CN101331316B - 带有流动表面的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增加风力涡轮机的输出的方法，其中一个或多个流动表面被放置在风力涡轮机处。在低风速下，所述流动表面被设置以向上朝着和/或离开风力涡轮机的转子引导风并且因此使用转子中的文丘里效应的优点。在高风速下，所述流动表面完全或部分避开风的流动。而且，所述流动表面可以基于风速和风向的测量和/或风力涡轮机的功率信号围绕风力涡轮机被调节。本发明进一步涉及一种系统，其包括一个或多个流动表面和用于调节所述流动表面以便可以通过使用如上所述的文丘里效应的优点最大化风力涡轮机的输出的装置。

Description

带有流动表面的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种增加风力涡轮机的输出的方法，其包括设置风力涡轮机的至少一个流动表面。本发明进一步涉及一种用于增加风力涡轮机的输出的系统和以这样的系统为特征的风力涡轮机。 

背景技术

当设计和构造风力涡轮机时，最大地利用风能的设备输出是重要参数。为此风力涡轮机带有各种设备以用于一方面将风引导到涡轮机的转子，并且另一方面通过使用所谓的文丘里效应的优点增加转子前、后的风的速度。文丘里效应描述在流过具有缩窄部分的管道时发生的效应，其中当横截面积减小时流动加速。因此，文丘里效应包括在缩窄部分前面的加速效应和在产生亚大气压之后的散流效应。 

例如从JP 2004 052721可知一种风力涡轮机，其配备有围绕转子的散流器或漏斗。散流器的形状导致风的速度增加并且因此可以通过散流器从风中引出效应。该原理执行顺利并且涡轮机的输出可以显著增加。然而，新式风力涡轮机的尺寸现在太大，并且转子直径超过100m使得匹配它们的相应的大散流器不能实现，一方面是由于将由风力涡轮机塔架承载的负荷增加，另一方面是由于在高风速例如暴风雨天气的情况下漏斗上的负荷变得太强大，以致于结构不能承受而不管涡轮机是否以另外方式避开风。后一方面也适用于带有较小转子直径的较小风力涡轮机。 

而且，已知(例如从US 2004/0113431和CA 2 439 420)将带有竖直旋转轴的风力涡轮机布置在带有一直围绕转子布置的竖直防护物或颤动物(shudder)的塔架结构内。在这里防护物保证涡轮机能够在所有风向下工作，而且它们能够在强风中完全切断或显著减小风并且因此用于保护涡轮机。为了起作用，防护物或塔架具有超过转子的高度，并且因而类似地，它们可以仅仅在相对小的风力涡轮机的情况下实现，原因在于一方面它们将使大风力涡轮机占据景观中的大量空间，并且另一方面它们将不能应付由于高风速产生的负荷。

而且，随着时间试图通过将风力涡轮机适当地放置在景观中甚至通过使周围景观适应风力涡轮机使风力涡轮机的输出最大化。因此，已知将风力涡轮机布置在山丘上，所述山丘的形状尤其被开垦和修改成能够最大地增加朝着涡轮机的风速。然而，从土地所有者的观点来看这样的开垦常常是完全不可能或不可取的。 

WO02/068817披露了将人造山丘布置在风力涡轮机附近，该人造山丘为静止部件并且不能在高风速期间移动。 

WO2004/011799披露了在风力涡轮机前面定位静止被动轮廓(passive profiles)。 

在上述两个文件中，必需进行折衷以避免在风力涡轮机上的极端负载，该极端负载能在极大风期间损坏风力涡轮机。 

发明内容

本发明的目标是提供一种增加风力涡轮机的输出的方法，其通过利用所谓的文丘里效应的优点，但是以这样的方式使得避免风力涡轮机上的极端负荷的上述问题。 

因此，本发明涉及一种增加风力涡轮机的输出的方法，其包括放置至少一个流动表面，使得在低风速下所述流动表面被调节以通过朝着和/或离开风力涡轮机的转子引导风产生文丘里效应，和使得在高风速下所述流动表面至少部分避开风流动。 

因此实现该有利方面的原因在于通过风力涡轮机的转子的风流过显著增加，并且因此它的功率生产和输出也增加。在低风速的情况下这是特别有利的，其中风力涡轮机被设计成最大化它的功率输出。同时它由根据本发明的方法实现的原因在于流动表面可以在高风速下避开风或者以另外方式离开流动，由此流动表面将不增加风流过，并且 因此不增加风速范围内的风负荷，其中它试图最小化或限制风力涡轮机上的负荷。类似地，也可以因此避免高风负荷对流动表面的构造产生危险，同时避免流动表面尺寸被确定成这样的大负荷。后者因此必然伴有流动表面的材料的相当节省。根据本发明的方法的进一步显著优点在于它与风力涡轮机无关。因此，流动表面可以与所有风力涡轮机结合被放置，与类型，年份，地基类型等无关，并且因此它并不分 摊风力涡轮机的重量或者影响其平衡等等。所以一个或多个流动表面因此也可以在风力涡轮机的情况下被安装或随后被安装而不需要接着在上面安装附属设备。 

根据本发明的实施例，所述至少一个流动表面可以被放置在所述风力涡轮机和/或放置在第一风力涡轮机前面的第二风力涡轮机处。例如在风力发电厂的情况下后者与放置在相同区域中的两个或以上风力涡轮机结合是有利的。在风向或多或少地沿着一排风力涡轮机延伸的情况下，第一风力涡轮机的尾流将影响下一个涡轮机的效率。流动表面放置在一个风力涡轮机处导致风朝着下一个风力涡轮机的转子允许增加其功率输出。在涉及放置在海洋上的风力涡轮机时这是特别有利的。 

本发明进一步涉及一种根据上面用于增加风力涡轮机的输出的方法，其中使至少一个流动表面至少部分避开风的流动，原因在于将所述流动表面沿着地面躺倒或者原因在于它被折叠或卷起。也如上所述，这是有利的，原因在于所述流动表面能够以简单的方式抵抗甚至是暴风雨天气或强风环境并且类似地，保证它们将不增加在风力涡轮机上的风负荷，这在某些情况下是极其有害的。而且，本发明描述了一种用于导致防护物离开风的简单操作，其可以以简单的方式被设计和配置而不需要复杂或昂贵的专用设备。 

一种方法涉及一种增加风力涡轮机的输出的方法，其进一步包括测量风的方向并且根据所述风的方向相对于风力涡轮机放置所述至少一个流动表面和/或测量风的速度并且根据其调节所述流动表面。因此可以最佳地同时相对于风和风力涡轮机调节和定位所述流动表面，但是仍然与风力涡轮机无关。所以这是有利的，原因在于风力涡轮机和流动表面的控制和调节之间的连接因此变得多余，这可以另外使所述方法明显更麻烦并且增加它的成本。 

根据本发明的进一步实施例，从风力涡轮机接收功率信号以根据其设置所述至少一个流动表面。由此来自风力涡轮机的控制系统的信息可以用来有益于调节流动表面，并且与流动表面的控制结合的附加 的空气流量计可以被省略。 

本发明也涉及一种增加风力涡轮机的输出的系统，其包括至少一个流动表面，所述流动表面被放置成使得在低风速下所述流动表面将通过朝着和/或离开风力涡轮机的转子引导风产生文丘里效应，并且所述系统进一步包括用于调节所述流动表面使得在高风速下所述流动表面将至少部分避开流动的装置。因此实现了上面根据本发明的方法给出的优点。 

根据进一步实施例所述至少一个流动表面被放置在所述风力涡轮机和/或位于第一风力涡轮机前面的第二风力涡轮机处。 

本发明的一个实施例描述了一种根据上面的系统，其中用于设置所述至少一个流动表面或多个流动表面的装置包括至少一个液压马达或电动马达。因此所述流动表面的设置可以以简单的方式被调节。 

根据另一个实施例，所述系统包括风速指示器或风向计。这些优点在上面被叙述。 

根据一个实施例所述系统包括至少一个流动表面，所述流动表面被安装以围绕风力涡轮机可旋转，例如通过安装在轨道，浮桥或轮船上。通过这样的设备允许可以相对于风力涡轮机最佳地设置流动表面而不管风的当前方向。 

根据另一个实施例，所述系统包括所述至少一个流动表面被安装在地面和/或水面上并且高度对应于从那里到风力涡轮机的转子的最低部分的距离或以下。这是有利的，原因在于在该情况下流动表面并不增加风力涡轮机的重量。同时它们的有限尺寸意味着在恶劣天气条件下防护物未暴露于相同的强大负荷，所以它们可以被制造成带有更小尺寸。同时与防护物具有与风力涡轮机的高度相当的高度的情况相比它们将给人留下不太巨大的视觉印象。 

根据又一实施例，所述系统包括所述至少一个流动表面由复合塑料材料，例如玻璃纤维或碳纤维制造，或者由帆布制造。这是有利的原因在于描述相对便宜的材料，由此可以最小化生产成本，以及很轻的材料，由此可以改变或保持使用较小功率的设定。 

根据另一个实施例，所述系统包括所述系统被连接到风力涡轮机的控制系统以用于接收设置所述至少一个流动表面的信号。因此提供关于转子平面内的平均风速的信息的风力涡轮机的功率信号被用于有益于最佳地设置所述流动表面，由此致使所述系统上的独立空气流量计多余。 

根据本申请的发明进一步涉及一种风力涡轮机，其包括如一个或多个上述元件所述用于增加风力涡轮机的输出的系统。该些优点在上面被描述。 

最后，本发明也涉及如上所述的一种用于增加风力涡轮机的输出的方法的用途。 

附图说明

在下面将参考附图描述本发明，其中： 

图1示出了可以怎样使用文丘里效应以有益增加通过风力涡轮机的转子的风的速度； 

图2显示了根据本发明布置在风力涡轮机前面和后面的流动表面。 

图3显示了风力涡轮机的典型功率曲线和通过使用根据本发明的流动表面可以怎样优化它； 

图4和5显示了从上面和从前面以倾斜视角看到的本发明的进一步实施例，其中流动表面布置在风力涡轮机的前面和后面； 

图6显示了从上面看到的风力涡轮机，具有能够围绕涡轮机旋转的流动表面。 

图7-8显示了根据本发明的流动表面的不同实施例；和 

图9显示了流动表面的备选位置，其中几个风力涡轮机被布置成一组。 

具体实施方式

图1显示了通过利用文丘里效应的优点可以怎样改变围绕风力涡 轮机100的流动条件，由此可以增加通过风力涡轮机的转子101的风的速度，并且由此可以相应地增加输出。风从较大区域朝着转子101输送并且再次在转子后面离开，如箭头102所示。如果风力涡轮机100的转子101布置在缩窄管道103内部，管道的形状必然使流过速度增加，原因是压力下降，如伯努利(Bernoulli)方程所述。 

如引言部分中所述，将漏斗或散流器安装在如图1中所示的现代风力涡轮机上是不可实现的，首先是因为尺寸和随后在构造上的确保负荷，即使在中等风力条件进行时。然而，通过将防护物或流动表面201在转子前面和后面布置在地面(或水面)上并且定向成使得它们将风的流动向上朝着或离开转子引导和因此产生文丘里效应，风流过速度并且因此风力涡轮机的输出也可以显著增加。这在图2中被显示，其中显示了风力涡轮机100，从侧面看，两个流动表面201分别布置在风力涡轮机100前面和后面一段距离处。最前防护物或板202被布置成向上朝着转子101引导和指导流动的一种类型的人造山丘，由此风的速度增加。防护物从在前面的表面被提升一小段距离并且允许一小部分流动穿过防护物下方，以便由此避免泥土和灰尘被直接旋转带入转子。类似地，最后流动表面或板203被布置成构成散流器的一部分并且控制风离开转子以便在转子101后面形成亚大气压。该防护物也从表面被提升一段距离以便一部分流动经过防护物下方。然而风流过的这样增加仅仅在低风速的情况下是有利的，其中如在图3的上下文中也将要论述的，风力涡轮机尺寸被确定成最大化功率输出和设备的生产率。相反地，在高风速的情况下，风力涡轮机尺寸被确定成为了最小化涡轮机上的风负荷，并且在最好的情况下，速度增加流动表面是不利的，在最坏的情况下，它们可能是在长期运转中损坏风力涡轮机的间接原因。为了避免该情况，流动表面被构造成使得它们可以在高风速的情况下如图2中所示通过两个液压马达204和箭头205躺下。因此也可以实现的是板不需要根据由高风速产生的相应高负荷和功率影响确定尺寸。流动表面201的设置和取向可以通过本领域技术人员已知的各种方法和设备被调节和控制。 

图3示意性显示了风力涡轮机的典型功率曲线300(带有全拉线)。曲线300显示了作为风速v的函数的实现功率P。风力涡轮机在速度为V₀的初始风下开始产生功率，并且功率输出从那里以递增风速的步幅增加直到速度V₁。在该区域301中，风力涡轮机被构造成最大化风力涡轮机的功率输出和生产率。在风速V₁的情况下，风力涡轮机输出最大效应P_max。该速度的大小取决于各种因素，例如财务因素，例如包括发电机的尺寸和放置风力涡轮机处的局部风力条件。从风速V₁ 开始直到停止风V₂，风力涡轮机被构造成输出或多或少的恒定最大效应P_max。实际上可以在高风速的情况下被恢复的附加效应通常未被开发，原因在于一方面，与这样的高风速发生的频率相比它不是有利可图的，另一方面，相应的更大风负荷必然以更强的齿轮，塔架，发电机等的形式产生附加产生成本。在该区域302中，在V₁和V₂之间的速度下，风力涡轮机因此通常被构造成最小化在风力涡轮机上的负荷。 

通过放置和利用根据本发明的一个或多个表面，与额定风速相比，通过转子的风流过速度增加。因此可以实现的是风力涡轮机可以已经在相应的低风速V₀₊下如图3中的虚曲线303所示开始产生功率。风力涡轮机的输出将由于流动表面在低风速下增加，并且最大效应P_max 将在低风速V₁₊下被获得。在风速高于如上所述风力涡轮机被构造成输出恒定最大效应P_max的情况下，并且在该情况下，流动表面在这里避开风或例如如图2的上下文中所述躺下以便不必要地一方面增加风力涡轮机上的负荷，另一方面同样地增加流动表面上的负荷。 

图4显示了从上面看到的带有其转子101的风力涡轮机100。在风力涡轮机的前面在地平面上或附近，布置有根据本发明的流动表面201，类似于图2中所示的实施例，所述流动表面充当在风力涡轮机前面的山丘并且向上朝着转子101引导风102。流动表面201在这里由相对于彼此成角的几个板组成，所述板组合以形成假想文丘里管道的弧形底部的一部分，转子布置在管道的缩窄部分中，并且有助于集中空气的流动和因此加速它。虚线401标示了怎样可以导致流动表面201躺下和因此避开流动102。在该实施例中，流动表面如旋转箭头402 所示关于最前边缘倾斜，但是当然所述板可以躺下或以本领域技术人员显而易见的许多其他方式被去除。 

图4也显示了流动表面201怎样可以有利地放置在风力涡轮机100后面。在所示实施例中，流动表面201被安装成使得它们形成围绕风力涡轮机的假想文丘里管道的壁的一部分并且如箭头102所示输送和引导空气流出转子101。由此转子后面的压力减小，并且在转子的流过速度增加，随后确保功率输出增加。本发明的又一重要方面在于当风速超过指定大小时，流动表面201可以躺下或避开风，并且理想的是改为最小化风力涡轮机上的风负荷。所以根据一个实施例，最后流动表面201可以类似于最前的一个如图4中的旋转箭头402所示躺下，但是同样地，它们可以仅仅避开风。根据一个实施例，流动表面的系统借助于测量风的速度的风速指示器被连接，并且基于此，流动表面的位置或设置被控制；它们将处于风中并且形成文丘里效应还是将避开风。 

根据本发明的一个备选实施例，流动表面由帆布或由风保持完全或部分伸展的类似织物制造，并且借助于撑杆或类似物固定在它们的预期位置。在风力涡轮机的前面，流动表面因此可以借助于降落伞状或风筝状结构被制造，所述结构在风中被保持在与风力涡轮机的高度相当的高度。膨胀面因此构成文丘里管道的最上部分的一部分并且从上向下和向内朝着转子输送风。以类似方式，降落伞状面可以用在转子后面，其由风保持部分伸展，形成对应于图2的最后流动表面203的山丘状形状。 

在图5中再次显示了在风力涡轮机后面的流动表面201的可能位置，这次从前面以倾斜角度看。流动表面201在这里被配置成弧形板或防护物。根据本发明的流动表面的一个优点在于它们可以被制造成独立产品并且围绕任何类型的风力涡轮机被布置，与其尺寸，生产类型等无关。有利地防护物可以布置或建造在地面(或在涉及海洋上的风力涡轮机的情况下为水面)上，并且因此不会影响风力涡轮机的重量。 

图6显示了从上面看到的本发明的一个实施例的风力涡轮机100，其中许多流动表面201布置在围绕风力涡轮机延伸的轨道601上。因此可以实现的是防护物201可以围绕风力涡轮机旋转并且因此相对于风的方向和风力涡轮机的取向最佳地被调节。根据一个实施例，气流偏转防护物的系统可以包括风向计，防护物可以基于该风向计相对于涡轮机被调节。防护物的控制因此可以完全独立于风力涡轮机的控制而发生，这显著简化了流动表面的放置并且显著减小了系统的成本。 

如果将结合海洋上的风力涡轮机建立流动表面，这可以以对应于上面的方式进行，仅有的修改在于防护物例如布置在固定到海洋上的风力机的塔架的浮桥或类似物的系统上，以便它们相对于支配风向被最佳地固定定位或者使得它们可以围绕塔架旋转和遵循风的方向。备选地防护物可以安装在锚泊的轮船上或者与放置在近侧的波浪能设备结合。 

图7-8显示了根据本发明的气流偏转防护物201的流动表面的不同实施例。图7描绘了由在铰链轴702中组合的板段701制成的流动表面201。因此防护物可以如箭头703所示被折叠并且由此避开风，这在高风速的情况下是有利的。折叠可以例如借助于电动马达被控制。在这个以及前述的实施例中，流动表面可以有利地由复合塑料材料制造，例如玻璃或碳纤维材料。备选地防护物可以由金属材料或木材制造。 

根据图8中所示的进一步实施例，流动表面201由帆布材料801制造，并且在该情况下，面在两个或以上支柱或支杆802之间膨胀。在这里，流动表面201可以以类似于轮船上的帆的方式被设置和后掠。可以通过安装支柱802进一步调节面的设置，使得它们例如可以借助于液压或电动马达被倾斜。 

图9显示了本发明的进一步实施例，其中一个或多个流动表面201用于增加一组风力涡轮机100的功率吸收和工作效率。当转子101处于另一转子的尾流中时它的效率降低。海洋上的风力涡轮机的工作效率(由风力发电站的总产量除以风轮机的数量和除以单一涡轮机在单 独时的输出给出)主要取决于风的方向，当风与涡轮机的排列平行地吹动时工作效率减小。这样的一个例子是风力发电站Horns Rev，其具有90.5％的总工作效率，但是在指定风向的情况下它的工作效率降低到65％。由空气和水之间的温度差异导致的自然热气流(竖直移动的气流)可以使风力发电厂的工作效率增加大约5％(从65％到70％)，这是由于一个风力涡轮机的尾流被破坏，原因是在风被向上输送到下一个转子的情况下，在风加速的同时发生尾流中漩涡的更大程度的冲失。由于一个流动表面201放置在一个转子101后面，如图9中所示，从转子101下方吹的风被向上输送到风力涡轮机的尾流中，并且产生人造热气流，由此所述人造热气流冲失漩涡，将风向上引导到下一个转子910并且增加其性能。例如，流动表面201可以安装在地基或塔架的最低部分上并且可以在高风速的情况下如箭头205所示水平地倾斜。流动表面这样放置在位于前面的风力涡轮机的最大效应在海洋上的离岸风力发电厂实现，在该情况下风流比在陆上的情况更分层。 

应当理解在本描述和附图中教导的本发明可以进行修改或变化，同时仍然包括在由以下权利要求赋予的保护范围内。 

Claims (16)

1.一种增加水平轴的逆风风力涡轮机(101)的输出的方法，所述风力涡轮机(101)具有沿着垂直于风向旋转的三叶片转子，所述方法包括设置至少一个流动表面(202)，其特征在于，使得在低风速下所述流动表面(202)被调节以通过朝着和/或离开所述风力涡轮机的转子引导风产生文丘里效应，并且使得在高风速下通过沿着地面使所述流动表面躺倒而使所述流动表面至少部分避开风的流动。

2.根据权利要求1所述的增加水平轴的逆风风力涡轮机的输出的方法，其特征在于，所述至少一个流动表面放置在第二风力涡轮机(100)旁，以影响到位于第一风力涡轮机前面的第二风力涡轮机的风的流动。

3.根据权利要求1或2所述的增加水平轴的逆风风力涡轮机的输出的方法，其特征在于，进一步包括测量风的方向并且根据所述风的方向相对于风力涡轮机放置所述至少一个流动表面。

4.根据权利要求1或2所述的增加水平轴的逆风风力涡轮机的输出的方法，其特征在于，进一步包括测量风的速度并且根据该风的速度设置所述至少一个流动表面。

5.根据权利要求1或2所述的增加水平轴的逆风风力涡轮机的输出的方法，其特征在于，进一步包括从风力涡轮机接收功率信号以根据该功率信号设定所述至少一个流动表面。

6.一种增加水平轴的逆风风力涡轮机(101)的输出的系统，所述风力涡轮机(101)具有沿着垂直于风向的方向旋转的三叶片转子，所述系统包括至少一个流动表面(202)，所述流动表面被布置成使得在低风速下所述流动表面通过朝着和/或离开风力涡轮机的转子引导风产生文丘里效应；并且所述系统进一步包括用于设置所述流动表面使得在高风速下所述流动表面将至少部分避开风的流动的装置(204)，其特征在于，所述至少一个流动表面被安装在地面和/或水面上并且高度对应于从地面和/或水面到风力涡轮机的转子的最低部分的距离或以下。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面放置在第二风力涡轮机旁，以影响到位于第一风力涡轮机前面的所述第二风力涡轮机的风的流动。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，用于设置所述至少一个流动表面的装置包括至少一个液压马达或电动马达。

9.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，进一步包括风速指示器。

10.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，进一步包括风向计。

11.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面被安装以围绕风力涡轮机可旋转。

12.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面通过安装在轨道、浮桥或轮船上以围绕风力涡轮机可旋转。

13.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面由复合塑料材料制成。

14.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面由玻璃纤维或碳纤维制成。

15.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动表面由帆布制造。

16.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述系统被连接到风力涡轮机的控制系统以用于接收用于设定所述至少一个流动表面的信号。 

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