风能是当今世界上应用最为广泛的可再生能源之一。美国爱荷华州立大学航空航天工程系的胡晖教授和其带领的研究团队在一个大型的空气动力学/大气边界层风洞(AABL)中，系统地研究了风电场中串列排立的风力机的相对旋转方向对风力机的尾流特性、发电效率及气动载荷的影响规律，进而提出了一种能够在风电场中提高风力机发电效率的新方法。
这篇名为“串列排立的风力机相对旋转方向对其尾流干扰特性影响的实验研究”的研究论文发表于《中国科学:物理学力学天文学》英文版2014年第5期。由美国爱荷华州立大学航空航天工程系胡晖教授担任通讯作者撰写。
目前，随着风电场规模的不断扩大，风力机之间的尾流干扰问题日益严重。研究表明，由于风电场中的风力机之间的间距、布局及来流条件的影响，完全处于尾流流场中的下游风力机的发电效率损失可以达到40%。因此，如何减小风力机的尾流干扰，从而提高下游风力机的发电效率成为近年来风能研究中最为重要的课题之一。
近期，人们提出了一种对转式双转子叶轮的新型风力机设计概念。在这种设计中，风力机塔架上设置了前后两排转子叶轮，并且上下游转子叶轮的旋转方向相反。由于转子叶轮诱导的周向速度与其旋转速度相反，因此这种对转式双转子叶轮的设计保证了下游转子叶轮的旋转方向与上游叶轮诱导的周向速度方向相同，从而可以更有效地利用上游转子叶轮在尾流中诱导的周向速度分量，来提高下游转子叶轮的发电效率。目前，由于对转式双转子叶轮风力机上下游叶轮的距离很短(小于一个叶轮半径)，人们的研究主要集中在其近尾迹特性上。另一方面，目前风电场中普遍采用的风力机是传统的单转子叶轮风力机，并且所有的风力机的旋转方向一致。而风力机的旋转方向不同对风电中的风力机之间尾流干扰的影响从未被研究过。基于以上考虑，胡晖教授及其研究团队在风洞实验中通过变化上下游风力机的相对旋转方向(同向旋转及反向旋转)，详细研究了两个串列排立的风力机的相对旋转方向对风力机的尾流特性、发电效率及气动载荷的影响规律。
研究表明，在相同的来流条件下，反向旋转的两个风力机可以从来流中获得更多的能量。反向旋转条件下，上游风力机诱导的周向速度分量被下游风力机利用，从而有效地提高了下游风力机的发电效率。同时，由于风力机诱导的周向速度随着尾流向下游发展过程中逐渐衰减，因此，通过反向旋转获得的发电效率的增益会随着上下游风力机间距的增加而不断减小(如图1)。当风力机间距为0.7D时(D为风力机叶轮直径)，下游风力机发电效率与同向旋转相比可以提高20%。而当风力机间距为5.0D时，发电效率的增益已经减小到4%。随着风力机尾流继续向下游发展，其诱导的周向速度可以忽略不计。当风力机间距为6.5D时，反向旋转布局对发电效率的增益作用已经基本消失(<1%)。以上的研究结果表明，在风电场的实际设计过程中，与海上风电场相比(风力机间距通常为6~10D)，反向旋转风力机的设计布局将更适用于陆上风电场(风力机间距约为3D)，特别是对于那些位于山区/丘陵等复杂地形条件下、风力机间距只有约1~2D的风电场。
该研究项目得到了美国国家科学基金会(NSF)(项目批准号：CBET-1133751)与美国爱荷华州风能创新与发展基金(IAWIND)的资助。
图1反向旋转与正向旋转布局中下游风力机的发电效率比值随风力机的间距的变化曲线
