發(fā)電的風(fēng)力機(jī)亦是阻沙“能手”？離風(fēng)沙“誕生”的真相又進(jìn)一步！

《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA）2024年第4期以封面文章的形式出版了蘭州理工大學(xué)李仁年教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)（投稿時(shí)為上海交通大學(xué)）李曄教授團(tuán)隊(duì)的研究成果，同期出版了中國科學(xué)院院士鄭曉靜教授撰寫的點(diǎn)評(píng)文章。

內(nèi)陸風(fēng)電的發(fā)展

中國陸上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展最早可以追溯到20世紀(jì)70年代初，在國家政策的支持下得到了快速發(fā)展[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國可開發(fā)的陸上風(fēng)資源高達(dá)253 GW(基于10 m高度測量結(jié)果)[2]。到2010年，西北地區(qū)已經(jīng)建立了大約160個(gè)不同規(guī)模的風(fēng)電場，總裝機(jī)容量達(dá)到5000 MW[1]。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，風(fēng)力機(jī)逐步向大型化發(fā)展，風(fēng)電場的規(guī)模不斷擴(kuò)大[3]。到2023年，中國陸上風(fēng)電裝機(jī)容量新增了58.2 GW，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等地，其裝機(jī)容量占比分別為33.47%、15.24%、11.34%[4]。然而，隨著可開發(fā)的平坦地形日益減少，風(fēng)電選址逐漸轉(zhuǎn)移到沙漠、戈壁等復(fù)雜地形。這些地區(qū)蘊(yùn)含的風(fēng)能資源約占全國陸上風(fēng)資源的70%[5]。

西部風(fēng)沙現(xiàn)狀

我國西北地區(qū)氣候干燥、降水稀少、植被覆蓋度低，存在大面積的沙漠，如巴丹吉林沙漠、塔克拉瑪干沙漠等，這種氣候條件使得我國西北地區(qū)常受沙塵暴的影響。長期以來，過度放牧等人類活動(dòng)使得西北地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害日益嚴(yán)重，荒漠化程度也在不斷加劇。近年來，通過我國“三北”防護(hù)林工程等防沙固沙措施的實(shí)施，土地荒漠化等問題得到了極大改善。盡管如此，西北地區(qū)土地沙化面積大、程度深、治理難的基本面尚未根本改變。

風(fēng)力機(jī)在風(fēng)沙中的挑戰(zhàn)

如上所述，雖然資源豐富，但沙塵天氣和復(fù)雜地形的局部環(huán)流會(huì)對(duì)大氣邊界層的湍流特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而增加風(fēng)力機(jī)輪轂高度處風(fēng)速預(yù)測的難度[6]。一方面來說，風(fēng)力機(jī)易受大氣和地形湍流的影響，其氣動(dòng)性能表現(xiàn)出強(qiáng)非定常特征，這對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的準(zhǔn)確預(yù)估產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)[7]。從另一方面來說，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行對(duì)沙塵輸運(yùn)的影響逐漸成為風(fēng)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)尾流是一種復(fù)雜的三維多尺度湍流，沙塵環(huán)境中風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行涉及顆粒與湍流相互作用的兩相流問題，其中包括離散相顆粒的彌散行為和反之對(duì)流體相湍流的調(diào)制。然而，由于風(fēng)力機(jī)尾流的復(fù)雜性，目前仍缺少系統(tǒng)的研究。因此，盡管風(fēng)力機(jī)在風(fēng)沙中的運(yùn)行仍有一定的挑戰(zhàn)，但其運(yùn)行也有望對(duì)風(fēng)沙的環(huán)境治理有所益處?！笆奈濉逼陂g是我國實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的關(guān)鍵時(shí)期，防沙治沙工作面領(lǐng)著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，推進(jìn)風(fēng)能建設(shè)正在成為西北地區(qū)防沙治沙的重要戰(zhàn)略之一[8]。

該研究發(fā)現(xiàn)

該研究通過在大渦模擬中采用致動(dòng)線模型施加體積力實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)與沙塵流場的相互耦合，系統(tǒng)地分析了不同粒徑的沙塵顆粒在風(fēng)力機(jī)尾流中的聚集和沉降等輸運(yùn)特征（圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行顯著改變了沙塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖2），在風(fēng)力機(jī)葉尖處形成了“環(huán)狀分布”（圖3）；同時(shí)，風(fēng)力機(jī)對(duì)沙塵輸運(yùn)具有明顯的阻礙作用，促使沙塵顆粒提前發(fā)生沉降。這預(yù)示著風(fēng)電場的建設(shè)可能會(huì)對(duì)沙塵暴的防治產(chǎn)生積極影響。這個(gè)成果提供了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行對(duì)阻沙降塵的關(guān)鍵證據(jù)，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)風(fēng)沙災(zāi)害的形成演化規(guī)律及抑制機(jī)理打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，不僅對(duì)內(nèi)陸風(fēng)沙和風(fēng)電的關(guān)系作出了貢獻(xiàn)，也對(duì)海上風(fēng)電和鹽霧之間的關(guān)系提供了新的思路。

圖1 總體建模

葉尖位置入射

風(fēng)輪內(nèi)部入射

圖2 顆粒軌跡

圖3 x/D=1截面處顆粒濃度分布：(a) 10μm, (b) 50μm, (c) 100μm, (d) 150μm

該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目2022YFB42021以及國家自然基金項(xiàng)目52166014以及52276197支持。

【參考文獻(xiàn)】
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[3] Kirkegaard J K, Rudolph D P, Nyborg S, et al. Tackling grand challenges in wind energy through a socio-technical perspective. Nature Energy, 2023, 8(7): 655-664.

[4] GWEC.GWEC Global Wind Report 2023[R]. Bonn, Germany. 2023

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[7] 王同光, 田琳琳, 鐘偉等. 風(fēng)能利用中的空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展: 入流和尾流特性. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2022, 40(4): 22-50.

[8] 馮起, 白光祖, 李宗省, 等.加快構(gòu)建西北地區(qū)生態(tài)保護(hù)新格局.中國科學(xué)院院刊, 2022, 37(10): 1457-1470.