专利名称：优化风场构造的方法
技术领域：
本发明描述了优化风场构造的方法。本发明还描述了用于这种风场的风力涡轮机以及具有这种风力涡轮机的风场。
背景技术：
风力涡轮机在运转期间产生噪声。是否接受风能作为动力源可以取决于被感知到的噪声干扰水平。当能够感知到噪声总体上源自于风场时，特定风力涡轮机也可以被认为是所感知噪声的来源。已知问题在于为了涡轮机具有较高能量输出所优化的风力涡轮机叶片设计也与不良的高水平噪声相关。可以通过为风力涡轮机提供较小转子叶片直径，即通过使用较短叶片，来减小风力涡轮机的噪声排放。在另一方法中，可以使用较小的旋转速度。还可以改变风力涡轮机的叶片的桨距角(pitch angle)，从而例如更加陡斜地迎风。不过，所有这些措施均直接涉及风力涡轮机能量效率的减少。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供优化风场构造来减小风场噪声排放的方法。本发明的目标通过根据权利要求I的优化风场构造的方法、通过根据权利要求10的用于这种风场的风力涡轮机以及通过根据权利要求11的风场来实现。根据本发明，优化包括至少第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的风场的构造的方法包括如下步骤基于噪声优化参数为第一风力涡轮机选择第一叶片拓扑，在距所述风场一定距离的参考位置处测量和/或预测所述噪声优化参数；以及基于能量效率优化参数为第二风力涡轮机选择第二叶片拓扑。风场的构造包括组装和/或规划新风场或者改进其噪声排放高于阈值的已运转风场，其中该阈值例如是风场声音范围内生活的人可接受的阈值。为了规划目的，根据本发明的方法可以用于模拟噪声排放，例如以计算机上运行的模拟软件的形式来模拟。以此方式，根据本发明的方法使得可以发现或确定一种优化的风场，其具有保持噪声排放低于阈值的第一和第二类型风力涡轮机的设置。根据本发明的风场包括至少第一风力涡轮机和第二风力涡轮机，其中
-根据噪声优化参数为第一风力涡轮机选择第一叶片拓扑，在距所述风场一定距离的参考位置处测量和/或预测所述噪声优化参数，以及
-根据能量效率优化参数为第二风力涡轮机选择第二叶片拓扑。因而，这种风场包括多个第一风力涡轮机和第二风力涡轮机。关于能量效率来优化风场且同时保持噪声排放低于既定阈值。这意味着能量效率被最大化到噪声的可接受阈值所允许或相容的程度。如下文所述，从属权利要求中限定了本发明的特别有利的实施例和特征。不同实施例的特征可以适当地结合。将被规划的新风场包括风力涡轮机的多个位置或地点。将被规划的风场可以具有两种风力涡轮机类型，例如第一类型的风力涡轮机(在下文中被称为“第一风力涡轮机”)和第二类型的风力涡轮机(在下文中被称为“第二风力涡轮机”)。第一风力涡轮机是关于噪声排放被优化的并且仅产生低水平噪声。因而，第一风力涡轮机具有与低噪声排放且相应地与低能量效率相关联的叶片拓扑。第二风力涡轮机具有关于能量效率被优化的叶片拓扑。因而，对于第二风力涡轮机而言，最大化了动力总和，例如年发电量(AEP)。因此，第二风力涡轮机具有比第一风力涡轮机更大水平的噪声排放。针对新风场的风力涡轮机的每个位置，选择第一或第二风力涡轮机中的一者。如果在已运转风场中测量的或在规划风场的模拟中预测的噪声水平超过所选阈值，则选择第一风力涡轮机类型。关于离开风场一定距离处的参考位置来测量或预测噪声。这意味着参考位置处于风场之外。参考位置可以居民区的位置，例如村庄或市郊。因而，将关于风场附近居民区处的噪声干扰来优化风场构造，从而例如保持该噪声干扰低于该区中生活的人可接受的阈值。以此方式，为第一类型的风力涡轮机指定了特定风场位置。为剩余位置选择第二类型的风力涡轮机。这将导致风场具有关于风场能量效率及噪声排放被优化的第一和第二风力涡轮机的混合，从而噪声干扰将保持低于附近居民区中的可接受阈值。
此外，该方法还可以用于升级或改良具有超过可接受阈值的噪声排放的已运转风场。在下文中可以假定，这种已运转风场实质上仅包括第二类型的风力涡轮机，即已经关于其能量输出被优化的风力涡轮机，以使得已运作风场是仅关于能量效率被优化的。升级可以包括在对风场的风力涡轮机进行任意实际修改之前的规划或模拟步骤，以便确定第二风力涡轮机中的哪些必须被第一风力涡轮机替换。在升级这种风场时，基于其对于居民区的声学影响识别出一些第二风力涡轮机，并且这些第二风力涡轮机被第一类型的风力涡轮机替换。根据本发明的用于风场的风力涡轮机包括多个叶片，所述叶片具有能够根据至少第一叶片拓扑和第二叶片拓扑被优化的后缘，其中第一叶片拓扑与噪声优化参数相关，在距风场一定距离的参考位置处测量和/或预测该噪声优化参数，第二叶片拓扑与能量效率优化参数相关。因而，第一风力涡轮机和第二风力涡轮机仅关于其叶片拓扑而彼此不同。因此，可能的是简单地通过修改或改变叶片拓扑从而将风力涡轮机从第二类型转换成第一类型的风力涡轮机，并且反之亦可。根据本发明的风力涡轮机的优选实施例特征在于第一叶片拓扑限定第一风力涡轮机的叶片的后缘的第一形状，并且第二叶片拓扑限定第二风力涡轮机的叶片的后缘的第二形状。因而，将仅改变叶片的后缘的形状，其中叶片和风力涡轮机的其他部分保持不变。能够通过齿形叶片设计来减小风力涡轮机的噪声排放。例如，后缘可以被实现为具有齿形外边缘和/或齿形表面浮凸结构。齿形设计可以位于叶片的背风侧。齿形设计可以包括后缘的该部分上的之字形外边缘与后缘的该部分的表面上的齿形浮凸样式的结合。齿形设计或样式可以沿叶片的整个长度延伸。不过，在优选实施例中，后缘仅在第一部分上呈齿形。这种部分齿形设计可能足以将噪声排放减小到阈值水平之下，且同时仅相对较小程度地减少风力涡轮机的能量效率。因此，不必要使用具有在其整个长度或表面上呈齿形的后缘的叶片。因此，有利的是，叶片的噪声优化仅最小程度地影响能量效率。为了将风力涡轮机从第二类型“变换”成第一类型，或反之，风力涡轮机的叶片可被拆卸、去除并且被另一类型的叶片替换。不过，这种过程会是耗时且花费大的。因此，在本发明的具体优选实施例中，叶片的后缘包括第一部分和第二部分。例如，第二类型的风力涡轮机的叶片能够包括形成后缘的一部分的替换部分。替换部分被可拆卸地安装在叶片上。叶片的这个部分能够被去除并且被具有如上所述的齿形设计的齿形替换部分所替换，其中该齿形设计产生比原有基本平坦或无齿的部分更小的噪声排放。这种叶片设计允许简单地通过交换叶片后缘的替换部分将风力涡轮机从第二类型转变成第一类型，并且反之亦可。因此不必要拆除整个风力涡轮机及构造另一个风力涡轮机。同样不必要从毂拆下整个叶片，因为仅需要拆下并更换叶片的替换部分。因此，能够以不复杂且经济的方式来改进现有风场以满足与噪声阈值相关的变化需求。风力涡轮机的能量效率将随着升力-阻力比的增大而增加。升力-阻力比被表述成转动风力涡轮机的转子叶片所需的力除以叶片运动通过空气时叶片所产生的阻力。因此在本发明的另一优选实施例中，叶片的第一部分位 于叶片最外端的区域中。因而，齿形在叶片尖端的区域内。叶片的速度在其尖端处最大，并且因此尖端产生大部分噪声。因此，通过靠近叶片尖端设置齿形，能够在不会过分恶化升力-阻力比的情况下最有效地减小该风力涡轮机所产生的噪声。在又一优选实施例中，第一部分最多延伸叶片总长度的三分之一。这是在最小化叶片尖端区域内的噪声生成和最大化风力涡轮机的能量效率之间的优化折中。叶片的所有部分可以具有相同程度的硬度或刚性。大体而言，如果关于其能量效率来优化风力涡轮机，则刚性叶片是优选的。不过刚性后缘区域可与较高水平的噪声相关。因此，在另一优选实施例中，第一部分比第二部分具有更大柔性。第一部分可以是叶片尖端的区域。这里，叶片尖端可以具有特定自由度，例如摆动自由度。这减小叶片尖端处产生的噪声。结合附图从下述具体描述中将显而易见到本发明的其他目标和特征。不过应该理解，附图仅用于图释性目的并且不作为对本发明限定的定义。
图I示出了根据本发明的风场实施例的示意 图2示出了第一类型风力涡轮机的实施例的示意 图3示出了第二类型风力涡轮机的实施例的示意 图4示出了第一类型风力涡轮机叶片的实施例的示意图；以及 图5示出了第二类型风力涡轮机叶片的实施例的示意图。
具体实施例方式在附图中，自始至终，同样的附图标记指代同样的物体。附图中的物体不必要成比例绘制。图I示出了根据本发明的风场2的实施例。风场2包括两种类型的四个风力涡轮机4、6、6’。第一类型的第一风力涡轮机4关于低噪声排放被优化，而第二类型的其他第二风力涡轮机6、6’关于能量效率被优化。这意味着三个第二风力涡轮机6、6’具有优化的升力-阻力比。较大的升力-阻力比会增加风力涡轮机的能量效率。风场2之外是由房屋24标示出的居住区。能够从图I中看出，第一风力涡轮机4位于最靠近房屋24的位置。因而，在最靠近房屋24的位置处设置有关于低噪声被优化的第一风力涡轮机4。这将居住区内感知的噪声排放保持低于这里生活的居民可接受的阈值。其余的第二风力涡轮机6、6’是能量优化的。因此，风场2的能量输出也尽可能大，因为风力涡轮机4、6、6’中仅一个风力涡轮机是第一风力涡轮机4。在规划新风场2的情况下，规划能够开始于一种虚拟风场2，其在所有位置均仅包括第二风力涡轮机6、6’。之后，将关于居住区24例如通过模拟来估计噪声。在下一步骤中，根据其距居住区24的距离识别出第二风力涡轮机6、6’中的一个，且其被图I所示的第一风力涡轮机4所替换。随后，能够估计出改变后的噪声水平。通过较小噪声的风力涡轮机来“替换”一个或更多个大噪声风力涡轮机的这些步骤能够被重复直到估计居住区24处的噪声水平低于阈值水平。如果第二居住区或房屋24’被构造成例如靠近风场2，则修改或改变风场2会是必要的。为了确定任何必要的修改，在新房屋24’处测量噪声。如果测量的噪声高于可接受阈值，则能够采取适当步骤。例如最靠近新房屋24’的第二风力涡轮机6’能够被改变为第一类型的风力涡轮机。
在下文中，两种类型的风力涡轮机4、6以及其转变步骤被具体描述。图2示出了根据本发明的第一风力涡轮机4的实施例。第一风力涡轮机4包括塔28、被塔28支撑的机舱30以及被机舱30支撑的毂32。叶片12被设置在毂32上并被固定于毂32。与风力涡轮机的常规运转相关的细节不是本发明的关注点并且因而不在下文中被具体描述。在下面的描述中仅说明与本发明相关的那些项目、元件和系统。塔28、机舱30和毂32是第一风力涡轮机4的常规元件并且因而在下文中不更具体描述。叶片12具有前缘26和后缘8。前缘12在后缘8之前面向气流的方向A。图3示出了根据本发明的第二风力涡轮机6、6’的实施例。图3的第二风力涡轮机6、6’具有与图I相同的塔28、机舱30和毂32。仅第二风力涡轮机6、6’的叶片14不同于图2的第一风力润轮机4。如上所述,叶片14具有前缘26和后缘10。第一风力涡轮机4的叶片12具有限定后缘8的形状的第一叶片拓扑44。第二风力涡轮机6、6’的叶片14具有限定后缘10的形状的第二叶片拓扑46。现在将参考图4和图5具体解释第一风力涡轮机4的叶片12与第二风力涡轮机6的叶片10之间的差异。能够从图4和图5中看出，叶片12、14均具有第一端40，且叶片12、14利用该第一端40被安装到毂32。叶片尖端42处于叶片26的相对端或最外端。叶片12、14在其后缘8、10上被划分为第一部分20、36和第二部分22。第一部分20、36最多延伸叶片12、14的总长度(例如从第一端40到叶片尖端42)的三分之一。因而，第二部分22延伸叶片12、14的长度的三分之二。图4中叶片12的第一部分20具有部分地沿叶片12的长度延伸的齿形设计，在这种示例中是锯齿边缘。这种锯齿样式16减小了在叶片尖端42附近在叶片12的最外端18处产生的噪声，而在此处通常由于叶片14在叶片尖端42处的高速度而产生较大噪声。在第一部分20中，通过具有锯齿设计16的齿形替换部分38来形成第一风力涡轮机4的后缘8。齿形替换部分38被可拆卸地安装到叶片8。此外，叶片12的第一部分20中的后缘8与沿叶片的第二部分22的后缘相比具有更大柔性。因此，叶片12的这个部分能够随着叶片尖端42摆动从而进一步减少风力涡轮机运转期间该叶片产生的噪声。与此相比，第二风力涡轮机6、6’的叶片14包括没有这种齿形或锯齿设计16的替换部分36。基本平坦的替换部分36被可拆卸地安装到叶片10。替换部分36与理想的大升力-阻力比相关并且因而能够被用于优化风力涡轮机的能量效率，但是其将导致相对高水平的噪声。替换部分36的可拆卸安装允许从第二风力涡轮机6、6’的叶片12去除替换部分36并且代替地插入齿形替换部分36，从而将叶片12变换成叶片10。以此方式，第二类型的风力涡轮机能够被快速且经济地变换成第一类型的风力涡轮机。虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，不过将理解，在不脱离本 发明范围的情况下能够对其作出大量附加的改进和变型。为了简明，应该理解，贯穿本申请使用“一”或“一种”并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。
权利要求
1.一种优化风场构造的方法，该风场(2)包括至少第一风力涡轮机(4)和第二风力涡轮机(6、6’)，其中 -基于噪声优化参数为所述第一风力涡轮机(4)选择第一叶片拓扑(44)，在距所述风场(2) —定距离(D)的参考位置(24)处测量和/或预测所述噪声优化参数；以及 -基于能量效率优化参数为所述第二风力涡轮机(6、6’ )选择第二叶片拓扑(46)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述第一叶片拓扑(44)限定所述第一风力涡轮机(4)的叶片(12)的后缘(8、10)的第一形状，并且所述第二叶片拓扑(46)限定所述第二风力涡轮机(4)的叶片(14)的后缘(8、10)的第二形状。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中至少所述第一风力涡轮机(4)的所述后缘(8)包括第一部分(20)和第二部分(22)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述后缘(8)在所述第一部分(20)上呈齿形。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一部分(20)位于所述叶片(12)的最外端(18)处的区域内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一部分(20)最多延伸所述叶片(12)的总长度的三分之一。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的方法，其中所述第一部分(20)比所述第二部分(22)具有更大柔性。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，包括步骤使用根据所述第一或第二拓扑被优化的替换部分(36、38)替换未优化部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述替换部分(38)包括锯齿形样式(16)。
10.一种用于风场(2)的风力涡轮机(4、6、6’)，包括具有后缘(8、10)的多个叶片(12、14)，所述后缘能够根据至少第一叶片拓扑(44)和第二叶片拓扑(46)被优化，其中 -所述第一叶片拓扑(44)与在距所述风场(2) —定距离(D)的参考位置(24)处测量和/或预测的噪声优化参数相关，以及 -所述第二叶片拓扑与能量效率优化参数相关。
11.一种包括至少第一风力涡轮机(4)和第二风力涡轮机(6、6’)的风场(2)，其中 -基于噪声优化参数为所述第一风力涡轮机(4)选择第一叶片拓扑(44)，在距所述风场(2) —定距离(D)的参考位置(24)处测量和/或预测所述噪声优化参数；以及 -基于能量效率优化参数为所述第二风力涡轮机(6、6’ )选择第二叶片拓扑(46)。
全文摘要
本发明涉及优化风场构造的方法，该风场(2)包括至少第一风力涡轮机(4)和第二风力涡轮机(6、6’)，其中基于噪声优化参数为所述第一风力涡轮机(4)选择第一叶片拓扑(44)，在距所述风场(2)一定距离(D)的参考位置(24)处测量和/或预测所述噪声优化参数；以及基于能量效率优化参数为所述第二风力涡轮机(6、6’)选择第二叶片拓扑(46)。本发明还描述用于这种风场(2)的风力涡轮机(4、6、6’)以及至少包括这种第一风力涡轮机(4)和第二风力涡轮机(6、6’)的风场(2)。
文档编号F03D1/06GK102734078SQ20121008998
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月30日 优先权日2011年4月4日
发明者S.E.尼尔森 申请人:西门子公司