挡风墙能够提高风力发电机的效率

模拟表明，经过优化布置的障碍物，能够将发电机的效率提高多达10%。

更高效地生产可再生能源的方法对于应对气候变化是至关重要。新的模拟表明，防风屏障，如墙壁或成排的树木，可以将风力发电场的发电量提高多达10%[1]。先前的研究表明，挡风墙可以帮助提高单个风力发电机的效率，但对于大型的风电场来说，挡风墙的作用会适得其反。这项新的模拟研究是第一次模拟带有挡风墙的真实风电场。参与的研究人员希望，他们的工作能够起到提高真实风力发电机工作效率的作用。

在世界范围内，现在的风力发电机能够提供七百四十千兆瓦的电量，是纽约用电量的70多倍。但如果化石燃料枯竭的话，所有的可再生能源包括风力在内，就需要提供更多的电量。其中一个生产更多能源的办法，就是使风力发电机更加有效。

研究人员已经通过使发电机交错排列来提高风力发电机的效率，这样可以防止每列的风力发电机接收到来自前排的缓慢且紊乱的尾流。挡风墙可以潜在的提高更多的产能。在防风墙高度以下的风会被减速，但是在它的顶部的风会被加速。这种加速的效应就像流体通过一个漏斗。

2017年的模拟显示，一个挡风墙能够通过给撞击扇叶的空气加速来帮助单个发电机，但是如果在一个无限大的风场里给每一个发电机都放置一个防风墙的话，则会减少总的功率输出[2, 3]。模拟显示，风会在很短的一段距离内加速，而这已经足够帮助在挡风墙后面的发电机。但是，减慢的空气可以在风场的远下风处传播，并且随着多个挡风墙尾流的汇合，其危害性会越来越大。对于一个无限大的风场来说，这种累积的尾流效应抵消了在每个挡风墙上加速风力带来的任何优点。然而，没有任何人对一个真实、有限的风场进行模拟研究。

荷兰顿特大学的Luoqin Liu和RichardStevens模拟了一个在每台发电机前有着相同挡风墙的六排发电机风场。他们通过改变参数，比如防风林的高度和宽度，以及防风林和涡轮机之间的距离，来进行模拟研究。

他们发现理想的挡风墙高度应该是发电机高度的10%，而它的宽度应该是其高度的5倍。太矮的挡风墙产生的效益太小，而太高的的尾流中产生了过大的空气低俗流动区域。对于六排发电机的风场来说，这个最优挡风墙高度产生的低俗尾流累积不足以抵消挡风墙带来的好处。

研究结果表明，对于一个在风场中100米高的风力发电机来说，一个理想的挡风墙尺寸为高10米，宽50米。“你所能做的最简单的事就是种很多树。”Liu说。他说，为风力发电增加10%而种植成排的树木既环保又非常划算。

虽然 Liu 和Stevens将他们的模拟数据与先前已有的防风林气流现场测量数据进行对比验证，但依然存在很多问题。他们的模拟并不包括例如发电机交错排列等因素，这会改变风的方向，或者旋转涡轮叶片对发电机尾流的影响。“我们不知道能否在建立一个真正的挡风墙后真的能够得到这10%。”liu说，“这是一个新的想法，以前从未有人尝试过。”

这一新结果促使其他科学家思考实际意义。澳大利亚阿德雷德大学的流体动力学研究者Azadeh Jafari指出，发电的大部分改进来自于第一排发电机。“也许我们能想出一个只在第一排而不是整个风场使用“挡风墙”的方法。”他说。

“10%真的很了不起，” LeonardoChamorro说，他曾经在伊利诺伊大学厄本那香槟分校研究风电场力学，“我们都很惊讶，从某种意义上说，风力发电机看起来像是相对古老的技术，”他说道，“我们知道很多，但我们仍然有许多工作要做。”

#文本编辑：

编译：Thomas

排版：NanProud

#参考来源：

原文作者：Dan Garisto

原文网址：https://physics.aps.org/articles/v14/112

#参考文献：

1. L. Liu and R. J. A. M. Stevens, “Enhanced wind-farm performance using windbreaks,” Phys. Rev. Fluids 6, 074611 (2021).

2. N. Tobin et al., “Fractional flow speed-up from porous windbreaks for enhanced wind-turbine power,” Boundary-Layer Meteorol. 163, 253 (2017).

3. N. Tobin and L. Chamorro, “Windbreak effects within infinite wind farms,” Energies 10, 1140 (2017).