用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法制造方法及图纸

根据本发明专利技术的一些方面，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。根据本发明专利技术的一些方面，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。根据本发明专利技术的另一些方面，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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提高风力发电系统的效率的系统、装置和方法相关申请本申请根据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。
本专利技术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。
技术介绍
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[1]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。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。
技术实现思路
本专利技术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。在本专利技术的一些方面中，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。本专利技术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。根据本专利技术的一些方面，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。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。根据本专利技术的一些方面，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。根据本专利技术的其它方面，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。根据本专利技术的一些方面，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，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.22 US 61/466,4421.一种风力涡轮机，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，所述一个或多个气流部件位于所述舱的外部，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，以便减小尾流效应。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或扩散器。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三分之一。5.根据权利要求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所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个气流部件包括涡轮机。12.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涡旋发生器。13.根据权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机，其中，转子组件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组件上的后部位置上。14.根据权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括支撑结构。15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构包括塔架。16.根据权利要求15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气流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。17.根据权利要求1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。18.根据权利要求16或17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。19.根据权利要求1至5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。20.根据权利要求1至5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。21.根据权利要求1至5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。22.根据权利要求1至5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。23.根据权利要求1至5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风力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。24.根据权利要求1至5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。25.根据权利要求1至5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轴或毂组件的一个或多个在旋转平面外的叶片。26.根据权利要求25所述的风力涡轮机，其中，所述一个或多个在旋转平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轴或毂组件。27.根据权利要求1至5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。28.一种风力场，所述风力场包括根据权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机。29.一种风力场，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上游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；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器安装在所述一个或多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以控制所述一个或多个气流部件。30.根据权利要求29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风力涡轮机的下游尾流角和风速度场。31.一种风力场，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂舒清，
申请(专利权)人：塔夫斯大学，
类型：
国别省市：