1 不同温度层结下单台风力机运行对局地大气影响

3.2 不同布置条件下多台风力机运行对局地大气影响

3.3 本章小结

第4章 不同下垫面条件下风力机对局地大气结构影响

4.1 下垫面概述

4.2 不同下垫面模型建模设置

4.3 不同下垫面下单台风力机运行影响

4.4 不同下垫面下多台风力机运行影响

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢