2025年7月9日
- 在 NearWake 計畫中，德國航空航天中心正在研究風力渦輪機近尾流的傳播。
- 這是首次在克魯門代希的 WiValdi 風能研究園區使用無人機群進行測量。
- 渦輪機的近尾流會影響風電場中其他渦輪機的性能和負載。
- 重點：能源、風能研究
一種新的測量方法及其在天空中的首次亮相：來自德國航空航天中心 (DLR) 的十架無人機群在 NearWake 項目中進行了固定測量設備無法到達的測量：位於克魯門代希的 DLR WiValdi 風能研究園區的 OPUS 1 和 OPUS 2 風力渦輪機的正前方和正後方。
NearWake 專案專注於近尾流的傳播。近尾流指的是風力渦輪機渦輪後方的氣流。它的速度更慢，湍流也更劇烈。這是因為渦輪機透過減緩風速並將其動能轉化為電能（即電力）來從大氣中獲取能量。研究人員專注於渦輪機後方最大兩倍轉子直徑的距離。在本例中，該距離為 230 公尺。轉子直徑單位可用於比較不同尺寸的渦輪機。
動盪而複雜：即將到來的尾流
「尾流是一個重要且有趣的研究主題。風力渦輪機通常並非單獨安裝，而是在風電場中成群結隊地安裝。這意味著一台渦輪機的尾流會影響其後的渦輪機。這會顯著影響它們的性能以及作用於轉子葉片和渦輪機的負荷，」諾曼·維爾德曼博士解釋道。他負責德國太空中心奧伯普法芬霍芬大氣物理研究所的「近尾流」計畫。 「因此，尾流的科學研究是德國太空中心風能研究園區的核心任務之一。同時，這個主題對於陸上和離岸風電產業都具有高度的現實意義，」這位德國太空中心的科學家解釋道。 「更新換代」（即用新渦輪機取代舊渦輪機）需要更大的渦輪機並縮短渦輪機之間的距離。這旨在使風能更加高效、經濟且節省空間。 「隨著渦輪機體積增大、間距減小，尾流效應也會發生變化。它們會變得更加湍流，因此也更加複雜。近尾流的物理特性也會影響遠尾流，進而影響作用於渦輪機的負荷及其運作管理，」Wildmann 說。
儘管有湍流：該編隊能夠保存並收集數據
為了更深入研究尾流效應，德國太空中心（DLR）的一個小型團隊在克魯門代希開展了「近尾流」（NearWake）計畫。在三週的時間裡，他們利用一群無人機進行了約100次飛行。這些小型無人機重量不到一公斤，並針對風向測量進行了最佳化。 「它們會受到湍流的影響，必須抵消湍流才能保持位置。換句話說，它們本身就是小型風向標，」研究人員解釋道。 DLR開發的演算法負責彙編和評估收集到的測量數據。
Norman Wildmann 的團隊開發了一種“編排方案”，並進行了練習，並在研究園區兩台風力渦輪機之間進行了多次飛行測試，飛行高度高達 250 公尺。無人機排成兩排，每排五架。第一排位於第一台渦輪機後方半轉子直徑（57.5 公尺）處，第二排位於第一台渦輪機後方一個轉子直徑（115 公尺）處。然後，它們必須盡可能保持最佳位置 15 分鐘。
建模和模擬的綜合資料基礎
「即使在近尾流中，飛行機動也能可靠地進行，這使我們能夠收集到全面、高品質的數據。這些數據與固定測量設備記錄的數據相符，」Norman Wildmann 總結道。初步發現：葉片尖端的湍流空氣渦流尤其如此，它們在尾流中隨風移動的距離比之前假設的要遠，這是一個重要的參數。它們消散的速度主要取決於大氣和天氣。我們對近尾流中的過程和關係了解得越準確，就越能在電腦上更好地模擬渦輪機之間發生的事情以及它們之間的相互影響。 「這將使我們能夠在未來更精確地計算預期的功率和負載。這將有助於業界更好地設計和規劃渦輪機和整個風電場，並相應地建造其營運結構。」 Wildmann 表示，風力渦輪機製造商和營運商已經對此表現出濃厚的興趣。
風力渦輪機尾流的物理現象與飛機尾流湍流相似。儘管在航空領域，速度和環境有所不同，湍流強度也顯著增強。德國航空航天中心大氣物理研究所借鑒了數十年航空領域的研究經驗。其在 NearWake 專案上的工作得益於這些專業知識，尤其是在測量技術和模擬領域。
自2023年夏季起，德國航空航天中心（DLR）在克魯門代希的WiValdi風能研究園區擁有了獨一無二的大型研究設施。其目標是更好地理解風能及其所有影響因素。為此，該研究園區配備了2000多個感測器——從地基到高聳的塔頂。它們位於兩台風力渦輪機內、測量桅杆上以及現場，持續提供寶貴的數據。
[照片]
(A) 使用無人機追蹤直接尾流
2025 年春季，一群無人機在克魯門代希的 DLR WiValdi 風能研究園區的 OPUS 1 和 OPUS 2 風力渦輪機的正前方和後方進行測量。
(B) 無人機起飛前往 WiValdi 研究風電場進行測量
單一無人機的重量不到一公斤，並且針對風力測量進行了最佳化。
(C) 準備起飛：用於調查近尾流的無人機編隊
無人機在風力渦輪機之間飛行，高度可達 250 米，排成兩排，每排五架。