用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法

用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法
【专利摘要】根据本发明的一些方面，提供了一种诸如风力涡轮机的涡轮机，其包括：用于引发二次流体流的一个或多个流体（例如空气）流部件，所述二次流体流来自所述涡轮机的后部位置以使尾流效应最小化。根据本发明的一些方面，提供了诸如在风力场中的涡轮机阵列，所述涡轮机阵列包括多个这样的涡轮机。根据本发明的另一些方面，提供了用于使风力涡轮机中的尾流效应最小化和提高风力场的效率的方法。
【专利说明】用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119 (e)要求于2011年3月22日提交的标题为“用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法”的美国临时专利申请序列号61/466，442的优先权，为了任何目的，其全部内容在此通过引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于提高排成阵列的涡轮机的效率(特别地，重点是风力场效率)的系统、装置和方法。
【背景技术】
[0004]风力发电是一种再生能源方案，所述风力发电包括通过使用涡轮机将风能转换成电能。多种风力涡轮机可以以很大阵列安装以建成风力场，所述风力场大规模地产生电力。风力场的发电效率取决于多种因素，尤其包括:电气部件的效率、风速和风向、各个涡轮机的性能以及尾流效应。尾流效应包含由上游风力涡轮机导致的湍流气流和减小的风速，其减小了阵列中的下游风力涡轮机的动力输出。尾流效应对风力场的效率尤其不利，这是因为风能与风速的立方成比例(文献[1-6])，并且因此由上游风力涡轮机所导致的风速的较小减小可导致下游涡轮机的动力输出较大减小。最近研究表明:风力场因尾流损失而损失年发电量(AEP)的高达30%至35% (如Beyer [I]所论述的那样)。通常，已经通过使涡轮机之间的距离最大化和/或通过选择阵列构造来解决尾流损失。一项研究已经表明:对于较低速度的尾流而言，需要十五个直径或更大的距离(文献[6])以使得速度增加到接近初始风速。
[0005]然而，涡轮机 之间的距离必须与影响效率的其它因素相平衡，所述其它因素诸如为当涡轮机间隔开更远时所需的额外电缆。不论是否用于由风或其它运动流体发电或用于其它目的(例如，产生推力)，仍持续需要具有提高效率的风力发电系统，并且通常持续需要提高涡轮机的排成阵列的电池的效率和性能。

【发明内容】

[0006]本发明的多个方面涉及用于提高排成阵列的涡轮机的效率(特别地，重点是风力场的效率)的系统、装置和方法。在本发明的一些方面中，提供系统、装置和方法以用于使排成阵列的涡轮机的效率(例如，风力场的效率)受涡轮机尾流效应限制的程度最小化。提供系统、装置和方法以用于增加例如风力场中的相继涡轮机的气流速度，以便降低尾流效应和提高风力场的总动力输出。本发明的某些方面通过设置独特的涡轮机来提高风力场水平效率，所述独特的涡轮机具有空气动力学改善的尾流和速度场。
[0007]根据本发明的一些方面，提供一种涡轮机(例如，风力涡轮机)，所述涡轮机包括:一个或多个涡轮叶片，所述涡轮叶片连结在毂组件处；转子轴，所述转子轴附接到毂组件；一个或多个发电机，所述一个或多个发电机联接到转子轴；舱，所述舱容纳一个或多个发电机；和用于引发二次气流的一个或多个气流部件，所述二次气流来自风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。在一些实施例中，舱至少部分地容纳涡轮机的转子轴。在一些实施例中，舱容纳发电机、齿轮箱和轴。在一些实施例中，舱容纳传动系，所述传动系包括齿轮箱和轴。在一些实施例中，一个或多个气流部件包括鼓风机、轴流式风机、离心式风机、管道式风机、贯流式风机、无叶片风机、变距风机、涡轮机、扩散器或涡流发生器。在一些实施例中，一个或多个气流部件包括环形件。在一些实施例中，环形件具有相等的纵横比(例如，圆形几何形状)。在一些实施例中，环形件具有不相等的纵横比(例如，椭圆形几何形状)。在一些实施例中，一个或多个气流部件包括固定在环形件内的引导叶，其中，离开环形件的气流是直通式流或涡旋流。在一些实施例中，一个或多个气流部件安装在风力涡轮机的舱上的后部位置上。在一些实施例中，涡轮机转子设计且构造成用于顺风操作，其中，一个或多个气流部件安装在风力涡轮机的毂上的后部位置上。
[0008]在一些实施例中，风力涡轮机包括支撑结构。在一些实施例中，支撑结构包括塔架。在一些实施例中，塔架容纳一条或多条第一流体通道，所述第一流体通道设计且构造成允许二次气流经过塔架。在一个实施例中，舱容纳一条或多条第二流体通道，所述第二流体通道与容纳在塔架中的一条或多条第一流体通道流体连接，并且所述第二流体通道设计且构造成允许二次气流从一条或多条第一流体通道经过舱并且在风力涡轮机上的后部位置处离开舱。在一些实施例中，舱容纳一条或多条第二流体通道，所述一条或多条第二流体通道与一个或多个进气口流体连接，并且所述一条或多条第二流体通道设计且构造成允许二次气流从一个或多个进气口经过舱并且在风力涡轮机上的后部位置处离开舱。在一些实施例中，一条或多条第二流体通道包括一个或多个热传递表面，所述一个或多个热传递表面用于将来自容纳在舱内的一个或多发电机的热能传递到在一条或多条第二流体通道内流过的流体介质。在一些实施例中，一个或多个气流部件设计且构造成用于从风力涡轮机上的后部位置引发二次气流作为直通式流。在一个实施例中，一个或多个气流部件设计且构造成从风力涡轮机上的后部位置引发二次气流作为涡旋流。在一些实施例中，一个或多个气流部件附接在舱上的后部位置处。在一些实施例中，一个或多个气流部件附接到转子毂。在一些实施例中，风力涡轮设计且构造成作为顺风涡轮机操作，所述顺风涡轮机包括一个或多个涡轮机叶片，其中每个叶片均包括:上部部分，所述上部部分设计且构造成将风能转换成用于使涡轮机旋转的机械能；和下部部分，所述下部部分设计且构造成产生二次气流。在某些实施例中，二次气流是涡旋流。在一些实施例中，一个或多个气流部件设计且构造成用于引发速度高于远场流速度的二次气流。在一些实施例中，风力涡轮机是水平轴流式风力涡轮机。
[0009]根据本发明的一些方面，提供风力场，所述风力场包括多个任一种前述风力涡轮机。例如，设置风力场，所述风力场包括一个或多个上游风力涡轮机和一个或多个下游风力涡轮机。在一些实施例中，一个或多个上游风力涡轮机均包括用于引发二次气流的一个或多个气流部件，所述二次气流来自风力涡轮机上的后部位置处并且相对于风向沿着下游方向行进。在一些实施例中，一个或多个气流部件设计且构造成引发提高了一个或多个下游涡轮机的下游尾流角和风速度场的二次气流。在一些实施例中，一个或多个传感器安装在至少每个下游风力涡轮机上，用于感测进入风的一个或多个参数(例如，速度、湍流、温度等)。在一些实施例中，提供一个或多个控制单元以用于接收来自一个或多个传感器的进入风数据(例如，风速数据)，并且传送对应的控制信号，用于调整一个或多个气流部件的输出以使一个或多个下游风力涡轮机的下游风速最大化。根据本发明的其它方面，提供风力场，所述风力场包括:一个或多个上游风力涡轮机；一个或多个下游风力涡轮机；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在至少每个下游风力涡轮机上，用于感测进入风速；和一个或多个控制单元，所述一个或多个控制单元用于接收来自一个或多个传感器的进入风速数据，并且传送对应的控制信号，用于调整一个或多个上游风力涡轮机的一个或多个叶片的间距，以使一个或多个下游风力涡轮机的下游风速最大化。在一些实施例中，提供了用于升级现有风力场的方法和装置。在其它实施例中，提供了新型涡轮机，所述新型涡轮机具有叶片设计，所述叶片设计被解谐(de-tune)以便在具有或不具有互补的控制系统和传感器的条件下实现相同或相似的效果。
[0010]根据本发明的一些方面，提供用于使风力涡轮机中的尾流效应最小化的方法。在一些实施例中，所述方法包括引发二次气流，所述二次气流来自风力涡轮机上的后部位置处并且相对于风向沿着下游方向行进。在一些实施例中，二次气流来自风力涡轮机的舱上的后部位置。在一些实施例中，在来自风力涡轮机上的后部位置之前，二次气流经通过支撑风力涡轮机的塔架以及经过风力涡轮机的舱的至少一部分。在一些实施例中，当二次气流经过舱时，二次气流获得来自发电机的热能。在一些实施例中，来自风力涡轮机上的后部位置的二次气流是直通式气流。在一些实施例中，来自风力涡轮机上的后部位置的二次气流是涡旋流。在一些实施例中，由附接到风力涡轮机的舱的鼓风机单元引发二次气流。在一些实施例中，风力涡轮机是包括一个或多个涡轮机叶片的下游涡轮机，其中，每个叶片均包括:上部部分，所述上部部分设计且构造成将风能转换成用于使涡轮机旋转的机械能；和下部部分，所述下部部分设计且构造成产生二次气流，其中，二次气流是涡旋流。在一些实施例中，风力涡轮机是包括一个或多个涡轮叶片的下游涡轮机，其中，每个涡轮机在一个端部处联接到涡轮机毂，其中二次气流来自涡轮机毂。在一些实施例中，二次气流经过风力涡轮机的舱的至少一部分并且来自涡轮机毂的后部位置。在一些实施例中，风力涡轮机是水平轴流式风力涡轮机。在一些实施例中，在二次气流经过舱时，二次气流获得来自发电机的热能。在一些实施例中，来自涡轮机毂上的后部位置的二次气流是直通式气流。在一些实施例中，来自涡轮机毂上的后部位置的二次气流是涡旋气流。在一些实施例中，由附接到涡轮机毂上的鼓风机单元引发二次气流。在一些实施例中，二次气流具有高于远场流速度的速度。
[0011]根据本发明的一些方面，提供用于提高风力场的效率的方法，所述风力场包括一个或多个上游风力涡轮机和一个或多个下游风力涡轮机。在一些实施例中，所述方法包括:在一个或多个上游风力涡轮机中的每一个中引发二次气流，所述二次气流来自风力涡轮机的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。在一些实施例中，二次气流提高了风力涡轮机的下游尾流角和速度场。在一些实施例中，二次气流提高了风力涡轮机的下游尾流角和速度场。在一些实施例中，所述方法还包括解谐一个或多个上游风力涡轮机，以获得用于一个或多个下游涡轮机的更高的下游速度。在一些实施例中，通过调整一个或多个上游风力涡轮机的叶片的间距来解谐一个或多个上游风力涡轮机。在一些实施例中，基于预定的尾流数据来调整叶片。在一些实施例中，预定的尾流数据包括来自计算流体动力学模型的结果。在一些实施例中，预定的尾流数据包括来自缩尺模型风洞实验的结果。在一些实施例中，由下游涡轮机上的一个或多个传感器来实时确定尾流数据。在一些实施例中，所述方法包括解谐每行风力涡轮机中的风力涡轮机，以使每个下游行中的风力涡轮机的风速最大化。在一些实施例中，使用每个涡轮机上的控制反馈单元来实时进行解谐。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1提供了一种用于提高了风力场效率的非限制性方法的示意图；
[0013]图2提供了用于使用直通式流作为二次气流来提高风力场效率的非限制性方法的不意图；
[0014]图3提供了用于使用涡旋流作为二次气流来提高风力场效率的非限制性方法的示意图；
[0015]图4A-C提供了表明通过等离子体激励由二次流进行的分离控制的结果的非限制性示例；
[0016]图4D提供了空气夹带质量流关系的非限制性示例；
[0017]图5提供了逆风风力涡轮机构造的非限制示例；
[0018]图6A-B提供了不同鼓风机构造的非限制性示例；
[0019]图7A-B提供了不同鼓风机构造的非限制性示例；
[0020]图8A-B提供了适于顺风风力涡轮机的涡轮机设计的非限制性示例；
[0021]图9A描绘了具有分离叶片的涡轮机设计的非限制性示例，所述分离叶片附接在原创转子上；和
[0022]图9B描绘了用于顺风设施的涡轮机设计的非限制性示例。
【具体实施方式】
[0023]一般而言，本发明涉及用于提高涡轮机阵列(诸如涉及风力场效率的风力涡轮机)的效率的系统、装置和方法。一般而言，尽管下述讨论采用了用于发电的风力场和风力涡轮机的示例，但是本发明还可以应用到构造用于发电或产生推力的其它涡轮机阵列，所述其它涡轮机阵列可以构造用于与空气或其它气体或液体(统称“流体”)一起使用。一般而言，应当理解的是，在此所描述的系统、装置和方法并不局限于风力涡轮机应用，而可以与其它流体驱动的发电装置(包括例如流体动力涡轮机)相关。
[0024]在一些方面中，提高风力场的下游风力涡轮机的动力输出以使风力场的总风电输出最大化。因此，本发明的多个方面用于提高风力场的年发电量(AEP)。在本发明的一些方面中，提供了用于使风力场效率受涡轮机尾流效应限制的程度最小化的系统、装置和方法。提供了用于增加风力场中的相继涡轮机的自由流的速度以便减小尾流效应和提高风力场的总动力输出的系统、装置和方法。
[0025]在一些方面中，本发明经由利用空气动力学改变涡轮机的尾流和速度场来处理风力场水平效率。这可以通过引发高速二次流经由流体剪切力夹带空气以便减小(或“缩小”)尾流角并且同时产生更一致的流速度前缘(如图1所示)来实现。在一些实施例中，经由加速气流来控制(或调节)风力涡轮机尾流。使用一种装置可以引发(或产生)加速的气流，在所述装置中，空气被抽吸通过舱或塔架并且被引导朝向转子出口(如图2和图3所示)。排出流可以是直通式流并且具有高于远场流速度的速度。排出流还可以呈涡旋流(如图3所示)的形式。在一些实施例中，在离开之前，流过舱的流能够用作用于发电机的冷却流。通过一种转子可以引发加速的流，所述转子的形状特别地适于引发位于转子后部的涡旋流或位于附接到转子上的独立模块化装置后部的涡旋流(参见例如图9)。该转子可以修改成用于附接独立模块化装置(见例如图8)。由于塔架间隙问题，这种构造用于顺风涡轮机。另一种优势是在较低噪音强度的情况下获得较大转子的类似动力输出的能力。风力涡轮机的噪音强度与叶片末端的速度成比例(例如，与大约5次幂成比例)。在一些实施例中，模块化装置在较低噪音强度的情况下从较大转子获得类似的动力输出。在一些实施例中，这通过调节叶片的一部分以适于能量转换并且其余部分作为产生流线型轮廓的涡旋部来实现。
[0026]图5描绘了风力涡轮机101的逆风构造。所述构造包括连接到塔架105顶部上的舱104。风力涡轮机101具有:一个或多个涡轮机叶片102"，所述一个或多个涡轮机叶片102"连结在毂组件106处；和舱104，所述舱104至少部分地容纳涡轮转子轴；和一个或多个发电机。风力涡轮机101还包括用于引发二次气流的一个或多个气流部件(例如，外部鼓风机单元)，所述二次气流来自风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。特别地，外部鼓风机单元103设置在舱的后部。可以应用不同类型的外部鼓风机单元103。例如，可以提供直通式风机单元，所述直通式风机单元从风力涡轮机101的轴直接或间接机械地提供动力。在一些实施例中，齿轮箱可以设置在风力涡轮机101的轴与外部鼓风机单元103之间，以便调整外部鼓风机单元103的速度。在一些实施例中，外部鼓风机单元103是电驱动式风机(例如，由输电网或由风力涡轮机自身产生的电力提供动力)。在一些实施例中，外部鼓风机单元103是用于吹送压缩空气的导流结构或者包括用于吹送压缩空气的导流结构。
[0027]图5描绘了外部鼓风机单元103，所述外部鼓风机单元103可以例如是模块化风机系统，所述模块化风机系统具有小于转子直径Dk的尺寸Df。在一些实施例中,Df <?1/3DK。在一些实施例中，小于或等于1/3DK的Df防止或最小化对转子性能的干扰。在一些实施例中，转子被调谐以在Df > 1/30,的条件下运转。可以通过将鼓风机单元经由次级齿轮箱连接到风力涡轮机101的轴而向鼓风机单元机械地提供动力，或者通过由输电网或由风力涡轮机提供动力的电动机电驱动鼓风机单元。
[0028]在图5中，“B1-B4”示出了对于外部鼓风机单元103来说可设置进气口的适当位置的示例。应当意识到的是，本发明并不局限于这些进气口位置，而是其它适当位置对本领域技术人员而言是显而易见的。在一些实施例中，空气从毂进入，“B2”(潜在地具有引导叶)具有多种优势。例如，当下雨时这种构造可以限制水进入；可以提供更为直接的流动路径并且需要更小动力来抽吸空气；和/或可以避免在毂处产生气动停滞点。在一些实施例中，尤其是在毂或舱104的地板处不希望设置开口的情况下，使用“BI”。所示的附加遮蔽件可以用于防止水进入。另一个实施例，“B3”便于舱的修改、安装并且通常不会让水进入。在一些实施例中，如图所示，在“B4”处,进气结构设计成减小气动“塔坝(tower dam)”效应。
[0029]图6示出了不同鼓风机构造的非限制性示例。图6A中示出的鼓风机构造示出了外部鼓风机单元103，所述外部鼓风机单元103包括螺旋桨，所述螺旋桨具有连接到毂组件107的一个或多个叶片109"。在一些实施例中，外部鼓风机单元103可以机械地提供动力或由电动机提供动力。外部鼓风机单元103可以设置有外部壳体，所述外部壳体至少部分地作为防护壳体并且提供引导叶108，以便在一些实施例中产生更清洁的直通流式的流。在一些实施例中，引导叶108可以构造成产生涡旋流。在一些实施例中，由电动机调整外部鼓风机单元103的速度。在一些实施例中，由风力涡轮机自身调整外部鼓风机单元103的速度(例如，通过从涡轮机轴直接获得转矩的齿轮箱)。
[0030]图6B中描绘的构造提供了露出的外部鼓风机单元110 (Btt邻舱104)的非限制性示例，所述露出的外部鼓风机单元110包括螺旋桨,所述螺旋桨具有连接到毂组件107的一个或多个叶片109"。可替代的构造具有在旋转平面外的螺旋桨叶片111卜2 (例如，替代一个或多个叶片109")，以便引发气流(例如，成形为类似于在混合器中使用的叶片的螺旋桨)，其具有为强气流定制的空气动力学轮廓。在旋转平面外的螺旋桨叶片IlV2可以构造成产生直通式气流或涡旋气流。
[0031]图7示出了不同鼓风机构造的其它非限制性示例。图7A中的构造描绘了外部鼓风机单元112。在这种外部鼓风机单元112中，从装置离开的气流呈环形件117的形式。根据固定在环形件117内的引导叶118的构造，离开的气流可以是直通式流或涡旋流。环形件117可以具有相等的纵横比(圆形几何形状)或不相等的纵横比(椭圆形几何形状)。在一些实施例中，风机113用于驱动或加速从舱104内部经过鼓风机的进入空气114，如图所示。图7B中的构造示出了一种具有带有两个或更多个风机120"的管道式空气通路121"的装置119。在一些实施例中，这种构造是有利的，这是因为它为系统提供一些冗余，以便避免整个系统失效。
[0032]图8描绘了气流系统122的非限制示例，所述气流系统122因塔架间隙要求适于顺风竖直轴流式风力涡轮机。该风力涡轮机具有:一个或多个涡轮机叶片126"，所述一个或多个涡轮机叶片连结在毂组件125处；和舱124，所述舱124连接在塔架123的顶部上，所述舱至少部分地容纳涡轮机转子轴和一个或多个发电机。风力涡轮机还具有一个或多个次级叶片127"，所述次级叶片127"在连接点128"处连接到一个或多个涡轮机叶片126"。在一些实施例中，这种涡轮机设计允许利用附接到转子的该模块化单元升级现有的风力涡轮机。次级叶片127"可以成形为用于其它发电机和/或产生涡旋流。在一些实施例中，次级叶片127"的上半部分提供动力，而叶片到末端的其余部分产生了涡旋流。在这个实施例中，原始风力涡轮机的寄生损失可以忽略不计或保持最小。如图8B所示,在一些实施例中，可以通过使用斜接接头和粘合剂或者使用螺栓接头和加固金属凸缘来完成将次级叶片127"附接到现有转子叶片126"。为了易接近性和结构牢固性，这种附接和修改可以位于根部附近。
[0033]在一些实施例中，图8中示出的装置中的旋转速度是被动的，因为鼓风机以由现有转子的旋转所确定的速率转动。在一些实施例中，鼓风机直接联接到转子并且以与现有转子相等的速率转动。在一些实施例中。鼓风机经由传动机构连接到转子并且以可与现有转子的旋转相等或不相等的速率旋转。在一些实施例中，涡旋流的切向流速将高于由相对速度和末端速度比(TSR)之间的关系所给定的进入流速。在一些实施例中，涡旋流速度大于进入风速。
[0034]图9描绘了顺风风力涡轮机构造的非限制性示例。图9A描绘了一种风力涡轮机130，所述风力涡轮机130具有:一个或多个涡轮机叶片133"，所述一个或多个涡轮机叶片连结在毂组件134处；和舱131，所述舱131连接到塔架132，所述舱至少部分地容纳涡轮机转子轴和一个或多个发电机。在这种构造中，位于每个涡轮机叶片133"的末端远侧的大部分用于发电，而位于末端近侧的较小的部分(并且包括末端)用于产生涡旋流。
[0035]图9B示出了风力涡轮机135，所述风力涡轮机135具有:一个或多个涡轮机叶片138"，所述一个或多个涡轮机叶片连结在毂组件139处；和舱136，所述舱136连接到塔架137，所述舱至少部分地容纳涡轮机转子轴和一个或多个发电机。在这种构造中，毂组件结合有鼓风机单元，其中，引导叶安装在毂锥形体中，并且由鼓风机单元产生的气流140可以是直通式流或涡旋流。
[0036]应当理解的是，在此所公开的鼓风机构造中的任意一种可以既用于逆风涡轮机又用于顺风涡轮机。在一些实施例中，鼓风机单元在逆风构造中连接到舱而在顺风涡轮机构造中连接到毂。然而，可以使用其它附接构造。
[0037]在一些实施例中，提供内涡轮机流控制系统(IT-Flow)转子或装置，所述转子或装置使风力场(例如，离岸风力场、陆上风力场)最大化并且通过部分或全部地补偿在文献[I]中描述的效率损失的30%-35%来减小能量成本(C0E)。在一些实施例中，设置风力涡轮机，所述风力涡轮机具有在转子正后方产生低质量高速流的一个或多个叶片。在另一个实施例中，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有在转子正后方产生了低质量高速度流(见，例如图1)的二次流装置。
[0038]在一些实施例中，低质量高速流在上游风力涡轮机和下游风力涡轮机之间的距离上夹带周围环境空气。在不存在低质量高速流的情况下，这种夹带的空气改变尾流角的轮廓。基于伯努利理论和质量连续方程的分析表明:减小的尾流在其抵达接下来的下游涡轮机之前增加了下游空气速度。因为动力与风速的立方成正比，所以在顺风涡轮机中实现了显著的动力提高，这因此使风力场的输出最大化。
[0039]在一些实施例中，夹带的质量流物理现象(见，例如Ricou[7](例如已经在医疗吸入器的设计中利用))预测如图4D所示的0.32的夹带常数。已经发现的是，寄生动力损失(例如，与产生二次流有关的损失)与在下游风力涡轮机中获得的动力之间的比值为大约9。因此，例如，在逆风涡轮机中产生二次流的牺牲大约30kW的3MW机器将在接下来的下游涡轮机中获得大约0.27MW的动力输出增量。这种提高导致获得大约10%的总AEP增量。这个示例并不旨在进行限制。可实现更高或更低的效率增量。在一些实施例中，夹带分析基于夹带静止空气或零速度空气。在其它实施例中，尾流内或尾流外的流正在运动，并且因此夹带分析基于具有非零速度的夹带空气。在一个实施例中，基于尾流内的直通式流，空气速度在尾流之外是风速的三分之一。夹带静止空气较之夹带已经流动的空气消耗更多的能量。因此，在一些实施例中，与静止空气的夹带常数相比，针对正在运动的空气的夹带常数更高并且因此更有效。利用基于涡旋流的夹带修改方案可以进一步改进内涡轮机流控制。这种改进考虑从静止空气没有供应夹带气流，如从图1的速度场所示出的那样。
[0040]力学和气动力学领域中的技术人员将意识到的是，可以以多种方式实现二次流。在一些实施例中，为了使速度流场更一致并且更高，应用外部装置来调节或减小涡轮机的尾流轮廓。在一些实施例中，解谐上游涡轮机，以便获得顺序布置的接下来的涡轮机的较高的下游速度，以使风力场的总体性能最大化。这种方法可以包括使用针对每个随后行的涡轮机的预定尾流数据。可替代地，为了使风力场性能更高，应用来自每个涡轮机的受控反馈来确定适当的叶片间距控制以解谐各个涡轮机。
[0041]参考文献[0042]1.H.G.Beyer, T.Pahlkej W.Schmidt et al.，“Wake effects in a linear windfarm”，J.Wind Eng.1nd.Aerodynj Vol.51，1994，pp.303-318.[0043]2.F.Massouh and 1.Dobrevj “Exploration of the vortex behind of windturbine rotor，，.2007J.Phys.:Conf.Ser.75.[0044]3.B.Sandersej “Aerodynamics of wind turbine wakes: literature review，，，ECN-E-09-016.[0045]4.K.S.Hansen, R.Barthelmie et al., “Power deficits due to wind turbinewakes at Horns Rev wind farm，，.[0046]5.S.1vanel I, R.Mikkelsen, J.N.Sorensen and D.Henningsonj “Threedimensional actuator disc modeling of wind farm wakeinteraction”，EWEC2008Brussels
[0047]6.C.Meneveauj “Better turbine spacing for large wind farms”，ScienceDaily，7Feb2011o
[0048]7.F.P.Ricou and D.B.Spalding, “Measurements of entrainment byaxisymmetrical turbulent jets，，，Journal of Fluid Mechanics, Novl960
[0049]8.H.Do, W.Kim et al, “Bluff body flow separation control using surfacedielectric barrier discharges，，，45th AIAA Aerospace and Science，2007-939
[0050]9.C.M.Ho and E.Gutmarkj “Vortex induction and mass entrainmentin a small aspect ratio elliptical jet”，Journal of Fluid Mechanics(1987)，179:383-405
[0051]因此，已经描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，应当意识到的是，本领域技术人员将易于进行各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅仅为示例性的，本发明由随后的权利要求书详细描述。为了所有目的，在此所引用的所有参考文献的全部内容均以引用方式并入本文。
[0052]在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”的序数术语来修饰所请求保护的元件，其自身并不意味着一个所请求保护的元件相对于另一个所请求保护的元件的任何优先、在先或次序，或者并不意味着实施方法的时间顺序，而是仅仅用作标记来将具有某名称的一个所请求保护的元件与具有相同名称(但使用序数词)的另一个元件区别开，以便区分所请求保护的元件。
【权利要求】
1.一种风力涡轮机，包括: 一个或多个涡轮机叶片，所述一个或多个涡轮机叶片连结在毂组件处； 转子轴，所述转子轴附接到所述毂组件； 一个或多个发电机，所述一个或多个发电机联接到所述转子轴； 舱，所述舱至少部分地容纳所述涡轮机的转子轴和所述一个或多个发电机；和 用于引发二次气流的一个或多个气流部件，所述二次气流来自所述风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件包括风机、涡轮机、扩散器或涡旋发生器。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述风机是轴流式风机、离心式风机、管道式风机、贯流式风机、无叶片风机、鼓风机或变距风机。
4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机，其中，所述风机的直径小于或等于风力涡轮机转子的直径的大约三分之一。
5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述风机的直径大于风力涡轮机转子的直径的大约三分之一。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风机与电动机联接。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述风机接收来自配电网的电力。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述风机接收来自联接到所述转子轴的所述一个或多个发电机的电力。
9.根据权利要求3至5中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风机连接到所述风力涡轮机的转子轴。
10.根据权利要求3至5中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风机经由次级齿轮箱连接到所述风力涡轮机的转子轴。
11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件安装在所述风力涡轮机的舱上的后部位置上。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的风力涡轮机，其中，涡轮机转子设计且构造成顺风操作，并且其中所述一个或多个气流部件安装在所述风力涡轮机的毂上的后部位置上。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的风力涡轮机，还包括支撑结构。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构包括塔架。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其中，所述塔架容纳一条或多条第一流体通道，所述一条或多条第一流体通道设计且构造成允许二次气流经过所述塔架，并且其中所述舱容纳一条或多条第二流体通道，所述一条或多条第二流体通道与所述一条或多条第一流体通道流体连接，并且设计且构造成允许所述二次流体从所述一条或多条第一流体通道经过所述舱并且在所述风力涡轮机上的后部位置处离开所述舱。
16.根据权利要求1至13中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述舱容纳一条或多条第二流体通道，所述一条或多条第二流体通道与一个或多个进气口流体连接，而且设计且构造成允许所述二次气流从所述一个或多个进气口经过所述舱并且在所述风力涡轮机上的后部位置处离开所述舱。
17.根据权利要求15或16所述的风力涡轮机，其中，所述一条或多条第二流体通道包括一个或多个热传递表面，所述一个或多个热传递表面用于将来自容纳在所述舱内的所述一个或多个发电机的热能传递到在所述一条或多条第二流体通道内流过的流体介质。
18.根据权利要求1至17中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件设计且构造成引发来自所述风力涡轮机上的后部位置的二次气流作为直通式气流。
19.根据权利要求1至17中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件设计且构造成用于引发来自所述风力涡轮机上的后部位置的二次气流作为涡旋气流。
20.根据权利要求1至18中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件附接在所述舱上的后部位置处。
21.根据权利要求1至19中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件附接到转子毂。
22.根据权利要求1至21中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机设计且构造成作为顺风涡轮机操作，其中，每个涡轮机叶片包括:上部部分，所述上部部分设计且构造成将风能转换成用于使所述涡轮机旋转的机械能；和下部部分，所述下部部分设计且构造成产生二次气流，其中，所述二次气流是涡旋流。
23.根据权利要求1至21中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机设计且构造成作为顺风涡轮机操作，其中，每个所述涡轮机叶片包括在旋转面外的部分，所述在旋转面外的部分设计且构造成引发涡旋流。
24.根据权利要求1至21中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机设计且构造成作为顺风涡轮机操作，并且其中所述风力涡轮机还包括附接到转子或毂的一个或多个在旋转平 面外的叶片。
25.根据权利要求24所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个在旋转面外的叶片通过使用斜接接头和粘合剂或者使用螺栓接头和加固金属凸缘而附接到所述转子或毂。
26.根据权利要求1至22中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件设计且构造成引发具有高于远场流速度的速度的二次气流。
27.一种风力场，所述风力场包括根据权利要求1至14中的任一项所述的风力涡轮机。
28.一种风力场,包括: 一个或多个上游风力涡轮机；和 一个或多个下游风力涡轮机， 其中，所述一个或多个上游风力涡轮机均包括用于引发二次气流的一个或多个气流部件，所述二次气流来自所述风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。
29.根据权利要求27所述的风力场，其中，所述一个或多个气流部件设计且构造成引发二次气流，所述二次气流改善所述一个或多个下游涡轮机的下游尾流角和风速度场。
30.一种风力场,包括: 一个或多个上游风力涡轮机； 一个或多个下游风力涡轮机；和 一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在至少每个所述下游风力涡轮机上，用于感测进入风速， 其中，所述一个或多个上游风力涡轮机均包括用于引发二次气流的一个或多个气流部件，所述二次气流来自所述风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。
31.根据权利要求30所述的风力场，所述风力场还包括一个或多个控制单元，所述一个或多个控制单元用于接收来自所述一个或多个传感器的进入风速数据，并且传送对应的控制信号，用于调整所述一个或多个气流部件的输出以使所述一个或多个下游风力涡轮机的下游风速最大化。
32.一种风力场,包括: 一个或多个上游风力涡轮机； 一个或多个下游风力涡轮机； 一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在至少每个所述下游风力涡轮机上，用于感测进入风速；和 一个或多个控制单元，所述一个或多个控制单元用于接收来自所述一个或多个传感器的进入风速数据，并且传送对应的控制信号，用于调整所述一个或多个风力涡轮机的一个或多个叶片的间距，以使所述一个或多个下游风力涡轮机的下游风速最大化。
33.一种用于使风力涡轮机中的尾流效应最小化的方法，所述方法包括引发二次气流，所述二次气流来自所述风力涡轮机上的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述二次气流来自所述风力涡轮机的舱上的后部位置。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中，在来自所述风力涡轮机上的后部位置之前，所述二次气流经过支撑所述风力涡轮机的塔架以及经过所述风力涡轮机的舱的至少一部分。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其中，当所述二次气流经过所述舱时，所述二次气流获得来自发电机的热能。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，来自所述风力涡轮机上的后部位置的所述二次气流是直通式气流。
38.根据权利要求33所述的方法，其中，来自所述风力涡轮机上的后部位置的所述二次气流是润旋气流。
39.根据权利要求33所述的方法，其中，由附接到所述风力涡轮机的舱的鼓风机单元引发所述二次气流。
40.根据权利要求33所述的方法，其中，所述风力涡轮机是顺风涡轮机，所述顺风涡轮机包括一个或多个涡轮机叶片，其中，每个所述涡轮机叶片均包括:上部部分，所述上部部分设计且构造成将风能转变成用于使所述涡轮机旋转的机械能；和下部部分，所述下部部分设计且构造成产生二次气流，其中，所述二次气流是涡旋流。
41.根据权利要求33所述的方法，其中，所述风力涡轮机是顺风涡轮机，所述顺风涡轮机包括一个或多个涡轮机叶片，其中，每个所述涡轮机均在一个端部处连接到涡轮机毂，其中，所述二次气流来自所述涡轮机毂。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述二次气流经过所述风力涡轮机的舱的至少一部分并且来自所述涡轮机毂上的后部位置。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，在所述二次气流经过所述舱时，所述二次气流获得来自发电机的热能。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，来自所述涡轮机毂上的后部位置的所述二次气流是直通式气流。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，来自所述涡轮机毂上的后部位置的所述二次气流是润旋气流。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，由附接到涡轮机毂的鼓风机单元引发所述二次气流。
47.根据权利要求33至46中的任一项所述的方法，其中，所述二次气流的速度高于远场流速度。
48.一种用于提高风力场的效率的方法，所述风力场包括一个或多个上游风力涡轮机和一个或多个下游风力涡轮机，所述方法包括:在所述一个或多个上游风力涡轮机中每一个中引发二次气流，所述二次气流来自所述风力涡轮机的后部位置并且相对于风向沿着下游方向行进。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述二次气流改善了所述风力涡轮机的下游尾流角和速度场。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述二次气流改善了所述风力涡轮机的下游尾流角和速度场。
51.一种用于提高风力场的效率的方法，所述风力场包括一个或多个上游风力涡轮机和一个或多个下游风力涡轮机，所述方法包括:解谐所述一个或多个上游风力涡轮机，以获得用于所述一个或多个下 游涡轮机的更高的下游速度。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，通过调整所述一个或多个上游风力涡轮机的叶片的间距来解谐所述一个或多个上游风力涡轮机。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，基于预定的尾流数据来调整所述叶片。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述预定的尾流数据包括来自计算流体动力学模型的结果。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，所述预定的尾流数据包括来自缩尺模型风洞实验的结果。
56.一种用于提高风力场的效率的方法，所述风力场包括一行或多行风力涡轮机，所述方法包括:解谐所述每行风力涡轮机中的风力涡轮机，以使每个下游行中的所述风力涡轮机的风速最大化。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，使用每个所述涡轮机上的控制反馈单元来实时实施所述解谐。
58.—种润轮机系统,包括: 一个或多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片连结在毂组件处； 转子轴，所述转子轴附接到所述毂组件； 舱，所述舱至少部分地容纳所述涡轮机的转子轴；和 用于引发二次流体流的一个或多个工作流体流部件，所述二次流体流来自所述涡轮机上的后部位置并且相对于流体流方向沿着下游方向行进。
59.一种涡轮机阵列，包括: 一个或多个上游涡轮机，和一个或多个下游涡轮机， 其中，所述一个或多个上游涡轮机均包括用于引发二次流体流的一个或多个流体流部件，所述二次流体流来自所述涡轮机上的后部位置并且相对于所述流体流方向沿着下游方向行进。
60.一种涡轮机阵列，包括: 一个或多个上游涡轮机； 一个或多个下游涡轮机；和 一个或多个传感器，所述传感器安装在至少每个所述下游涡轮机上，用于感测进入流体速度， 其中，所述一个或多个上游涡轮机均包括用于引发二次流体流的一个或多个流体流部件，所述二次流体流来自所述涡轮机上的后部位置并且相对于所述流体流方向沿着下游方向行进。
61.一种涡轮机阵列，包括: 一个或多个上游涡轮机； 一个或多个下游涡轮机；和 一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在至少每个所述下游涡轮机上，用于感测进入流体速度， 一个或多个控制单元，所述一个或多个控制单元用于接收来自所述一个或多个传感器的进入流体速度数据，并且传送对应的控制信号，用于调整所述一个或多个上游涡轮机的一个或多个叶片的间距，以使所述一个或多个下游涡轮机的下游流体速度最大化。
62.一种用于使涡轮机中的尾流效应最小化的方法，所述方法包括引发二次流体流，所述二次流体流来自所述涡轮机上的后部位置并且相对于所述流体流方向沿着下游方向行进。
63.一种用于提高涡轮机阵列的效率的方法，所述涡轮机阵列包括一个或多个上游涡轮机和一个或多个下游涡轮机，所述方法包括在所述一个或多个上游涡轮机中的每一个中引发二次气流，所述二次气流来自所述涡轮机的后部位置并且相对于流体流方向沿着下游方向行进。
64.一种用于提高涡轮机阵列的效率的方法，所述涡轮机阵列包括一个或多个上游涡轮机和一个或多个下游涡轮机，所述方法包括解谐所述一个或多个上游涡轮机，以获得用于所述一个或多个下游涡轮机的更高的下游速度。
65.一种用于提高涡轮机阵列的效率的方法，所述涡轮机阵列包括一行或多行涡轮机，所述方法包括:解谐所述每行涡轮机中的涡轮机，以使每个下游行中的涡轮机的风速最大化。
【文档编号】F03D1/00GK103703245SQ201280025172
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年3月22日 优先权日:2011年3月22日
【发明者】桂舒清 申请人:塔夫斯大学