包括改进的导风件构造的风电场系统的制作方法

背景技术：

0、现有技术

1、sonsoles navarro的专利申请us2020/0300213a1提出了一种导风件，该导风件用于使风力涡轮机处的风加速从而增加来自风力涡轮机的发电量。图12b显示了一个风电场，该风电场有16台风力涡轮机，每台涡轮机前面都有导风件。说明书中写道：“图12b示出了包括多个风力涡轮机40的风电场70的一部分的俯视图。导风件2布置在每个风力涡轮机40的前面，以便通过减少尾流效应来提高风电场70的效率，如参考图1a所解释的”。这在几个方面与本发明不同。本发明与减少来自相邻风力涡轮机的尾流效应无关。本发明涉及通过减少由在导风端周围逸出的风所引起的空气动力学损失以及通过迫使风力涡轮机转子前方的风流更加二维，以避免由风力涡轮机转子前面的风流发散所引起的空气动力学损失来提高导风件的效率。根据本发明，这些效果是通过设计风电场系统来实现的，使得两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近两个相邻的导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。此外，在us2020/0300213a1的图12b中，上述间隙看起来比2个转子直径大很多倍，因此，本发明所实现的效果将无法通过us2020/0300213al中所述的风电场布局来实现。

2、发明目的

3、因此，本发明的目的是提供风电场系统和方法，包括新的且更好的导风件构造，为风电场中的至少一些风力涡轮机加速风速，来显著提高风电场的发电量。

4、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，以降低来自当前和未来风电场的平准化能量成本。

5、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，通过减少风力涡轮机之间的距离来降低具有导风件的新风电场的总成本，进而减少可用土地内的土地使用和/或增加风电场的总发电能力。

6、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，在某些情况下，仅提高有多排风力涡轮机的风电场中的最后一排风力涡轮机的发电量。

7、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，以拓宽潜在的风电场位置以包括具有较低年平均风速的位置，并且仍然显示出良好的商业情况。

8、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，以通过一些手段结合更有效的导风件设置，来大体上改善导风件和风电场的视觉效果。

9、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，以进一步利用改进的导风件的存在来支撑太阳能电池板，从而降低风电互补发电的成本。

10、本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，来设计更高效的未来风电场，使其产生更多的能量并且可能具有更多的发电能力。

11、本发明的最终目的是提供一种系统和方法，以产生具有成本效益的清洁能源，并帮助减少二氧化碳排放，使人类经济和工业活动脱碳，对抗气候变化，创造一个更可持续的世界。

12、根据本发明的第一方面，通过权利要求1中定义的风电场系统实现了上述目的中的至少一个，这一点将从本发明的以下描述中更清楚明白。

13、具体实施方式

14、在本发明公开的第一方面中，公开了一种风电场系统和方法，来增加来自风电场系统的发电量。该风电场系统包括形成至少一排风力涡轮机的至少两个或至少三个相邻的风力涡轮机。这些排基本上垂直于主导风向。风力涡轮机系统包括用于至少一些风力涡轮机的多个导风件，用于阻挡风并由此将风引导至风力涡轮机前方。每个风力涡轮机包括塔架和转子，所述转子设置有多个转子叶片，所述转子叶片在转子旋转时限定转子扫掠区域。导风件是基于地面的、基于海床的或漂浮在海面上的，并且导风件中的至少一个导风件具有水平长度和竖直高度，该水平长度和竖直高度限定了基本竖直地直立于+/-10度范围内的区域。导风件基本上被布置和构造成使得它们基本上在主导风向上面对风。每个导风件在其两个横向端部之间限定不低于最接近的风力涡轮机的转子直径长度的1倍的水平长度。每个导风件还限定了竖直高度，该竖直高度沿着导风件的水平长度是恒定的或可变的，但不低于3米并且不高于当叶片位于最下方时从地面到最近风力涡轮机叶片尖端的高度的三分之二。每个导风件还限定水平宽度，该水平宽度沿着导风件的水平长度是恒定的或可变的，但总是低于导风件高度的1.5倍。每个导风件基本上被布置和构造为阻挡风并由此将风引导到转子扫掠区域下方的一高度处，使得导风件后面的风具有与导风件前面的风不同的方向和速度。每个导风件基本上被布置和构造为将风引导到风力涡轮机转子扫掠区域前面和/或后面的区域，从而通过风力涡轮机的转子扫掠区域增加风速。基本上在每个导风件之间可以存在间隙，称为水平间隙。两个相邻的导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近这两个相邻导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。

15、导风件具有阻风作用，在导风件前面产生高压区域。由于风从高压区域流到低压区域，因此接近导风件的风的很大一部分将如预期的那样向上朝向风力涡轮机的转子扫掠区域移动。cfd计算表明，这种效果比导风件设计成以一定角度引导风向上更有效。事实上，发现相对于水平成45度的导风件实际上对增加通过风力涡轮机的转子扫掠区域的风速没有影响。

16、如引言中所解释的，相邻导风件之间的间隙变窄导致流动配置，该流动配置导致朝向导风件端部的流动发散和空气动力学损失减少，从而提高通过风力涡轮机转子扫掠区域的平均风速，进而提高导致风力涡轮机的发电性能。

17、这种实现的极端情况是当两个相邻导风件之间的水平间隙为零时。在这种情况下，cfd计算同样表明，通过两个、三个或更多连续风力涡轮机的转子扫掠区域的风速增加显著高于对于具有独立风力涡轮机的独立导风件的风速增加，或者在独立和相邻导风件最近端之间有一定间隙的情况下。一个导风件影响至少两个或三个连续风力涡轮机的情况也是本发明的优选实施方案，除了仅具有一个导风件而不是两个独立导风件所带来的建设性影响之外，该实施方案几乎等同于极端(extremes)之间的间隙等于零的第一实施例。

18、然而，由于现场的特定地形和障碍物，和/或为了允许导风件周围的人、牛、野生动物或农业服务的方便流通，导风件并不总是能够延伸以形成一个连续的导风件并影响两个、三个或更多个相邻的风力涡轮机。

19、本发明限定导风件的相邻两端之间的间隙，间隙范围从零到等于两个相邻的风力涡轮机转子直径的长度之和的长度，因为cfd计算表明，在此间隙范围内，导风件的离子效率会得到很好的改善。

20、对于遍及本发明公开的所有cfd模拟和计算，在ansys cfd工具的设置中使用了上述主要尺寸和以下输入。已经使用了标准的k-epsilon湍流模型。然而，湍流参数已设置为alinot&masson提出的参数，这些参数通常用于风力发电行业，并且在中性大气边界层cfd建模中具有公认的可靠性。为了实现风速和湍流动能方面的流向稳定性，richards&hoxey提出了源项方法(source terms approach)。这些用于说明模拟域上方的气流与地面和顶部自由气流的相互作用，从而避免不希望的流向湍流和动量耗散。

21、为了设置该域，除了上述湍流和源设置外，横向面(lateral faces)的边界条件已设置为对称平面，以便能够考虑大型风力涡轮机阵列，并节省大量计算资源。底面是根据标准砂粒粗糙度的粗糙壁，空气动力学粗糙度长度为0.0025米。根据richards&hoxey的建议，还设置了入口风速廓线、湍流动能和湍流动能耗散率。就风速廓线而言，根据上述粗糙度的廓线将对应于幂律竖直风廓线中0.1的风切变指数。

22、本专利公开中的水平间隙尺寸的限制在于，两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近这两个相邻的导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。对于单个风力涡轮机，计算出风发电量的增长率为16％。对于两个相同的转子直径的长度之和，2.1转子直径下的间隙导致发电量增加17％，并且为了精确地限制本发明公开内容，在2.0转子直径下，发现发电量增加为19％，并且在没有任何间隙和一排风力涡轮机数量特别多的情况下，结果是发电量增加了43％。因此，对于这些cfd计算中使用的设置以及本发明公开中所述的输入尺寸，发电量的预期改善在16％和43％之间，其中16％描述的是单个风力涡轮机，因此也是目前的技术水平。

23、如上所述，两个相邻的导风件的两个最近端之间的水平间隙应小于最靠近这两个相邻导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。间隙越小，来自风力涡轮机输出的额外发电量将越高，因此可替换地，两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙也可以小于0.95、0.9、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65、0.60、0.55、0.50、0.45、0.40、0.35、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10、0.05倍的最靠近这两个相邻导风件的两个风力涡轮机的两个转子直径的长度之和。

24、在具有主导风向区域的场地上的新风电场中，风力涡轮机的位置可能相对较近。安装连续导风件将成本效益高地利用本发明的优点，因为连续导风件的长度将更短，因此其成本将降低。

25、此外，当将一个长的连续导风件应用于多个风力涡轮机时，在较大的风向间隔下，导风件的效率将更高。这一点也已通过用真实实验数据校准的先进cfd计算得到证明。此外，在许多情况下，由钢型材设计导风件可能是有益的，例如钢板桩，其相对经济且易于安装在许多土壤类型中。像钢板桩结构这样的倾斜结构在某些风力条件下可能容易在风中振动。这些振动不太可能出现在超长结构上，并且如果振动是以某种方式产生的，整个结构可以设计为使得联锁中的滑动有助于抑制振动。

26、同样，cfd计算显示，一排风力涡轮机内具有导风件的风力涡轮机数量也很重要。例如，对于一个轮毂高度为80米的90米转子风力涡轮机和一个竖直高度为16米、水平长度为165米的导风件，当应用风切变指数为0.1的竖直风廓线时，发现风力涡轮机的发电量增加了16％。对于相同的风力涡轮机、相同的导风件高度和相同的风切变，但20个90米转子风力涡轮机单元的位置距离为165米，并且导风件连续长度为3.3千米，发现在中间的两个风力涡轮机的发电量增加了43％。这是一个极其重要的发现，因为在这两种情况下，20台风力涡轮机的导风件的总长度和总成本大致相同，而风力涡轮机的发电量增加了一倍多，至少对于最中心的风力涡轮机来说是如此。通过分析cfd计算的结果，发现两种主要的空气动力学现象对解释这一结果最为重要。首先，单个风力涡轮机处的导风件具有一定的长度，在这种情况下，该长度是风力涡轮机转子直径的1.83倍，并且一定量的风将在导风件的侧面周围逸出。理论上，这种空气动力学损失可以通过将导风件的长度延长到无限长来避免，并且对于3.3千米长的导风件，从空气动力学的角度来看，当仅考虑排中间的两个风力涡轮机时，结果将接近于无限长导风件产生的结果。其次，导风件通常位于风力涡轮机前方的一个预定距离，在本例中为80米(表示风的加速主要在风力涡轮机转子前方的情况)，因此导风件和风力涡轮机转子之间的导风件上方的风流在80米的水平距离上加速。当该风流接近风力涡轮机转子时，会向两侧大量发散，从而有一定量的风逃逸和浪费，因为这些风基本上是绕着风力涡轮机转子的扫掠区域的外围逃逸的。这两种空气动力学现象都通过本发明至少部分地得到改善。

27、优选地，导风件应覆盖从地表面或海表面的连续区域，从而在导风件的底部与地表面或海表面之间不会有重大泄漏。cfd计算表明，当导风件底部的开口面积仅为导风件竖直高度的5-10％时，导风件效率显著降低。这是因为导风件前面区域的高压显著降低。

28、优选地，导风件的水平长度大于最近的风力涡轮机转子直径。cfd计算表明，当导风件水平长度在风力涡轮机转子直径的1.2倍至1.6倍之间时，具有良好的效率。这是针对带有单个导风件的单个风力涡轮机。

29、cfd计算还表明，通过风力涡轮机转子扫掠区域的风速增加与导风件的竖直高度大致成比例。因此，将导风件的竖直高度限定在3米，尽管较低的高度也会对增加通过风力涡轮机转子扫掠区域的风速产生积极影响。选择3米的限定主要是出于实际原因，因为在较低的导风件下实现良好的商业案例并不现实。

30、导风件的水平宽度被限制为低于导风件竖直高度的1.5倍。导风件可以使用许多不同的材料以多种方式构造。一种选择是钢板桩相互联锁，并将部分桩入地下以形成导风件。另一种选择是主支柱壁结构(king post wall structure)，主支柱壁结构包括作为整体承载结构的基于地面或基于海床的heb钢型材，并且在主支柱(heb型材)之间具有任何类型的填充板，以形成作为导风件的低孔隙率壁结构。另一种选择是像现代的草捆一样堆放草捆，也称为大捆，每捆重达500公斤，基本上呈盒子形状。这些草捆堆在许多情况下已经存在于田地中用于储存。草捆导风件可以具有与水平宽度大致相同的竖直高度，但很少超过如上所述的1.5倍限制。导风件也可以部分地用柔性片材设计，如防水油布，从而得到比上述1.5的比率低得多的水平宽度与竖直高度的比率。由船运集装箱制成的导风件是另一个示例，其基本上在如上所述的1.5比率限制内。最后，cfd计算表明，在1.5比的限制范围内，导风件具有良好的空气动力学效果，并且发现当导风件顶部超过1.5比时，导风件的效率逐渐降低。

31、在本发明的优选实施例中，至少一个导风件被定位在离风力涡轮机一定距离处，并且至少一个引导风件与风力涡轮机没有物理接触。该距离可以大于最靠近导风件的风力涡轮机的转子直径的0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍、1.0倍、1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍或1.5倍。cfd计算表明，当该距离略小于转子直径时，导风件在增加风力涡轮机转子扫掠区域前方的平均风速方面具有最佳效率。这是针对平坦区域的风电场，该距离将根据地形和土地可用性的不同而不同。其他因素也可能影响风力涡轮机和导风件之间距离的最终选择。火灾危险所需距离就是一个例子。例如，由于丹麦的消防法规，草捆导风件与风力涡轮机的安全距离要求超过100米。在一些情况下，可能感兴趣的是主要在风力涡轮机后面加速风，并且在这些情况下，该距离将处于较低范围，或者甚至与一排风力涡轮机对齐。

32、在本发明的优选实施例中，在风力涡轮机转子的扫掠区域中的至少一个扫掠区域内，竖直风切变减小和/或湍流强度减小，使得作用在风力涡轮机叶片上的疲劳载荷减小。刚好在风力涡轮机转子扫掠区域前方的风切变是造成叶片疲劳载荷的主要因素，因此也是造成整个风力涡轮机结构疲劳载荷的主要因素。风切变通常用对数或指数公式来描述，该公式描述了当我们在大气边界层中向上移动时风速如何变化。在平坦地区，风切变几乎总是正的，这意味着风速随着我们向上移动而增加。cfd计算表明，在安装竖直朝向的导风件后，风力涡轮机转子扫掠区前方自由流中0.1的正风切变指数将变为0.05。这是由于这样一个事实，即导风件主要增加了风力涡轮机转子扫掠区域下部的风速，而在上部增加的风速较小。原则上，导风件将产生轻微的负风切变，当与原始的正风切变相加时，会导致风切变的减少，从而导致风力涡轮机叶片上的循环疲劳载荷的减少。相同的cfd计算表明，湍流强度有所降低，这主要是由于风速的增加以及避免在风流中增加更多湍流。在有和没有导风件的情况下，湍流可能大致相同，但由于风速增加，湍流强度降低。此外，当比较通过风力涡轮机转子扫掠区域的相同风速下的疲劳载荷时，湍流强度的降低将降低疲劳载荷。因此，风力涡轮机每发电千瓦时的疲劳损伤减少了。

33、在本发明的一个优选实施例中，风电场系统中任何相邻的风力涡轮机的塔架之间的距离大于1.0且小于1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10个风力涡轮机转子直径，并且在本发明的类似替代优选实施例中，风电场系统包括风力涡轮机，其中风电场系统中的至少两个风力涡轮机之间的距离小于风力涡轮机转子直径的长度的1.1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10倍。在现今具有强大主导风向的单排风电场中，风力涡轮机之间的距离通常约为两个转子直径。在极少数情况下，当风向基本上平行于一排风力涡轮机时，考虑到实际风向，风力涡轮机很可能会关闭，以避免风力涡轮机在其前方的风力涡轮机产生的强尾流中运行。随着风向优势的减少，单个风力涡轮机之间的距离往往会增加，以提高风电场的效率，因为风力涡轮机将越来越频繁地经历来自相邻风力涡轮机的尾流。本发明对于覆盖一个或两个以上风力涡轮机的连续导风件是最有效的。为了限制导风件的成本，风力涡轮机之间的小距离通常是最好的解决方案。另一方面，对于风力涡轮机之间具有相对较大距离的现有风电场，本发明在许多情况下也可能是有益的。

34、在本发明的优选实施例中，风电场系统包括至少两排风力涡轮机，考虑到主导风向，这些排基本上垂直于主导风向，并且基本上一排在另一排之后。导风件仅位于风电场系统中的至少两排风力涡轮机中的最后一排。最后一排基本上位于风电场系统中的其它一排或多排风力涡轮机的下风处。在本发明的类似的优选实施例中，优选地但不是必须地，考虑到主导风向区域，风电场系统包括至少两排基本上彼此平行并且基本上一排在另一排之后的风力涡轮机，其中导风件仅位于风电场系统中的最后一排风力涡轮机处，考虑到主导风向区域，该排位于风电场中其他排风力涡轮机的下风向。多排风电场的cfd计算显示，当导风件被定位在最后一排的风力涡轮机的前面时，风在到达具有最后一排装有导风件的风力涡轮机之前将受到一个或多个风力涡轮机的影响，从而产生令人惊讶的好结果。特别是当一排或两排风力涡轮机位于带有导风件的最后一排风力涡轮机的前面时，效果出奇地好。cfd计算表明，前排风力涡轮机转子底部周围的风的加速是由运行的风力涡轮机从前排的风中提取能量所引起的吸气(induction)造成的，这是位于最后一排的导风件加速较高的主要原因。由于位于上风处的风力涡轮机的吸气，导风件在其前方只会受到更高的风速。在本发明的优选解决方案中，该前方风力涡轮机引起的加速效果与根据本发明第一方面的导风件设计和定位所产生的效果相结合，其中两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近这两个相邻的导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。水平间隙为零时的极端情况，在空气动力学上等效于连续导风件，当与位于多排涡轮机阵列的最后一排的位置相结合时，也是优选的解决方案。

35、在本发明的一个优选实施例中，具有导风件的一排风力涡轮机与位于主导风向上的上风处的一排风力涡轮机之间的平均距离比风电场系统中任何其他连续排之间的最低距离低至少10％或20％或30％或40％或50％或60％或70％或80％。从而实现了风电场系统所需的土地面积的显著减少。在传统的风电场布局设计中，行之间的距离通常由尾流的回收率来确定，从而优化整个风电场的效率，以实现尽可能低的能源成本。在相对平坦的区域中，这种优化通常最终导致风力涡轮机之间的距离为5至10倍转子直径。风力涡轮机的功能可以通过贝兹定律(betz’s law)来解释，其中风力涡轮机的存在导致风速降低到相对于自由风速的2/3。发现转子扫掠区域后面的尾流中风速的降低也会影响下面和转子扫掠区域的风速。由于风力涡轮机部分阻挡了风，一些风将试图在转子扫掠区域周围逃逸。因此，当在最后一排安装导风件时，导风件前面的涡轮机已经增加了导风件正前方的风速，从而导风件的效果更好。发现这种效果不仅仅是抵消风力涡轮机之间更远的距离的更好的园区效率，因此，与不使用导风件的传统情况相比，最后一排带导风件可以安装得更靠近它前面的那一排。确切地说，两排之间的距离可以减少多少将取决于现场条件、风力涡轮机尺寸和最大发电量、导风件构造和现场的风力条件。

36、在本发明的优选实施例中，风电场系统仅包括具有一个或多个导风件的一排风力涡轮机。在主导风向非常强的场地上，风电场通常只包括一排风力涡轮机，并且这些涡轮机通常彼此靠近。在这些风电场中，1.3至2倍转子直径之间的距离很常见。因此，优选实施例适用于那些风电场，因为风向优势和风力涡轮机之间的小距离都是有利的，这主要是由于所需的导风件的水平长度有限。在每个风力涡轮机具有一个单独的导风件的情况下，这也是有利的，因为只要两个相邻导风件最近两端之间的水平间隙小于最靠近这两个相邻的导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和，导风件效率就会增加。

37、在本发明的优选实施例中，两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙基本上为0米，从而形成用于多于一个风力涡轮机的基本上或至少部分连续的导风件。在本发明的另一个类似的优选实施例中，风电场系统包括位于至少两个相邻风力涡轮机前面的一个导风件。如前所述，与一个独立导风件位于一个独立风力涡轮机处的情况相比，导风件大幅减少了它们的空气动力学损失，这主要是由于风流的发散和风在导风件端部的逃逸。

38、在本发明的优选实施例中，风电场系统每排至少包括3、4、5、7、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、120、140、160、180、200、250、300个风力涡轮机。如上所述，造成根据本发明导风件提高的两个主要空气动力学现象是：减少在导风件端部逸出的风流以及减少导风件和风力涡轮机转子之间区域中的风流发散。随着导风件长度的延长，覆盖的风力涡轮机越来越多，这两种空气动力学损失现象都将得到改善。如果风力涡轮机排成无限长的一排，就会产生完全二维的气流，并且不会出现先前描述的空气动力学现象造成的空气动力学损失，从而达到绝对的最佳效果。这在实践中是无法实现的，但对于一排中数量异常多的风力涡轮机和一个非常长的导风件，cfd结果非常接近二维cfd结果。cfd结果进一步表明，对于具有一个连续导风件的一排中的至少10个风力涡轮机，效率非常接近最大可能值，因此具有一个连续导风件的至少10台风力涡轮机是特别有利的优选构造。

39、在本发明的优选实施例中，风电场系统包括至少两个导风件，所述至少两个导风件具有基本上不同的竖直高度，使得所述竖直高度在最靠近所述一排风力涡轮机的端部处最高，而在最靠近所述一排风力涡轮机中心处最低。在本发明的类似优选实施例中，风电场系统包括具有不同竖直高度的导风件。优选地，这些导风件高度取决于其在一排风力涡轮机中的相对位置，并且优选地，在最靠近位于该排的中心的风力涡轮机的导风件的高度低于最靠近位于该排的两端附近的风力涡轮机的导风件的高度。优选地，风电场系统包括至少3个风力涡轮机和离散的导风件，并且导风件的高度被调整以提高风电场系统的成本。在包括至少3个基本上对齐以形成一排的风力涡轮机和符合先前公开的条件以减少空气动力学损失的离散的导风件的风电场系统中，降低中心的导风件的高度将节省材料成本，并且不会严重减少风力涡轮机的发电量。先进的cfd模拟表明，当具有形成一排的风力涡轮机时，如果(a)最靠近该排中心的风力涡轮机的下叶片尖端与(b)其最近的导风件顶部边缘之间的距离大于(a)最靠近该排端部的风力涡轮机的下叶片尖端和(b)其最靠近导风件顶边缘之间的间距，则由于导风件增加的风速，风力涡轮机将提取相似的能量。可以通过在该排的中心安装较短的导风件并且朝向该排的端部安装较高的导风件来调整这些距离。配置的实际距离将取决于特定风力涡轮机和导风件的尺寸参数而变化。但对位于一排风力涡轮机中的不同位置的导风件的尾流的研究和分析发现，如图12所示，靠近排中心时的风力涡轮机的导风件的最佳高度低于靠近排端部的导风件的最佳高度。

40、本发明的另一个实施例类似于先前的实施例，但在这种情况下，风电场系统包括至少3个风力涡轮机和一个连续的导风件，以及调整导风件的高度，以改善风电场系统的成本。在包括至少3个基本上对齐以形成一排的风力涡轮机和符合先前公开的条件以减少空气动力学损失的离散的导风件的风电场系统中，降低中心的导风件高度将节省材料成本，并且不会严重减少风力涡轮机的发电量。先进的cfd模拟表明，当具有形成一排的风力涡轮机时，如果(a)最靠近该排中心的风力涡轮机的下叶片尖端与(b)其最近的导风件顶部边缘之间的距离大于(a)最靠近该排端部的风力涡轮机的下叶片尖端和(b)其最靠近导风件顶边缘之间的间距，则由于导风件增加的风速，风力涡轮机将提取相似数量的能量。调整这些距离，使导风件在排的中心较短，在排的两端较高，这是一个不错的选择。配置的实际距离将取决于特定风力涡轮机和导风件的尺寸参数而变化。但对位于一排风力涡轮机中的不同位置的导风件的尾流的研究和分析发现，如图13所示，靠近排中心时的风力涡轮机的导风件的最佳高度低于靠近排端部的导风件的最佳高度。

41、在本发明的优选实施例中，风电场系统被配置为使得每个风力涡轮机转子的风力涡轮机转子叶片尖端的最低位置与其最近的导风件的顶部边缘之间的距离取决于风力涡轮机在具有一个或多个导风件的风力涡轮机排中的相对位置而不同。在本发明的类似的优选实施例中，每个风力涡轮机转子的风力涡轮机转子叶片尖端的最低位置与其最接近的导风件的顶部边缘之间的距离越靠近具有一个或多个导风件的所述一排风力涡轮机的端部越小，越靠近具有一个或多个导风件的所述一排风力涡轮机的中心越大。

42、换言之，对于位于该排的中心的风力涡轮机，优选具有比位于更靠近该排的两端的风力涡轮机更大的距离。该风电场系统包括至少3个风力涡轮机和一个或多个导风件，这些风力涡轮机和导风件基本上对齐以形成一排，并且符合先前公开的条件以减少空气动力学损失。为了优化风电场系统提取的能量，调整这种风力涡轮机相对于导风件的相对位置是优选的解决方案。先进的cfd模拟表明，当具有形成一排的导风件时，当上述定义的距离对于定位在靠近该排中心的风力涡轮机更大，而对于定位在更靠近该排两端的风力涡轮机，该距离更小时，实现更多的风力加速。配置的实际距离将根据特定风力涡轮机和导风件的尺寸参数而变化，但对排内不同位置的导风件后面的尾流的研究和分析表明，当接近排的中心时，风力涡轮机的转子的最佳位置比靠近排的两端的风力涡轮机距其最近的导风件更远，如图8和图9所示。

43、本发明公开的另一个实施例类似于先前的实施例，但在这种情况下，风力涡轮机的位置是固定的，因此调节导风件的相对位置将造成基本上相同的最佳解决方案。在包括至少3个风力涡轮机的风电场系统中，所述至少3个风力涡轮机基本上对齐以形成一排，并且具有符合前述条件的离散导风件以减少空气动力学损失，优选的是通过调节这些导风件相对于风力涡轮机的相对位置来增加从风电场系统提取的能量。先进的cfd模拟表明，当具有形成一排的风力涡轮机的设置时，如果(a)最靠近该排的中心的风力涡轮机的下叶片尖端与(b)其最靠近的导风件顶部边缘之间的距离高于(a)最靠近该排两端的风力涡轮机下叶片尖端与(b)其最靠近的导风件顶部边缘之间的距离，风力涡轮机会因导风件引起的风速增加而提取更多的能量。该配置的实际距离将取决于特定风力涡轮机和导风件的尺寸参数而变化，但是已经从在一排风力涡轮机内的不同位置处的导风件尾流的研究和分析中发现，当接近排的中心时，风力涡轮机的转子的最佳位置比靠近排的两端的风力涡轮机距其最近的导风件更远，如图10所示。

44、本发明的另一个实施例类似于先前的实施例，但在这种情况下，风力涡轮机的位置是固定的，并且调整连续导风件的形状。在包括至少3个基本对齐以形成一排的风力涡轮机和符合先前公开的条件以减少空气动力学损失的连续的导风件的风电场系统中，优选通过调整连续导风件的形状来增加由风电场系统提取的能量。先进的cfd模拟表明，当风力涡轮机排成一排时，如果连续导风件具有如图11所示的近似拱形的形状，则由于连续导风件导致风速增加，风力涡轮机将提取更多能量，其基本特征是(a)最接近排中心的风力涡轮机转子的下叶片尖端与(b)连续导风件顶部边缘最近的部分之间的距离大于(a)最靠近排两端的风力涡轮机的下叶片尖端与(b)连续导风件顶部边缘的最接近部分之间的距离。配置的实际参数将取决于特定风力涡轮机和导风件的尺寸参数而变化，但从对一排风力涡轮机内不同位置处的导风件尾流的研究和分析中发现，当接近该排的中心时，风力涡轮机的转子的最优位置是比靠近排两端的风力涡轮机更远离连续导风件的最近部分。

45、在本发明的一个优选实施例中，两个相邻导风件之间的水平间隙或导风件内部的水平间隙位于道路、河流或路径所在的位置，使得人、动物、车辆、起重机、船只、船舶、卡车和任何用于道路或河流运输的货物可以通过该间隙。如果通往风力涡轮机的通路位于或靠近主导风向相对于风力涡轮机上风处的位置，则可能有必要设置这样的水平间隙以畅通到风力涡轮机的通路。在非常长的连续导风件覆盖许多风力涡轮机的情况下，也可能在安装导风件的地方存在道路、河流或路径，从而导致必须具有水平间隙。在导风件阻塞两块田地之间的通道的情况下，同样需要有一个水平间隙，以便农民和他的机器从一块田地到达另一块田地。

46、在本发明的一个优选实施例中，两个相邻导风件之间的水平间隙或导风件内部的水平间隙包括手动或自动打开和关闭水平间隙的装置。在本发明的另一个实施例中，用可拆卸或可抽出的防水油布或任何其他柔性材料覆盖这两个相邻的导风件之间的水平间隙，以避免阻塞这种自由通路，从而临时开放这种自由通路。几米处的小水平间隙可能不会导致导风效率的显著降低，但无论尺寸如何，闭合的水平间隙都很可能导致更好的导风效率。

47、在本发明的优选实施例中，一个或多个导风件安装在多个现有风力涡轮机的前面，之后这些现有风力涡轮机至少部分地被多个新风力涡轮机所取代，所述多个新风力涡轮机随后利用相同的现有的所述一个或多个导风件。越来越多的风电场正在重新供电，这意味着旧的小型和低效的风力涡轮机被拆除，新的大型和高效的风力涡轮机基本上安装在同一地点。在这些情况下，导风件可以被布置和配置为使得旧的风力涡轮机和新的风力涡轮机都将显著地受益于由导风件的存在引起的风力加速。通过这种方式，在现有的寿命只有几年的风电场中安装导风件可能是可行的，因为相同的导风件可以用于新的风力涡轮机。这可以被视为增加导风件总潜在市场的一种手段。

48、在本发明的优选实施例中，至少一些所述导风件的至少部分具有大于0％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％的孔隙率。孔隙率是指未被基本上气密的材料覆盖的导风件或部分导风件的表面积的百分比，即，空气可以通过的面积的百分比。在本发明公开内容中，导风件之间的间隙不被认为是孔隙率的一部分。多孔导风件可以包括有孔的树木、竹子、常青树、植物、在主支柱壁中彼此之间具有一定距离的填充板、在船运集装箱的顶部和底部之间具有距离的船运集装箱堆、带孔织物或带孔防水布，或使一些空气通过导风件的任何其他方式。使用多孔导风件的优点是例如限制导风件上的风载荷，特别是极端风载荷，限制由导风件的存在产生的尾流在导风件后面的再循环，或者减少沙漂移或雪漂移的负面影响。多孔导风件原理上可以以与沙栅栏或雪栅栏相同的方式起作用，这意味着降低导风件后面的风速，从而增加将在导风件之后收集的沙或雪的量。最后，在某些情况下，多孔导风件可以更有效地加速风、降低风切变或降低风力涡轮机转子扫掠区域的湍流强度。

49、在本发明的优选实施例中，风电场系统还包括种植作物的区域或农业光伏装置，以种植农作物并产生受益于风电场系统的防风效应的光伏发电。农业防风的好处已经为人所知，并在全世界应用于减少蒸散(即：蒸发和蒸腾过程中的水分损失)。当土壤或植物表面的水变成蒸汽时，就会发生蒸发。蒸腾是指通过植物的叶子流失的水分)。风速通常会增加蒸散量，尤其是在非常干旱的环境中。使用防风装置人为降低风速还可以减少蒸散量，提高可用水资源的效率，这在干旱环境中尤其重要。此外，挡风板还降低了因高速风而损坏作物的风险，尤其是在沙漠环境中(例如：沙尘暴或沙尘暴)。

50、本技术中描述的风电场系统将导风件系统的防风效果与涡轮机的尾流效应相结合，从而产生如前所述的高效系统来获取风能，并且产生比单独考虑风力制动系统更高的防风效果。

51、在干旱环境中种植作物的问题从根本上有两个：过热和缺水。如前所述，由于风速的降低和由此产生的蒸发蒸腾量的减少，本风电场系统的发明可以使水的使用更加高效。但是，希望将我们的发明与减少过热的解决方案相结合。我们的风电场系统与农业光伏技术的安装相结合(光伏太阳能电池板的布置方式允许在支撑光伏电池板的结构下方种植作物)，大大减少了热量。

52、本技术中描述的风电场系统是一种非常有效的电源，可由农业光伏系统相辅相成。这种电力可以用于为水基础设施供电(例如：脱盐系统、将水输送到消耗节点的泵和阀门、从地下蓄水层抽水的泵等)，部分缓解了管理水资源的高运营成本。

53、在本发明的优选实施例中，公开了一种增加一排带有导风件的风力涡轮机来扩展现有风电场的方法。新增加的一排带导风件的风力涡轮机与位于主导风向上的上风处的先前的现有的一排风力发电机之间的平均距离小于风电场系统中任何其他连续一排之间距离的90％或80％或70％或60％或50％或40％或30％，从而显著减少了扩建现有风电场所需的额外土地面积。

54、在本发明的优选实施例中，公开了一种在风电场设计中定位风力涡轮机的方法。该设计考虑了至少两排风力涡轮机，根据主导风向，一排位于上风方向，另一排位于下风方向。最下风处的一排风力涡轮机包括一个或多个导风件，并且根据该方法，连续排中的每一排中的至少一些风力涡轮机被定位为彼此非常靠近(该排中相邻涡轮机的涡轮机塔架被定位在小于所述相邻涡轮机的平均转子直径的3倍的距离处)，由于导风件的风流优化效果，最大限度地减少了先前涡轮机的尾流对下风处涡轮机排的影响。

55、在本发明的另一个优选实施例中，公开了一种风电场系统，包括至少两个相邻风力涡轮机，形成至少一排风力涡轮机，这些排风力涡轮机最好但不是必须地与主导风向扇形区(sector)(被理解为集中了60％以上年风能潜力的90°风向扇形区)基本垂直；和至少两个导风件，至少两个导风件用于将至少两个相邻风力涡轮机前面的风从第一方向引导到第二方向，从而风流在每个涡轮机转子的前面和/或后面加速。所述相邻风力涡轮机包括塔架和转子，所述转子设置有限定转子扫掠区域的多个转子叶片。所述导风件包括具有水平长度、至少一个竖直高度、水平宽度和至少两个端部的导风件，所述导风件被布置和构造为接收来自所述转子扫掠区域下方的一高度的风并引导所述风，使得离开所述导风件的风具有与由所述导风件接收的风不同的方向。导风件被布置和配置成将风引导到风力涡轮机转子的扫掠区域前面和/或后面的区域，使得通过这样的转子的扫掠区域提高风速。此外，两个相邻的导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近这两个相邻导风件处的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。在这种情况下，用真实实验数据校准的先进cfd计算已经证明，与已知的独立风力涡轮机和独立导风件的情况相比，或与另一种已知的情况(两个相邻的导风件之间的间隙大于前面提到的两个转子直径之和)相比，通过转子的平均风速显著增加。

56、在本发明的另一个优选实施例中，风电场系统包括至少一个导风件，该导风件是基于地面或海床的，并且在+/-10度的范围内基本竖直。基于地面或海床的导风件将基本覆盖从地面或海面向上的区域。此外，cfd计算表明，当导风件至少在相对平坦的地面上接近竖直方向时，导风件的效率最高。钢板桩、主支柱壁和集装箱堆垛等结构概念最容易垂直安装，并且由于墙体结构的设计风荷载在所有风向上都是相同的，因此通过倾斜结构并不能显着节省结构成本。大的a形格状结构是一种选择，这是选择将竖直结构的角度限制在+/-10度的优选解决方案的主要原因。

57、在本发明的另一个优选实施例中，风电场系统包括至少一个导风件，所述导风件的竖直高度在地面或海面和所述风力涡轮机转子的最低叶片尖端高度之间的距离的三分之一到三分之二之间。cfd计算显示了导风件后面尾流高度的详细信息。这个尾流高度很重要，因为如果尾流进入转子扫掠区域，由于风速的突然变化和尾流中湍流的增加，叶片将承受更多的疲劳载荷。在具有16米高和165米长导风件的独立90米长转子风力涡轮机计算中，最大高度为16/(80-45)＝0.46，表明导风件高度几乎是地面和风力涡轮机转子下叶片尖端高度之间距离的一半。

58、然而，在长连续导风件中，cfd计算已经确定，导风件后面的尾流形成以及尾流的高度从导风件的中心到端部有很大的不同。对于具有一个连续导风件的5台风力涡轮机，导风件中心的尾流高度明显高于导风件端部的尾流。这种减小的尾流高度可以通过增加导风件的某些区域中的导风件高度、减少其他区域中的导风件高度或将风力涡轮机定位在最佳位置并使转子处于最佳高度来利用，以尽可能多地受益于由连续导风件每个区域处的特定尾流形成引起的加速效果。

59、将导风件高度的上限限制为地面和风力涡轮机最低叶片尖端高度之间距离的三分之二的原因首先是为了控制导风件的成本，因为随着导风件高度的增加，结构所承载的风载荷随之增加，其次是为了避免导风件的尾流进入风力涡轮机的扫掠区域，这将导致风力涡轮机上的负载增加。

60、在本发明的另一个优选实施例中，风电场系统仅包括一排至少两个风力涡轮机，a)一排风力涡轮机中的至少两个导风件，其中两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近所述两个相邻的导风件处的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和，或b)覆盖所述风力涡轮机中至少两个风力涡轮机的至少一个连续导风件。

61、在本发明的另一个优选实施例中，所述导风件还包括太阳能电池板，以实现风能-太阳能混合发电的生产。太阳能电池板占用了很大的土地，在许多情况下，这些土地本可以用于其他目的。竖直太阳能电池板阵列或仅为利用太阳能而建造的高层结构通常是不可行的，因为这些结构必须设计成能够承受相当大的风荷载，并且从成本效益的角度来看，水平而不是竖直建造太阳能发电场要好得多。然而，由于其主要目标是增加风电场的风力发电量，因此导风件的设计已经具有成本效益。然而，添加太阳能电池板可以进一步提高安装的效率。如今，大多数太阳能发电场包括太阳能电池板，太阳能电池板安装在简单支撑结构上，并根据太阳能高度以最佳角度或通过可调节的太阳能电池板定位系统进行定位，以始终至少部分面向太阳。在北半球，太阳能电池板最好朝南。南半球则相反。如果导风件朝向东南和西南(或东北到西北)之间的方向，则可以将太阳能电池板直接安装在导风件上，并且几乎全天都能获得良好的效率。导风件的两侧可用于安装太阳能电池板，因此该解决方案适用于主导风向在东北和西北之间的大多数场地，也适用于从东南到西南的主导风向。当将导风件定位为从东北到东南(或从西南到东北)的主导风向时，导风件可能会产生阴影——至少在一天中的某些时间是这样。这将产生负面影响，但它仍然可以提供合理的商业案例。风能-太阳能混合发电的另一个优点是提高了电网连接的效率，因为这两个装置可以向同一电网输送电力。当两个发电单元可以组合时，这也可能是有利的，并且当另一个发电单元能够弥补由于另一个的服务停机而造成的生产损失时，可以优选地对两个发电机组中的每一个进行服务。

62、在本发明的另一个优选实施例中，导风件包括视觉效果改善设备或装置，以改善由所述导风件引起的视觉效果。为了减少导风件视觉影响，可以使用人造或天然的匍匐植物或花朵或任何其他植被。在超长导风件的优选解决方案中，用绿色植物覆盖导风件可能会产生重大影响，因此观测者会将导风件视为地平线的一个微小抬升，甚至不会将其视为人造结构。超长导风件的端部可以是锥形的，形状与周围环境相适应，或者在端部种植树木以防止高度的突然变化。超长导风件的另一个优点是，只需一根超长水管即可轻松安装自动浇水系统。此外，沿着导风件的整个表面种植匍匐植物也有很大的好处，因为这样可以稍微干扰风流，从而避免或降低导风件结构因风引起振动的风险。最后，导风件可以包括树木或者甚至仅由树木形成整个导风件。

63、在本发明的另一个实施例中，导风件安装在风力涡轮机处，其中风力涡轮机的最大发电量大于50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、11000、12000、13000、14000、15000、16000、17000、18000、19000、20000、21000、22000、23000、24000或25000千瓦。

64、在本发明的另一个实施例中，导风件安装在风力涡轮机处，其中风力涡轮机的转子直径大于2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290或300米。

65、本发明的另一个优选实施例公开了一种增加风电场系统的发电量的方法。该风电场系统包括至少两个相邻风力涡轮机，形成至少一排风力涡轮机，这些排风力涡轮机最好但不是必须地与最主要风向基本垂直；和至少两个导风件，所述至少两个导风件用于将所述至少两个相邻风力涡轮机中的每一个的前面的风从第一方向引导到第二方向；所述相邻风力涡轮机包括塔架和转子，所述转子设置有限定转子扫掠区域的多个转子叶片；所述导风件包括具有水平长度、至少一个竖直高度、水平宽度和至少两个端部的导风件，所述导风件被布置和构造为接收来自所述转子扫掠区域下方的一高度的风并引导所述风，使得离开所述导风件的风具有与由所述导风件接收的风不同的方向；所述导风件被布置和构造成将所述风引导到所述风力涡轮机转子扫掠区域之前和/或之后的区域，使得通过这样的转子扫掠区域的风速增加，所述两个相邻导风件的最近两端之间的水平间隙小于最靠近所述两个相邻导风件的两个风力涡轮机的转子直径的长度之和。

66、附图

67、通过阅读仅通过非限制性实例并参考附图给出的以下描述，将更好地理解本发明，其中：

68、图1显示了风电场系统的前透视图，其中导风件之间有间隙。

69、图2显示了风电场系统的前透视图，该风电场系统具有一个覆盖所有风力涡轮机的连续导风件。

70、图3显示了风力涡轮机和基于地面的导风件的侧视图。

71、图4显示了风电场系统的前透视图，该风电场系统具有3排风力涡轮机和覆盖最后一排的连续导风件。

72、图5显示了风电场系统的前透视图，该风电场系统具有两个导风件，每个导风件覆盖三个风力涡轮机。

73、图6显示了带有导风件的风力涡轮机的前透视图，流线显示了风流模式。

74、图7显示了风力涡轮机转子扫掠区域的前视图，该区域具有导风件和显示风流模式的流线。

75、图8显示了一个风电场系统的俯视图，该风电场系统有7个风力涡轮机和7个导风件。

76、图9显示了一个风电场系统的俯视图，该风电场系统有7个风力涡轮机和一个导风件。

77、图10显示了一个风电场系统的俯视图，该风电场系统有7个风力涡轮机和7个导风件。

78、图11显示了一个风电场系统的俯视图，该风电场系统有7台风力涡轮机和1个导风件。

79、图12显示了一个风电场系统的前视图，该风电场系统有7台风力涡轮机和7个导风件。

80、图13显示了一个风电场系统的前视图，该风电场系统有7台风力涡轮机和1个导风件。

81、图14显示了风力涡轮机转子扫掠区域和导风件的的俯视图和显示流动模式的流线。

82、图15显示了1个风力涡轮机转子扫掠区域和2个半部分风力涡轮机转子扫掠区域以及1个全长导风件和2个半部分导风件的俯视图，以及显示流动模式的流线。

83、图16显示了风力涡轮机和导风件的侧视图，以及说明风速的轮廓线。

84、图17显示了风力涡轮机和导风件的侧视图，以及说明风速的轮廓线。

85、部位编号列表

86、1 风力涡轮机

87、2 风力涡轮机叶片

88、3 塔架

89、4 转子扫掠区域

90、5 风向

91、6 导风件

92、7 地面

93、d 转子直径

94、g两个相邻导风件的最近两端之间的间隙

95、h地面和风力涡轮机转子的最低叶片尖端高度之间的距离

96、vh导风件的竖直高度，测量为导风件顶部与地面或海面之间的距离

97、d风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离

98、d1风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

99、d2风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

100、d3风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

101、d4风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

102、d5风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

103、d6风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

104、d7风力涡轮机转子的最低叶片尖端位置与最靠近的导风件顶部边缘之间的距离在水平面上的投影

105、h1 导风件的竖直高度

106、h2 导风件的竖直高度

107、h3 导风件的竖直高度

108、h4 导风件的竖直高度

109、h5 导风件的竖直高度

110、h6 导风件的竖直高度

111、h7 导风件的竖直高度

112、h8 导风件的竖直高度

113、h9 导风件的竖直高度

技术实现思路