專(zhuān)利名稱(chēng)：用于增強(qiáng)具有多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)電廠布局的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地說(shuō)來(lái)涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，更具體地說(shuō)涉及一種用于增強(qiáng)風(fēng)電廠中的多個(gè) 風(fēng)力渦輪機(jī)的初始布局的方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)作為環(huán)境安全且相對(duì)較低廉的替代能源而獲得日益關(guān)注。對(duì)于這種增 長(zhǎng)的興趣，已經(jīng)做出了很大的努力來(lái)發(fā)展可靠、有效且具成本效率的風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力渦 輪機(jī)電廠。風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)電廠中的布置傳統(tǒng)上是以最大限度地增加電廠整體能量產(chǎn)出的 單個(gè)目標(biāo)而執(zhí)行的。例如在設(shè)計(jì)風(fēng)電廠時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)最初基于風(fēng)力資源網(wǎng)而布置在電廠 的地理邊界中具有最高風(fēng)力的位置。利用商業(yè)上可獲得的風(fēng)力資源評(píng)估或建模軟件，例如 WindPro (可從 EMD International A/S, Aalborg, Denmark 公司獲得)、WindFarmer (可 從Garrad Hassan,Bristol United Kingdom公司獲得)或WindFarm (可從ReSoft Ltd., Banbury,United Kingdom公司獲得)可產(chǎn)生風(fēng)力資源網(wǎng)。然后使用其它設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或約束， 例如禁止區(qū)域、最小間距約束、噪聲限制等等來(lái)調(diào)整渦輪機(jī)的布局。在設(shè)計(jì)電廠布局時(shí)還可考慮其它風(fēng)電廠的設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如最大限度地減小風(fēng)電廠 的成本、最大限度地增加經(jīng)濟(jì)規(guī)模以及最大限度地減小噪聲。在這方面，各種商業(yè)軟件程序 都是有幫助的。例如，為了解決成本、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和噪聲約束，諸如WindProTM、WindFarmerTM或 WindFarm 等軟件提供了分析模塊，其可用于根據(jù)需要而手動(dòng)地調(diào)整渦輪機(jī)布局。另外，這 些程序可提供對(duì)于固定數(shù)量的風(fēng)力渦輪機(jī)和特定的風(fēng)力渦輪機(jī)模型/配置而容許自動(dòng)地 最大限度地增加能量產(chǎn)出的功能或模塊。在這些程序中還可考慮噪聲約束和禁止區(qū)域。即 使有可用的軟件程序，在最終確定渦輪機(jī)布局之前還需要補(bǔ)充分析，例如計(jì)算各個(gè)風(fēng)力渦 輪機(jī)上的機(jī)械負(fù)載，以確保其在所關(guān)注的風(fēng)力渦輪機(jī)模型(一個(gè)或多個(gè))/配置(一個(gè)或多 個(gè))的設(shè)計(jì)限制內(nèi)。公布的PCT申請(qǐng)W02008092462描述了一種用于設(shè)計(jì)風(fēng)電廠的方法，其中在電廠中 選擇至少一組風(fēng)力渦輪機(jī)，其同另一組風(fēng)力渦輪機(jī)相比，對(duì)于相同的風(fēng)力條件產(chǎn)生非最佳 輸出，從而對(duì)于整個(gè)電廠取得更均勻的輸出。例如，電廠中所利用的第一組風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè) 計(jì)成可在特殊的風(fēng)力氣候中產(chǎn)生最大輸出。這第一組由第二組風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)補(bǔ)充，該第二 組風(fēng)力渦輪機(jī)被特別設(shè)計(jì)成在較低的風(fēng)速下產(chǎn)生最大的功率，并因而在同第一組相比的另 一風(fēng)力范圍窗口中達(dá)到其額定功率。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)在不同的風(fēng)速下使風(fēng)力渦輪機(jī)組具 有額定功率，從而在更寬的風(fēng)力條件范圍內(nèi)增加電廠總的功率輸出。商業(yè)上可獲得的風(fēng)電廠程序和W02008092462出版物中所述的方法具有缺點(diǎn)，即 它們將風(fēng)電廠視為承受整個(gè)場(chǎng)所條件的單個(gè)功率產(chǎn)生單元，而非一群承受不同風(fēng)力條件的 獨(dú)立渦輪機(jī)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常需要初始的基線布局，其中渦輪機(jī)類(lèi)型和整個(gè)場(chǎng)所條件 是已經(jīng)建立或假定好的。因而，該方法從一開(kāi)始就受到約束。傳統(tǒng)方法不允許考慮電廠中 各個(gè)單獨(dú)的風(fēng)力渦輪機(jī)所經(jīng)受的獨(dú)特的風(fēng)力條件，因而沒(méi)有考慮到可通過(guò)根據(jù)各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置所經(jīng)受的實(shí)際風(fēng)力條件調(diào)整單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的特征，例如輪轂高度、渦輪機(jī)類(lèi)型 等等來(lái)增加單獨(dú)渦輪機(jī)的輸出。因此，需要一種風(fēng)電廠設(shè)計(jì)方法，其通過(guò)針對(duì)電廠所經(jīng)受的不同的風(fēng)力條件而調(diào) 整單獨(dú)渦輪機(jī)的特征，從而最大限度地增加電廠的全年能量產(chǎn)生量(AEP)。

發(fā)明內(nèi)容
在以下描述中將部分地陳述，或者可從描述中明白，或者可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐學(xué) 習(xí)到本發(fā)明的方面和優(yōu)勢(shì)。根據(jù)本發(fā)明的方面，提供了一種用于確定風(fēng)電廠中的風(fēng)力渦輪機(jī)布局的方法，其 中多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生組合的功率輸出。該方法包括確定風(fēng)電廠場(chǎng)所的任何形式的約束， 并在該場(chǎng)所限定至少一個(gè)區(qū)域用于布置多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)。通過(guò)任何傳統(tǒng)方法，例如歷史數(shù) 據(jù)、風(fēng)力評(píng)估程序等等評(píng)估該區(qū)域的風(fēng)力狀態(tài)。一旦確定初始的風(fēng)力狀態(tài)，該方法包括通過(guò) 利用相應(yīng)的位置的尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力狀態(tài)進(jìn)行建模而預(yù)測(cè)被確定用于布置風(fēng)力渦輪機(jī)的區(qū) 域中的可能位置上的實(shí)際的風(fēng)力條件，尾流效應(yīng)是在該區(qū)域或該場(chǎng)所的其它區(qū)域的各種位 置上累積布置其它風(fēng)力渦輪機(jī)而引起的。然后依據(jù)在各個(gè)單獨(dú)位置上所計(jì)算的實(shí)際的風(fēng)力 條件而確定該區(qū)域中的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配置和位置，從而增加單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸 出。渦輪機(jī)配置的選擇包括渦輪機(jī)輪轂高度的選擇，其考慮到在該渦輪機(jī)位置上所預(yù)測(cè)的 實(shí)際的 風(fēng)力條件 而最大限度地減小單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的尾流損失。本發(fā)明還包含一種根據(jù)本文所體現(xiàn)的原理而配置的風(fēng)電廠。風(fēng)電廠包括一種電廠 場(chǎng)所，其包括至少一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域在相應(yīng)的渦輪機(jī)位置具有多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，多個(gè)風(fēng)力渦 輪機(jī)配置成用于產(chǎn)生組合的功率輸出。風(fēng)力渦輪機(jī)具有依據(jù)各個(gè)渦輪機(jī)位置上的實(shí)際風(fēng) 力條件而確定的相對(duì)于彼此的位置和配置，實(shí)際的風(fēng)力條件是該場(chǎng)所的風(fēng)力狀態(tài)和相應(yīng)的 渦輪機(jī)位置上的尾流效應(yīng)的函數(shù)，尾流效應(yīng)是在該區(qū)域中累積布置其它風(fēng)力渦輪機(jī)而產(chǎn)生 的。該區(qū)域中的風(fēng)力渦輪機(jī)具有變化的輪轂高度，從而針對(duì)相應(yīng)的渦輪機(jī)位置上所確定的 實(shí)際風(fēng)力條件而增加單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出，變化的輪轂高度是依據(jù)相應(yīng)的風(fēng)力渦輪 機(jī)位置上的實(shí)際風(fēng)力條件而確定的，實(shí)際的風(fēng)力條件是通過(guò)利用尾流效應(yīng)對(duì)該區(qū)域的風(fēng)力 狀態(tài)進(jìn)行建模而計(jì)算得出的，尾流效應(yīng)是在該區(qū)域的各種位置上累積布置其它風(fēng)力渦輪機(jī) 而產(chǎn)生的。變化的渦輪機(jī)輪轂高度被選擇以降低單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的尾流損失。


在參照附圖所做的說(shuō)明書(shū)中為本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員闡述了本發(fā)明的完整且 可應(yīng)用的公開(kāi)，包括其最佳模式，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的風(fēng)電廠的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的方面被視為適合風(fēng)力渦輪機(jī)的某一場(chǎng)所的風(fēng)電廠的平面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施例的整體過(guò)程流程圖；圖4是圖3的其中一個(gè)過(guò)程步驟的更詳細(xì)的流程圖；圖5是圖3的其中一個(gè)過(guò)程步驟的更詳細(xì)的流程圖；圖6是圖3的流程方面的更詳細(xì)的流程圖；且圖7是圖3的流程方面的更詳細(xì)的流程圖。
標(biāo)號(hào)列表100渦輪機(jī)；102外罩；104塔架；108轉(zhuǎn)子葉片；110旋轉(zhuǎn)輪轂；200風(fēng)電廠；201中 央控制器；203信號(hào)；300風(fēng)力渦輪機(jī)；301海拔等高線；302表面粗糙度線；303禁止區(qū)域； 304邊界線；305城市或居住地區(qū)；400確定約束和禁止區(qū)域；402考慮噪聲禁止區(qū)域；404考 慮地形和地勢(shì)；406考慮結(jié)構(gòu)、建筑物等；408考慮陸地使用約束；450限定區(qū)域；500確定風(fēng) 力狀態(tài)；502考慮風(fēng)速；504考慮風(fēng)的切變；506考慮氣溫和氣壓；508考慮極端風(fēng)力的可能 性；550對(duì)尾流效應(yīng)建模；600實(shí)際風(fēng)力計(jì)算；650單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配置和位置計(jì)算；652 渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的輪轂高度；654考慮最小渦輪機(jī)間距；656考慮功率輸出；658考慮最大渦輪 機(jī)數(shù)量；660考慮噪聲禁止區(qū)域；662考慮成本；664考慮設(shè)計(jì)負(fù)載裕度；700初始渦輪機(jī)布 局方案；800最終場(chǎng)所方案設(shè)計(jì)；802整個(gè)電廠能量產(chǎn)出需求；804整個(gè)電廠經(jīng)濟(jì)模型；806 用戶設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；808其它設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施例，圖中顯示了其一個(gè)或多個(gè)示例。各個(gè)示例是作 為本發(fā)明的說(shuō)明而非本發(fā)明的限制而提供的。實(shí)際上，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，在不 脫離本發(fā)明的范圍或精神的條件下可在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改和變化。例如，作為一個(gè)實(shí) 施例的一部分而被顯示或被描述的特征可供另一實(shí)施例使用，以產(chǎn)生又一實(shí)施例。因而，本 發(fā)明將覆蓋這種修改和變化，這種修改和變化在權(quán)利要求和其等效范圍內(nèi)。如圖1中所示，風(fēng)電廠200包括多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100。各個(gè)渦輪機(jī)100通常包括 安裝在塔架104頂部上的外罩102的殼體。外罩102通常包括發(fā)電機(jī)、控制器和其它相關(guān) 聯(lián)的設(shè)備。塔架104的高度是基于以下更詳細(xì)描述的各種因素而選擇的，并且可延伸至高 達(dá)60米或更高的高度。風(fēng)力渦輪機(jī)100可安裝在任何有機(jī)會(huì)接近具有所需風(fēng)力條件的區(qū) 域的地形上。該地形可能變化很大，并且可包括，但不局限于多山的地形或離岸位置。風(fēng)力 渦輪機(jī)100還包括轉(zhuǎn)子106，其包括一個(gè)或多個(gè)連接在旋轉(zhuǎn)的輪轂110上的轉(zhuǎn)子葉片108。 本發(fā)明所需要的轉(zhuǎn)子葉片108的數(shù)量并沒(méi)有特別的限制。多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100優(yōu)選由中央控制器201進(jìn)行控制和/或監(jiān)測(cè)。信號(hào)203可傳 遞給風(fēng)力渦輪機(jī)100和/或從風(fēng)力渦輪機(jī)100傳回，以提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和/或控制信號(hào)。電 廠200中的風(fēng)力渦輪機(jī)100的數(shù)量不是受限制的因素，但通常由各種考慮的組合來(lái)確定。風(fēng) 電廠200設(shè)置成提供組合的功率輸出。參看圖2，所示風(fēng)電廠處于由邊界線304界定的風(fēng)力渦輪機(jī)場(chǎng)所300中。場(chǎng)所300 包括設(shè)置于其中的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100。場(chǎng)所300包括一個(gè)或多個(gè)不同的區(qū)域。在所示的 實(shí)施例中，表示出了區(qū)域A、B和C。區(qū)域A-C可由因素的任何組合來(lái)限定，但各個(gè)區(qū)域通 常表示了場(chǎng)所300中的某一地區(qū)，在該地區(qū)中多個(gè)渦輪機(jī)位置會(huì)承受共同的風(fēng)力條件和約 束。各個(gè)區(qū)域A-C包括設(shè)置在各種地形上的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100。該地形包括海拔等高線 301，其描繪了在場(chǎng)所300或給定區(qū)域中的海拔的變化。表面粗糙度由線302表示，并且代 表地被物和其對(duì)相應(yīng)區(qū)域A-C中的風(fēng)力條件的影響。要考慮的一個(gè)重要的地形因素是顯著 的房屋或工業(yè)建筑的存在，例如附近城市或居住地區(qū)305。場(chǎng)所300可包括任何形式的禁止區(qū)域303，其可能是出于任何原因都不能使風(fēng)力 渦輪機(jī)定位于其上的湖泊、不穩(wěn)定的土壤、荒涼的地形、受保護(hù)的陸地區(qū)域或其它地區(qū)。此外場(chǎng)所300可能包括或緊密靠近噪聲敏感地區(qū)，例如地區(qū)305，其可能包括家庭、商業(yè)、自然 保護(hù)區(qū)或其它對(duì)于噪聲敏感或不能容忍噪聲或接近風(fēng)力渦輪機(jī)100的地區(qū)。應(yīng)該懂得包括 噪聲敏感地區(qū)305在內(nèi)的禁止區(qū)域303可能包括任何對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)100、風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu) (例如塔架104)或相關(guān)結(jié)構(gòu)或風(fēng)電廠的支撐要素(例如進(jìn)出道路或保護(hù)柵欄、候鳥(niǎo)路線、各 種動(dòng)物棲息地區(qū)的還原考慮等等)的存在、風(fēng)電廠所產(chǎn)生的噪聲或任何其它與風(fēng)電廠存在 相關(guān)的因素相對(duì)敏感或不能容忍的地區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的方面，提供了一種用于確定風(fēng)電廠場(chǎng)所300中的風(fēng)力渦輪機(jī)布局的 方法，其中多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100產(chǎn)生組合的功率輸出。參照?qǐng)D3的流程圖，該方法包括在步 驟400中確定對(duì)于電廠場(chǎng)所的任何形式的約束。如上面論述的那樣，這種約束可能包括限 定的禁止區(qū)域303、噪聲敏感地區(qū)305和總體來(lái)說(shuō)位于場(chǎng)所300中或其附近的對(duì)于風(fēng)力渦輪 機(jī)100的存在是敏感或不能容忍的任何地 區(qū)。圖4表示用于確定特定電廠場(chǎng)所的約束和禁止區(qū)域的步驟400的更詳細(xì)的流程， 并且展示了在確定這種約束或禁止區(qū)域時(shí)可能考慮到的因素的非窮盡的列表。例如，步驟 402表示考慮場(chǎng)所300中或其附近的任何噪聲禁止區(qū)域。步驟404表示考慮場(chǎng)所300中的 可能限制風(fēng)力渦輪機(jī)100的布置或分組的地形和地勢(shì)約束。步驟406表示考慮可能禁止風(fēng) 力渦輪機(jī)100的布置的結(jié)構(gòu)、建筑物、住所周?chē)鹊?。步驟408表示考慮場(chǎng)所300中或其附 近的任何形式的土地使用約束。一旦已經(jīng)確定電廠場(chǎng)所的約束，那么就在步驟450中限定該場(chǎng)所中的至少一個(gè)或 多個(gè)區(qū)域(圖3)。如上面參照?qǐng)D2所述，這些不同的區(qū)域A、B和C可由因素的任何組合來(lái) 限定，其中各個(gè)區(qū)域總體地表示了該場(chǎng)所300中的某一地區(qū)，在該地區(qū)中多個(gè)渦輪機(jī)位置 會(huì)承受共同的風(fēng)力條件和約束。應(yīng)該懂得，場(chǎng)所300可能只包括一個(gè)區(qū)域，或者可包括多個(gè) 區(qū)域，如圖2中所示。各個(gè)區(qū)域A-C包括設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域的地形和地勢(shì)上的多個(gè)可能的風(fēng) 力渦輪機(jī)位置。在圖3的步驟500中，對(duì)于各個(gè)確定的區(qū)域確定風(fēng)力狀態(tài)。參看圖5，在預(yù)測(cè)這些 區(qū)域中的預(yù)期的風(fēng)力狀態(tài)時(shí)可考慮任何因素。例如，步驟502顯示了考慮特定區(qū)域中的風(fēng) 速和風(fēng)向。步驟504表示考慮相應(yīng)區(qū)域中的風(fēng)的切變。步驟506表示考慮特定區(qū)域的氣溫 和壓力。步驟508表示考慮對(duì)于這些區(qū)域所確定的極端風(fēng)力可能性。應(yīng)該懂得，任何給定 區(qū)域或整個(gè)場(chǎng)所的風(fēng)力狀態(tài)可通過(guò)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所知并所使用的任何傳統(tǒng)方法來(lái) 確定，包括使用商業(yè)上可獲得的軟件程序、歷史氣象數(shù)據(jù)和任何其它類(lèi)型的可用于得出場(chǎng) 所300和尤其是不同區(qū)域A-C的精確的風(fēng)力資源評(píng)估的工具或信息。應(yīng)該懂得，圖5中所 示的步驟和因素是非窮盡的，而且在確定相應(yīng)區(qū)域中的風(fēng)力狀態(tài)時(shí)可考慮多個(gè)附加因素或 考慮事項(xiàng)。再次參看圖3，一旦已經(jīng)確定特定區(qū)域的風(fēng)力狀態(tài)，就利用各個(gè)區(qū)域中的各種渦輪 機(jī)位置上的尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力狀態(tài)進(jìn)行建模。尾流建模算法或程序可用于預(yù)測(cè)給定區(qū)域中的 單獨(dú)渦輪機(jī)所經(jīng)受的累積的尾流效應(yīng)。尾流效應(yīng)是在該區(qū)域中的各個(gè)所確定的位置累積布 置其它風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)果，并且將影響任何一個(gè)相應(yīng)位置上的風(fēng)力渦輪機(jī)100所經(jīng)受的實(shí) 際的風(fēng)力條件。尾流效應(yīng)的初始建?？赡芑谠搮^(qū)域中的所有渦輪機(jī)都具有一致的轉(zhuǎn)子高 度的前提上。尾流建模理論在本領(lǐng)域中是已知且被使用過(guò)的，并且包括例如Jensen模型和 Ainslie模型。WindFarmer 包含渦流粘度尾流模型(基于Ainslie模型)，而WindPro 利用Park尾流模型(基于Jensen模型)。在本發(fā)明的實(shí)踐中可使用這些程序或相似程序的 尾流建模函數(shù)。一旦已經(jīng)對(duì)尾流效應(yīng)建模，那么就在圖3和圖6的步驟600中針對(duì)區(qū)域中的各個(gè)渦輪機(jī)位置計(jì)算或確定實(shí)際的風(fēng)力。尾流效應(yīng)應(yīng)用于所確定的風(fēng)力狀態(tài)，以預(yù)測(cè)相應(yīng)渦輪 機(jī)位置上的實(shí)際的風(fēng)力條件。在圖3的步驟650中，一旦計(jì)算出相應(yīng)渦輪機(jī)位置上的實(shí)際的風(fēng)力，就在步驟650 中確定該區(qū)域中的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配置和位置。在該區(qū)域中各個(gè)確定的風(fēng)力渦輪機(jī)位置 上，選擇風(fēng)力渦輪機(jī)的配置以增強(qiáng)該位置的風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出。這個(gè)過(guò)程包括選擇渦輪機(jī) 輪轂高度，其依據(jù)針對(duì)該渦輪機(jī)位置所預(yù)測(cè)的實(shí)際的風(fēng)力條件而最大限度地減小特定位置 上的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的尾流損失。因?yàn)樨?fù)面的尾流效應(yīng)是在確定相應(yīng)的渦輪機(jī)位置上的實(shí) 際的風(fēng)力條件時(shí)所考慮的因素，所以可選擇渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂高度，以便最大限度地減小尾 流損失。應(yīng)該懂得，因?yàn)闇u輪機(jī)輪轂高度是針對(duì)區(qū)域中的各種渦輪機(jī)位置而選擇的，所以 在其它位置的實(shí)際的風(fēng)力條件可由于變化的尾流效應(yīng)而改變。例如，最初可基于一致的轉(zhuǎn) 子輪轂高度而對(duì)尾流效應(yīng)進(jìn)行建模。隨著輪轂高度變化，尾流效應(yīng)也發(fā)生變化。因此，在改 變了一個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂高度之后，可能需要對(duì)其它的渦輪機(jī)位置的尾流效應(yīng)進(jìn)行 建模。這個(gè)過(guò)程如圖3中的箭頭655所示。參看圖6，應(yīng)該懂得，可能需要額外考慮多個(gè)渦輪機(jī)配置因素。例如，如上面論述的 那樣，步驟652表示需要選擇渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂高度，以便最大限度地減小負(fù)面尾流效應(yīng)。步 驟654表示考慮特定區(qū)域中的最小渦輪機(jī)間距要求。步驟656表示考慮特定區(qū)域所需要的 功率輸出，其將影響該區(qū)域中的渦輪機(jī)的尺寸或數(shù)量。步驟658表示考慮可定位在任何給 定的區(qū)域中的最大渦輪機(jī)數(shù)量，其可能是步驟654的最小渦輪機(jī)間距要求和步驟656的每 個(gè)區(qū)域的功率輸出的一個(gè)因素。步驟660表示考慮靠近可能禁止或限制布置特定尺寸或功 率輸出的渦輪機(jī)的區(qū)域的噪聲禁止區(qū)域。步驟662表示考慮可能影響該區(qū)域中的渦輪機(jī)的 類(lèi)型、數(shù)量和配置的成本和任何其它經(jīng)濟(jì)限制。步驟664表示考慮任何給定的風(fēng)力渦輪機(jī) 的設(shè)計(jì)負(fù)載裕度、以及負(fù)載裕度對(duì)于滿足該區(qū)域的功率輸出的組合的影響。從圖6中應(yīng)該 懂得，除了渦輪機(jī)輪轂高度的選擇之外還可考慮最大限度地減小相應(yīng)渦輪機(jī)的最終配置中 的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的尾流損失的多個(gè)因素或因素的組合。再次參看圖3，一旦已經(jīng)確定所有單獨(dú)的渦輪機(jī)配置，就在步驟700中為場(chǎng)所300 產(chǎn)生初始的風(fēng)力渦輪機(jī)布局方案。這種初始的風(fēng)力渦輪機(jī)布局方案因而將該場(chǎng)所中的各個(gè) 區(qū)域作為一群?jiǎn)为?dú)的渦輪機(jī)進(jìn)行處理，其依據(jù)實(shí)際的風(fēng)力條件確定各個(gè)渦輪機(jī)的配置以最 大限度地增加單獨(dú)渦輪機(jī)的功率輸出，包括最大限度地減小負(fù)面尾流效應(yīng)的特定的轉(zhuǎn)子輪
轂高度。在圖3和圖7的步驟800中，根據(jù)本發(fā)明的方面而產(chǎn)生的初始的風(fēng)力渦輪機(jī)布局 方案可用作最終的場(chǎng)所方案，或者可用作進(jìn)一步的過(guò)程的基礎(chǔ)。例如，這里產(chǎn)生的初始方 案可用作被商業(yè)上可獲得的程序，例如上面本公開(kāi)的背景技術(shù)部分中所論述的WindPro 、 WindFarmer 或WindFarm 程序所進(jìn)一步利用的基本方案。進(jìn)一步的增強(qiáng)可包括在步驟802 中考慮的整體電廠能量產(chǎn)出需求，以及在步驟804中考慮整個(gè)電廠經(jīng)濟(jì)模型。在步驟806 中可考慮用戶設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以及在步驟808中考慮任何其它設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。應(yīng)該懂得，初始風(fēng)力渦輪機(jī)布局方案的進(jìn)一步增強(qiáng)并不局限于多個(gè)準(zhǔn)則或準(zhǔn)則的組合。
本發(fā)明還包含一種風(fēng)電廠，在該電廠中的風(fēng)力渦輪機(jī)的布置和風(fēng)力渦輪機(jī)的配置 是根據(jù)本文所述的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而在這方面，本發(fā)明包含一種圖2中所示類(lèi)型的風(fēng)電 廠，其中場(chǎng)所300中的至少一個(gè)區(qū)域是根據(jù)本方法進(jìn)行配置的。雖然已經(jīng)參照其特定的示范性實(shí)施例和方法詳細(xì)描述了本發(fā)明主題，但是應(yīng)該懂 得，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員在獲得前文的理解下可以很容易對(duì)這種實(shí)施例做出變更、變化和 等效。因此，本公開(kāi)的范圍是作為示例而非限制而提供的，并且本公開(kāi)不排除包含本領(lǐng)域中 的普通技術(shù)人員容易領(lǐng)會(huì)的這些對(duì)本主題的變更、變化和/或增加。
權(quán)利要求
一種用于確定風(fēng)電廠(200)中的風(fēng)力渦輪機(jī)布局的方法，其中多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)產(chǎn)生組合的功率輸出，所述方法包括確定電廠場(chǎng)所(300)的約束，并且在所述場(chǎng)所中限定至少一個(gè)區(qū)域(A-C)用于布置多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)；確定所述場(chǎng)所的區(qū)域中的風(fēng)力狀態(tài)；在所述區(qū)域的可能的位置上通過(guò)利用相應(yīng)位置上的尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力狀態(tài)進(jìn)行建模而確定實(shí)際的風(fēng)力條件，所述尾流效應(yīng)是由于在所述區(qū)域的各種位置上累積布置其它風(fēng)力渦輪機(jī)而引起的；以及依據(jù)各個(gè)單獨(dú)位置上的實(shí)際的風(fēng)力條件而選擇所述區(qū)域中單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配置和位置以增強(qiáng)所述單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出，所述渦輪機(jī)配置的選擇包括選擇渦輪機(jī)輪轂高度，所述選擇渦輪機(jī)輪轂高度能夠依據(jù)所述渦輪機(jī)位置上的實(shí)際風(fēng)力條件而降低所述單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的尾流損失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述場(chǎng)所(300)的約束的步驟包括為 了放置風(fēng)力渦輪機(jī)(100)而考慮在所述場(chǎng)所中限定禁止區(qū)域的因素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述區(qū)域(A-C)中的風(fēng)力狀態(tài)的步驟 包括對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)的切變、風(fēng)湍流強(qiáng)度、空氣密度和氣象條件的任何組合的評(píng)估。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域(A-C)中的風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的 數(shù)量是依據(jù)單獨(dú)渦輪機(jī)之間的最小所需間距、所選擇的渦輪機(jī)配置的設(shè)計(jì)負(fù)載裕度、針對(duì) 所述區(qū)域(A-C)的功率輸出要求以及成本約束等的任何組合而確定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述選擇渦輪機(jī)配置的步驟還包括選擇 轉(zhuǎn)子面積、轉(zhuǎn)子葉片輪廓、轉(zhuǎn)子葉片槳距、渦輪機(jī)控制和設(shè)計(jì)負(fù)載裕度的任何組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在選擇所述單獨(dú) 渦輪機(jī)的位置和配置之后對(duì)所述風(fēng)力渦輪機(jī)布局應(yīng)用其它的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以進(jìn)一步改進(jìn)電廠 (200)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述場(chǎng)所(300)中確定 多個(gè)不同的區(qū)域(A-C)，并且確定所述區(qū)域中的風(fēng)力狀態(tài)、確定所述渦輪機(jī)位置上的實(shí)際風(fēng) 力條件、以及依據(jù)各個(gè)單獨(dú)位置的實(shí)際風(fēng)力條件而選擇所述區(qū)域中的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配 置和位置的步驟是在各個(gè)區(qū)域中執(zhí)行的，并且其中，確定實(shí)際風(fēng)力條件的步驟包括對(duì)所述 場(chǎng)所的其它區(qū)域中的渦輪機(jī)所引起的影響相應(yīng)的不同區(qū)域中的實(shí)際風(fēng)力條件的尾流效應(yīng) 進(jìn)行建模。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括在后續(xù)的電廠增強(qiáng)中利用所選擇 的風(fēng)力渦輪機(jī)的位置和配置作為初始的風(fēng)力渦輪機(jī)布局。
9.一種包括電廠場(chǎng)所(300)的風(fēng)電廠(200)，所述電廠場(chǎng)所(300)包括至少一個(gè)區(qū)域 (A-C)，所述區(qū)域(A-C)在相應(yīng)的渦輪機(jī)位置上具有多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)，所述多個(gè)風(fēng)力 渦輪機(jī)(100)配置成用于產(chǎn)生組合的功率輸出，并且其中，所述渦輪機(jī)位置是根據(jù)權(quán)利要 求1至5中的任一項(xiàng)所述的方法來(lái)確定的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)電廠(200)，其特征在于，在所述電廠場(chǎng)所中還包括多個(gè) 不同的所述區(qū)域(A-C)，各個(gè)所述區(qū)域在相應(yīng)的渦輪機(jī)位置上具有多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，所述多 個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)配置成用于為所述電廠產(chǎn)生組合的功率輸出，各個(gè)所述區(qū)域中的所述風(fēng)力渦輪機(jī)具有依據(jù)各個(gè)所述渦輪機(jī)位置上的實(shí)際風(fēng)力條件而確定的相對(duì)于彼此的位置和配置， 所述實(shí)際風(fēng)力條件依據(jù)所述場(chǎng)所的風(fēng)力狀態(tài)和所述相應(yīng)的渦輪機(jī)位置上的尾流效應(yīng)，所述 尾流效應(yīng)是由于在所有所述區(qū)域中累積布置其它風(fēng)力渦輪機(jī)而引起的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)具有多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)電廠布局的方法。風(fēng)電廠中的風(fēng)力渦輪機(jī)的布局和配置包括確定電廠場(chǎng)所的約束(400)，并在該場(chǎng)所中限定至少一個(gè)區(qū)域用于布置多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(450)。確定該場(chǎng)所中的該區(qū)域中的風(fēng)力狀態(tài)(500)。通過(guò)在相應(yīng)的風(fēng)力渦輪機(jī)位置上利用尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力狀態(tài)進(jìn)行建模(550)可確定該場(chǎng)所中各種可能的風(fēng)力渦輪機(jī)位置上的實(shí)際的風(fēng)力條件(600)。然后在該區(qū)域中依據(jù)各個(gè)單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)位置的實(shí)際風(fēng)力條件而選擇區(qū)域中的單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的配置和位置(650)，從而優(yōu)化單獨(dú)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出。
文檔編號(hào)F03D1/00GK101876289SQ201010175289
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者C·H·貢德林 申請(qǐng)人:通用電氣公司