由于与生俱来的随机性和强非线性,即便你懂得风的轨迹,也很难预测到这个恶魔何时会跑出来破坏风力发电,所以只能在分析报告中看到它的踪迹——比如风机齿轮箱损坏、叶片开裂、基础开缝、发电量不达标,等等,诸如此类的问题无不与湍流有关,也就是说,这个恶魔脱不了干系,可这个看不见摸不着的东西究竟是什么呢?
如果你缺少专业知识,那就得补脑了,看看百科中的标准答案解释:“湍流又称紊流,指的是流体的非均匀流动。”这句话能懂的就懂了,再看看下面这段话,即使不懂也会知道湍流到底是个什么级别的风电难题了。
“湍流的复杂,使得它几乎不可能用任何数学方法准确描述,在过去的一个世纪里,科学家们先后发明了涡粘性和混合长度理论、能量级串理论、流动稳定性理论等对它进行说明和解释,但始终没有实现对湍流的完全模拟,它也因而成为流体力学的世纪难题。”
难题也不过是难题而已,只要风机设计师们和湍流这个恶魔来一番斗智斗勇,风机安全性和良好的发电性能是可以有保障的,但前提是要先了解下风机设计湍流等级,然后就是湍流对风机安全性和发电量究竟有哪些影响。
那么,什么是风机设计湍流的等级标准呢?先看最新IEC61400标准(由IEC制定的风力发电机组系列标准)对风力发电机组的安全等级分类,看个表吧: 请注意,Vref是指风电场50年一遇的10分钟最大风速;Iref是指15m/s时的湍流强度的平均值;A是指高湍流强度等级,B是指中等湍流等级,C是指低等湍流强度。
再说一遍,无论哪位大神都很难用数学方法准确描述湍流,那么风机设计是如何界定湍流的呢?接地气的专家们搬出了万能的统计学方法,根据IEC61400标准规定,湍流强度(TI)是指10分钟内风速随机变化的幅度,也就是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率。实际上,这就是风机运行中承受的正常疲劳载荷,也是IEC61400-1风机安全等级分级的重要参数之一。
与高难度的湍流画像相比,看看湍流产生的原因就简单多了:一个原因是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用;另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。