摘要
从风力机发展历程来看，全球风力机不论是总装机容量还是新增装机容量均呈现指数式增长，随之带来的就是风力机单机容量不断增加，且陆上风电己不再能够满足人类发展需求，不断向着海上风电扩张。而随着风力机单机容量的不断增加，带来的显著问题就是风力机的叶轮扫风面积不断扩大，质量不断增加，叶片越来越长，从而出现一系列运输与安装问题;由于庞大的风力机体积以及带来的噪声问题也不断制约着风电场的选址。因此对多风轮风力机组进行研究具有十分重要的意义。 本文采用风洞试验与格子玻尔兹曼(LBM)方法对多风轮风力机组不同风轮分布间距进行研究，并且进行了度电成本估算，比较了其优劣性。设计了三种多风轮的布置方式并对其进行了稳定性分析，结果表明风轮推力与风轮旋转速度有关，与布置方式关系不大。通过对比三种布置方式主塔架方向的扭矩大小发现，纵向布置与三角形布置方式扭矩更小，横向分布具有明显的不稳定性。同时通过数值模拟与实验数据进行对比分析，研究了叶尖距分别为0.1d、0.4d以及0.9d(d为小风轮直径)的双风轮风力机组和三风轮风力机组，与等面积单风轮风力机的功率与尾流变化关系。研究结果表明双风轮和三风轮风力机组随着风轮间距的增加，输出功率呈现先增加后降低的趋势，相较于等面积单风轮风力机组有提高功率的效果，最高在叶尖距为0.4d处，双风轮与三风轮实验测量值分别提高了7.3％和8.4％;在叶尖距为0.9d时，多风轮风力机组的每个风轮运行相对独立，但仍有2.3％和2.7％的输出功率增加效果。数值模拟结果则略低于试验测量结果，为三风轮风力机组相较于等面积单风轮风力机组在风轮间距为0.4d的工况下，输出功率提高4.56％，在0.9d工况下输出功率提高1.4％;尾流方面，在均匀流情况下，多风轮风力机组相较于等面积单风轮风力机组有更快的尾迹恢复能力;不同轴向距离处，尤其是近尾流区湍流强度也相对更小;同时多风轮风力机组横风向风速相较于单风轮风力机组来的更大。在来流湍流强度为10.5％的情况下，尾流速度亏损变小，速度恢复能力更快。然而多风轮风力机组的尾迹宽度一般宽于等面积单风轮风力机组。随着风轮分布间距增大，尾流恢复能力相差不大。最后比较了单风轮风力机组和三风轮风力机组各个部分的成本以及总成本，并估算了年发电量，计算了度电成本，结果表明三风轮风力机组的总成本约为单风轮风力机组的95％，度电成本约为单风轮风力机组的91％。
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