CN113167241A - 风力涡轮机发电场 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了风力涡轮机发电场，该风力涡轮机发电场包括：多个可转向的风力涡轮机，每个涡轮机均具有涡轮机直径，其中，多个可转向的风力涡轮机被分成多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每一个方向均与多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，所述多个模块被分成放置在多个固定集合位置的集合。在一些实施例中，多个模块中各个模块间的间隔不小于约6个涡轮机直径，并且不超过约15个涡轮机直径。

Description

风力涡轮机发电场
背景技术
可以从风中提取的能源量与转子的表面积成正比。为了增加可产生的能源量并利用规模经济，风力涡轮机的叶片变得越来越长。但是风力涡轮机已经变得如此之大，达到了可行性的极限。
图1是对常规风力涡轮机100的现有技术说明。如图所示，常规风力涡轮机100包括叶片102，机舱104，轮毂108，以及单管塔106。常规风力涡轮机的升降结构通常会是单管塔。为了在常规的风力涡轮机中产生更多的能量，叶片必须做得越来越长。目前，最大的常规风力涡轮机正在进行原型测试，并将很快上市，其功率为12兆瓦，叶片长度为107米，轮毂-机舱高度约为250米。而这需要一个非常坚固且昂贵的单管塔。这些很长或很重的部件十分昂贵，并且很难运输和组装。这些非常大的常规风力涡轮机扫过的大直径区域会产生很大的尾流顺风，因此常规风力发电场中常规风力涡轮机之间应保持较大间隔，从而减少可从固定表面积中提取的总风能。此外，常规风力涡轮机会因飞行中死亡的动物、闪电和结冰天气状况而受到损坏并缩短其使用寿命。常规风力涡轮机在高风速下也会停止运转。图1进一步说明了常规风力涡轮机如何应对风向的变化。如图所示，为应对风向112A，机舱104和轮毂108绕单管塔106旋转(110A)，使得叶片102垂直于风向112A。此外，为应对风向112B，机舱104和轮毂108绕单管塔106旋转(110B)，使得叶片102垂直于风向112B。
图2是对常规风力涡轮机阵列200的现有技术说明。如图所示，常规风力涡轮机阵列是一个2x2矩阵，具有4个风力涡轮机，分别为：202A、202B、202C和202D。风力涡轮机通过支撑结构206支撑在单管塔204上。重要的是，相邻的涡轮机202A和202B沿轴线210固定对齐。机舱212固定在支撑结构206上，并且不会相对于支撑结构206旋转，而是随着支撑结构206相对于单管塔204旋转，转而利用支撑结构206来捕获风。机舱支撑轮毂208，轮毂208相对于机舱212旋转，以支撑叶片214，并使叶片随风旋转。由于采用这种排列方式，相邻的涡轮机都以一个特定的风向为导向，如下图3-5所示。
图3是对常规风力涡轮机阵列300的现有技术说明。如图所示，风力涡轮机308A和308B沿轴线304排列，并以风向306为导向。如标线302所示，通过旋转风力涡轮机阵列300来正确定向。图4是对常规风力涡轮机阵列400的现有技术说明。如图所示，风力涡轮机408A和408B沿轴线404排列，并以风向406为导向。如标线402所示，通过旋转风力涡轮机阵列400来正确定向。图5是常规风力涡轮机阵列500的现有技术说明。如图所示，风力涡轮机508A和508B沿轴线504排列，并以风向506为导向。如标线502所示，通过旋转风力涡轮机阵列500来正确定向。图6是对常规风力涡轮机600的现有技术说明，所述涡轮机带有机舱601，用于支撑叶片607和轮毂606。机舱601支撑并封装支撑轴承605，高速变速箱603和发电机604。其他较重部件(图中未显示)有时也封装在机舱内。单管塔602支撑着机舱601，使得机舱601可以旋转以适应风向的变化。
因此，本发明提出风力涡轮机发电场。
发明内容
以下给出了本发明一些实施例的简要概述，便于对本发明的基本理解。该发明内容不是对本发明的广泛综述。其并不旨在标识本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些实施例，作为下面给出的更详细描述的序言。
因此，提出了风力涡轮机发电场，包括：多个可转向的风力涡轮机，每个涡轮机均具有涡轮机直径，其中，所述多个可转向的风力涡轮机被分成多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每一个方向均与多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，所述多个模块被分成放置在多个固定集合位置的集合。在一些实施例中，多个模块中各个模块间的间隔不小于约6个涡轮机直径，并且不超过约15个涡轮机直径。在一些实施例中，所述多个固定集合位置包括：沿第一轴线定向的第一固定集合位置；沿第二轴线定向并与所述第一轴平行的第二固定集合位置，其中，位于所述第二固定集合位置的每一个集合相对于所述第一固定集合位置的集合旋转180度。在一些实施例中，所述多个模块中的每一者均是至少两个可转向风力涡轮机的矩阵，其中，所述矩阵选自由2x1矩阵、2x2矩阵、2x3矩阵和2x4矩阵组成的组。在一些实施例中，所述多个可转向风力涡轮机中的每一个都是垂直可转向的。在一些实施例中，所述多个可转向风力涡轮机中的每一个都是水平可转向的。
在其他实施例中，用于配置区域风力涡轮机发电场的方法包括：
创建所述区域的玫瑰图，所述玫瑰图以图形方式示出所述区域的多种风的特征；分析所述玫瑰图以确定多个盛行风向；将多个集合放置在多个固定集合位置，其中，所述多个集合中的每个机组包括：多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每个方向均与所述多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，所述多个模块中各个模块间的间隔不小于约6个涡轮机直径，并且不超过约15个涡轮机直径，其中所述多个模块中的每个模块包括：多个可转向的风力涡轮机，每个涡轮机均具有涡轮机直径。在一些实施例中，所述分析所述玫瑰图包括：基于第一最高风向和风速概率分布确定第一盛行风向；基于第二最高风向和风速概率分布确定第二盛行风向，其中，所述第二最高风向和风速概率分布等于或小于所述第一最高风向和风速概率分布；基于第三最高风向和风速概率分布确定第三盛行风向，其中，所述第三最高风向和风速概率分布等于或小于所述第二高风向和风速概率分布。
在其他实施例中，运行风力涡轮机发电场的方法包括：转向当前涡轮机，其中所述当前涡轮机是多个可转向风力涡轮机中的一个，并且每个可转向风力涡轮机都具备其特有的直径，其中，所述多个可转向的风力涡轮机被分成多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每一个方向均与多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，所述多个模块被分成放置在多个固定机组位置的机组；基于一个或多个顺风涡轮机的存在来确定涡轮机控制模式；基于所述涡轮机控制模式转动所述当前涡轮机。在一些实施例中，所述转向包括：确定所述当前涡轮机的风向；设置所述当前涡轮机的方位角和转向；确定所述当前涡轮机的空转状态。在一些实施例中，所述确定所述涡轮机控制模式包括：如果当前涡轮机的所述空转状态为空转，将当前涡轮机的所述涡轮机控制模式设置为迎风干扰模式；基于风向属性设置当前涡轮机目标输出。
说明书中描述的特征和优点没有全部包括在内，并且特别地，鉴于附图、说明书和权利要求书，许多其他特征和优点对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而选择的，并可能未被选择来描绘或限制本发明的主题。
附图说明
在附图中以示例而非限制的方式示出了本发明，其中相同的附图标记指代相似的元件，其中：
图1是常规风力涡轮机的现有技术说明；
图2是常规风力涡轮机阵列的现有技术说明；
图3是常规风力涡轮机阵列的现有技术说明；
图4是常规风力涡轮机阵列的现有技术说明；
图5是常规风力涡轮机阵列的现有技术说明；
图6是常规风力涡轮机的现有技术说明；
图7是本发明实施例提供的的风力发电场涡轮机模块的示意图；
图8是本发明实施例提供的的风力发电场涡轮机模块的示意图；
图9是本发明实施例提供的与不同风向对应的涡轮机转向的示意性顶视图；
图10是本发明实施例提供的风玫瑰示意图；
图11是本发明实施例提供的风力发电场机组初始配置的示意图；
图12是本发明实施例提供的风力发电场的示意图；
图13是本发明实施例提供的风力发电场机组的示意图；
图14是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图；
图15是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图；
图16是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图；
图17是本发明实施例提供的风力发电场配置方法的说明性流程图；
图18是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图；
图19是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图；
图20是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图；
图21是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的表和控制图的示意图；
图22是本发明实施例提供的无风道风力涡轮机的示意图；
图23是本发明实施例提供的无风道风力涡轮机的示意图；
图24是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图25是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图26是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图27是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图28是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图29是本发明实施例提供的驱动元件示意图；
图30是本发明实施例提供的轮毂元件示意图；
图31是本发明实施例提供的轮毂元件示意图；
图32是本发明实施例提供的非举升风道风力涡轮机的示意图；
图33是本发明实施例提供的风力涡轮机的内部元件示意图；
图34是本发明实施例提供的风道辅助风力涡轮机的示意图；
图35是本发明实施例提供的风力涡轮机支持元件的示意图；
图36是本发明实施例提供的辅助支撑环风力涡轮机模块的示意图；
图37是本发明实施例提供的垂直轴线风力涡轮机模块的示意图；
图38是本发明实施例提供的风力发电场机组的示意图；
图39是本发明实施例提供的风力发电场的示意图。
具体实施方式
现将参考如附图所示本发明的一些实施例来详细阐述本发明。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下来实践本发明。在其他示例中，为了不会不必要地模糊本发明，则没有详细描述公知的工艺步骤和/或结构。
在其他情况下，还可以引用特定的数字，如“第一材料”。但是，具体的数字引用不应被解释为文字顺序，而是解释为“第一材料”不同于“第二材料”。因此，所阐述的具体细节仅仅是示例性的。具体细节可在本发明的精神和范围内变化，并仍然可预期在本发明的精神和范围内。术语“联接”被定义为意味着直接连接到组件或通过另一个部件间接连接到部件。此外，如本文所用，对于任何数值或范围，术语“约”、“近似”或“基本上”表示合适的尺寸公差，其允许部件的一部分或集合起到如本文所述的预期目的的作用。
以下对各种实施例进行了阐述，包括方法和技术。谨记，本发明也可能涵盖包括计算机可读介质在内的制成品，在所述计算机可读介质上存储有用于执行本发明技术实施例的计算机可读指令。计算机可读介质包括，例如，半导体、磁、光磁、光学或其他形式的计算机可读介质，用于存储计算机可读代码。此外，本发明还包括用于实施本发明实施例的装置。所述装置可以包括专用和/或可编程电路，用于执行与本发明实施例有关的任务。所述装置的例子包括适当编程时的通用计算机和/或专用计算设备，并且可以包括适用于与本发明实施例有关的各种任务的计算机/计算设备和专用/可编程电路的组合。
术语
矩阵：在本发明中，矩阵一词是指风力涡轮机的数量及其配置。例如，涡轮机的2x2矩阵是指沿着模块宽度的两个涡轮机和沿着模块高度的两个涡轮机。在本发明实施例中，可以不受限制地使用任意数量的矩阵配置。
模块：在本发明中，模块一词指的是一组可转向风向涡轮机，它们围绕自身的垂直方位轴旋转成风。涡轮机分组被用来提高小型涡轮机的效率，并优化布局和方向。
机组：在本发明中，机组是指一组模块。一个机组由一个模块、两个模块、三个模块(优选)、四个或多个模块构成。一个机组中的模块相对于彼此放置，并且相对于最佳风向放置。模块分组被用来减少来自相邻机组的风干扰，并最大限度地覆盖给定表面积的模块。
方位角：在本发明中，方位角是指可转向风力涡轮机的水平转向。水平转向用于将风力涡轮机定向在罗盘方向，以便捕获最佳风能，并定向风力涡轮机以减少风对邻近和顺风涡轮机的干扰。
高度：在本发明中，高度是指可转向风力涡轮机的垂直转向。垂直转向或转向被用来减少风对邻近和顺风涡轮机的干扰。
最佳风向角：在本发明中，最佳风向角是指最迎合盛行风的模块方位。最佳风向角与模块垂直，并与模块所面向的盛行风对齐，在大多数情况下为正负15度，必要时可达正负25度，以提高机组的总效率。
涡轮机可用风力范围：在本发明中，涡轮机可用风力范围是指在一个模块中，逆风涡轮机尾流不进入相邻顺风涡轮机转子的两个最大风向角之间的范围。
在本发明提供的实施例中，使用多个较小的风力涡轮机转子来代替单个大型风力涡轮机转子。可转向的风力涡轮机实施例被配置成围绕各自的垂直和水平轴线旋转，因此转子的平面大致保持平行，但并不总是在同一平面上。不幸的是，这种配置会对一些风力涡轮机转子以及某些风向上直接顺风的其他风力涡轮机转子产生尾流干扰。。为了克服尾流干扰，在一个实施例中，我们在2×2的矩阵中并排使用两个涡轮机，并在同一模块中使用两个高涡轮机。在一些实施例中，可能需要两个以上的涡轮机转子并排并且高于两个涡轮机，但这种配置限制了在同一模块中可直接排成直线的紧密间隔涡轮机的数量，这导致了尾流干扰。
同时，在实施例中，模块被分组。在一个实施例中，三个模块为一组，虽然在某些条件下一组会包括更多或更少的模块。在一些实施例中，对大多数应用程序来说，三个模块可能是最佳数量。在三模块组中，12个涡轮机可以代替一个大型常规风力涡轮机。该配置还允许对模块进行物理定位，以减少同组中其他模块的尾流干扰。对12个转子来说，多个涡轮机的直径可以仅为代替组单个大转子的29％。此外，在一个风电场位置上，一组模块相对于彼此和盛行风向放置，这样每次只有一个模块的风力涡轮机转子可以直接嵌入，从而产生尾流干扰。
此外，当同一个模块中的两台涡轮机定向为其中一台直接位于另一台后面时，控制实施例会调整叶片桨距，以显著减少顺风涡轮机产生能源，从而减少了顺风涡轮机上的湍流应力，使得逆风涡轮机以接近满负荷的速度发电。其他控制方法也可以不受限制地应用，以最大限度地提高能量输出或减少涡轮机压力。这就减少了2x2矩阵中不产生全功率的转子的数量。此外，在一些实施例中，多个组被安装以创建风力发电场。设置组，使组和模块之间的尾流干扰最小化。
现有实施例呈现出不同的组合和配置，包括：
两个涡轮机并排排列(优选)，或两个以上涡轮机并排排列；
两个涡轮机或三个高涡轮机，四个高涡轮机，或四个以上高涡轮机均安装在同一模块上；
非单极结构(优选)，或单极子结构；
开放式转子、中性非举升风道或带有空气动力学升力的风道以加大能量提取；
位于风道而不是轮毂中的机械元件，以代替变速箱，轮毂中的90度角齿轮将变速箱移至结构，或轮毂中的变速箱；
俯仰控制(优选)，或非俯仰控制；
轮毂前支撑元素，或无轮毂前支撑元素；
垂直旋翼平面调整(垂直方向)用于尾流转向，或不进行垂直旋翼平面调整；
太阳能屋顶，非太阳能屋顶，或无屋顶；
保护元素，或无保护元素；以及
带有或不带有空气动力学升力的第二个圆周环或风道。
图7是本发明实施例的风力发电场涡轮机模块的示意图。特别地，图7示出了模块700的顶视图710、前视图720和侧视图730。如图所示，模块包括4个涡轮机，分别为722、724、726和728，它们位于安装在支撑结构740中的2x2矩阵。在实施例中，在不背离本文提供的实施例的情况下，模块可包括任意矩阵配置中的任意数量的涡轮机。例如，本领域技术人员很容易认识到：一个模块可以包括以2x1矩阵配置的两个涡轮机；另一模块可以包括以2x3矩阵配置的6个涡轮机；又一模块可以包括以2x4矩阵配置的8个涡轮机等。以这种方式，可以选择模块以优化给定位置的发电。
在实施例中，每个涡轮机都可以独立转向。如图所示，涡轮机可绕轴线704A和704B转向，如方位转向702A和702B所示。另外，涡轮机可绕轴线706A和706B转向，如高度转向708A和708B所示。本实施例进一步说明了固定模块定向轴线712，其与实施例中的风力发电场的初始配置相对应。风力发电场的配置将在图11-图13中详细讨论。本实施例进一步说明了涡轮机叶片722。如图所示，每个涡轮机包括三个涡轮机叶片。然而，如本领域技术人员可以理解的，在实施例中，涡轮机可以不受限制地包括两个或两个以上涡轮机叶片。
图8是本发明实施例的风力发电场涡轮机模块的示意图。特别地，图8示出了模块800的顶视图810、前视图820和侧视图830。另外，图8还示出了适用于风力发电场涡轮机模块实施例的各种组件。如图所示，模块800包括防止飞行动物和碎片干扰涡轮机的防护装置802。防护装置可以不受限制地包括栅栏或网。本实施例进一步说明了太阳能收集装置804，它可以增加电力生产或向控制元件供电。本实施例进一步说明了806级电子元件。然而，电子元件可以不受限制地安装在模块内或沿模块的任何位置。
图9是本发明实施例提供的与不同风向对应的涡轮机转向的示意性顶视图。如风向910A所示，模块900包括固定模块方位轴线920。可以看出，无论处于何种风向，模块900的固定模块定向轴920都保持不变。对于风向910A，将涡轮机方位从902A定向到轴线904A，以使涡轮机与风向保持一致。同样地，对于风向910B，将涡轮机方位从902B定向到轴线904B，以使涡轮机与风向保持一致。同样地，对于风向910C，将涡轮机方位从902C定向到轴线904C，以使涡轮机与风向保持一致。同样地，对于风向910D，将涡轮机方位从902D定向到轴线904D，以使涡轮机与风向保持一致。需要注意的是，只有当风向910A与固定模块取向轴920垂直时，涡轮机才会朝向同一平面。在所有其他风向，涡轮机不会朝向同一平面，但会与它们的平面近似平行。这种配置与转向和转动相结合，可以对风进行更有效的利用。
图10是本发明实施例提供的风玫瑰图的说明。如本领域所已知，风玫瑰是气象学家使用的图形工具，用来简要介绍风速和风向在特定位置的典型分布情况。使用极坐标系统网格，通过风向绘制一段时间内的风频率，用色带显示风速范围。最长的辐条方向显示出现频率最高的风向。如图所示，基于风玫瑰1000，本实施例示出了三个盛行风向：1002、1004和1006。在一些实施例中，三个盛行风向之一是主盛行风向或具有最高风势的风向。为了清楚地呈现和理解本文公开的实施例，本实施例示出了风玫瑰图。图中风玫瑰所代表的数据并不是实际数据，而是用来说明风力发电场实施例是如何配置和操作的。
图11是本发明实施例提供的风力发电场机组的初始配置的示意性顶视图。特别地，图11示出了对应于玫瑰图的固定风向上的三个模块的机组(见图10)。如图所示，机组1100包括三个模块：1110(M1)、1120(M2)和1130(M3)。方便起见，机组可以被指定为S1，S2和S3等。另外，模块可以被指定为M1，M2和M3。还可以将其他可转向风力涡轮机指定为T1，T2，T3等。因此，在大型风力发电场配置中，可以基于名称S3.M2.T4(第三机组第二个模块中的第四个可转向风力发电机)找到特定的可转向风力涡轮机。将在整个公开发明中使用该命名。如图所示，三个模块被等距放置，并在固定的模块位置上隔开大约10个涡轮机直径的距离。在实施例中，在固定的模块放置中，模块的放置距离不小于约6个涡轮机直径，并且不大于约15个涡轮机直径。如本文所用，涡轮机直径是由可转向的风力涡轮机叶片旋转所形成的圆的直径。在实施例中，可转向的风力涡轮机的直径约在50至100米范围内。在实施例中，一个机组包括3个模块，它们彼此间隔120°被放置在固定模块位置。在实施例中，一个机组包括4个模块，它们彼此间隔90°被放置在固定模块位置。
在所示实施例中，每个模块都有一个与盛行风向相对应的固定风向和由玫瑰图确定的模块风向轴1118。简要参考图10，玫瑰图1000包括三个盛行风向：1002、1004和1006。回到图11，可以看到模块M1 1110具有相对于盛行风向1002的固定模块风向106°和相对于设定风向轴线1118的固定模块风向106°，在这种情况下，模块M1 1110平行于风向1002；模块M2 1120具有相对于盛行风向1004的固定模块风向96°和相对于设定风向轴线1118的固定模块风向115°；并且模块M3 1130具有相对于盛行风向1006的固定模块风向69°和相对于设定风向轴线1118的固定模块风向134°。在实施例中，每个模块风向与其对应的正负15度范围内的盛行风向被调整为相差大约90°(正负15度范围内)，以便其余盛行风向尽可能地落在涡轮机可用风力范围内。通过这种方式，一个机组中的每个模块都指向一个相应的盛行风向，并对其余盛行风向作出最佳折衷。另外，针对特定的盛行风向，与该特定的盛行风向相对应的同一模块中的可转向风力涡轮机处于近似平行的平面中，因此，针对特定的盛行风向，风力涡轮机被最佳定向。在实施例中，如本文所利用和说明的，最佳风向角1140相对于模块风向1148为90度，从而确定了最佳风向1144。因此，最佳风向角垂直于模块1146和所述模块风向1148。在实施例中，涡轮机模块被定向在最佳风角15度以内。在一些实施例中，涡轮机模块被定向在最佳风向25度以内。另外，涡轮机可用风力范围1142是指在一个模块中，逆风涡轮机尾流不进入相邻顺风涡轮机转子的两个最大风向角之间的范围。
图12是本发明实施例提供的风力发电场1200的示意图。另外，图12还包括在风力发电场1200上安装常规单涡轮机1250的实施例。因此，对于本发明所公开的实施例，在实施例中涡轮机组的增加密度被证明优于常规构造，并且在地球表面上每单位面积会产生更多的能量。如图所示，风力发电场包括多个组1202，每个组均位于固定的位置上。涡轮机直径机组的集合沿着例如轴线1204和1206对齐，在实施例中，这些轴线是平行的。例如，集合1208沿轴线1204对齐。另外，如图所示，集合1210沿着轴1206对齐。重要的是，每个集合1210相对于集合1208中的模块旋转180°。这种模式下，在不同机组的模块之间可以保持大约6到15个涡轮机直径的距离。如上所述，涡轮机直径是由可转向的风力涡轮机叶片旋转所形成的圆的直径。保持不同机组模块之间的距离可以减少来自顺风和逆风涡轮机的潜在尾流干扰。
图13是本发明实施例提供的风力发电场机组1300的示意图。特别地，图13是机组1212(图12)的展开图。如图所示，机组S7 1300包括模块M1 1302、M2 1306和M3 1310。如前所述，模块基于风向设置为固定风向。因此，模块M1 1302被放置在与盛行风向1320相对应的固定方向上。图10列举了一个盛行风向的例子。如图所示，模块M1 1302被放置在与盛行风向1320相对应的固定方向，并位于涡轮机模块可用风力范围1304内。如图所示，模块M21306被放置在与盛行风向1322相对应的固定方向，并位于涡轮机可用风力范围1308内。同样如图所示，模块M3 1310被放置在与盛行风向1324相对应的固定方向，并位于涡轮机可用风力范围1312内。因此，每个模块都朝向一个特定的盛行风向，与最佳风向成正负15度角，从而使模块的最佳效率在盛行风向下最大化。模块内其余的盛行风向应位于模块的涡轮机可用风力范围内(见1142，图11)，以使其余盛行风向的效率最大化。如上所述，在实施例中，模块的最佳风向与模块分配的盛行风向保持一致(偏差保持在正负15度内)，基于折中方案，其余盛行风向落在涡轮机可用风力范围内。在某些情况下，有必要允许模块最佳风向和盛行风向之间存有正负25度的偏差，以便其余盛行风向落在涡轮机可用风力范围内。另外，涡轮机可用风力范围是指在一个模块中，逆风涡轮机尾流不进入相邻顺风涡轮机转子的两个最大风向角之间的范围。
图14是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图。特别地，图14显示了对图13的模块M1 1302的干扰模式。如图所示，模块S7.M1 1400被放置在与盛行风向1402相对应的固定方向上。进一步地，可以看到机组S3 1404、S8 1406和S6 1408与模块S7.M1 1400相邻，并且包括受干扰模式1420影响的模块。另外，与S7.M1 1400位于相同机组的模块S7.M21414和S7.M3 1416也受到了干扰模式1420的影响。在实施例中，受模块干扰模式影响的所有涡轮机之间间隔约10个涡轮机直径或更少。远大于大约10个涡轮机直径的涡轮机，例如机组S4 1412和S2 1410中的涡轮机未被纳入该模块的控制系统分析中，因此这些干扰模式未被显示。对于间距小于或大于10个直径的模块和风力发电场的布局，所选间距用于确定哪些涡轮机是干扰涡轮机，而哪些不是干扰涡轮机。
图15是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图。特别地，图15显示了对图13的模块M2 1306的干扰模式。如图所示，模块S7.M2 1500被放置在与盛行风向1502相对应的固定方向上。进一步地，可以看到机组S6 1504、S11 1506和S10 1508与模块S7.M2 1500相邻，并且包括受干扰模式1520影响的模块。另外，与S7.M2 1500位于相同机组的模块S7.M11514和S7.M3 1516也受到了干扰模式1520的影响。在实施例中，受模块干扰模式影响的所有涡轮机之间间隔约10个涡轮机直径或更少。远大于10个涡轮机直径的涡轮机，例如机组S12 1512和S8 1510中的涡轮机未被纳入该模块的控制系统分析中，因此这些干扰模式未被显示。
图16是本发明实施例提供的模块干扰模式的示意图。特别地，图16显示了对图13的模块M3 1310的干扰模式。如图所示，模块S7.M3 1600被放置在与盛行风向1602相对应的固定方向上。进一步地，可以看到机组S8 1604、S11 1608和S12 1606与模块S7.M3 1600相邻，并且包括受干扰模式1620影响的模块。另外，与S7.M3 1600位于相同机组的模块S7.M11614和S7.M2 1616也受到了干扰模式1620的影响。在实施例中，受模块干扰模式影响的所有涡轮机之间间隔约10个涡轮机直径或更少。远大于大约10个涡轮机直径的涡轮机未被纳入该模块的控制系统分析中，因此这些干扰模式未被显示。
风力发电场配置方法
图17是本发明实施例提供的风力发电场配置方法的说明性流程图1700。在第一步骤1702中，所述方法为指定为风力发电场实施例的区域创建了玫瑰图。以上针对图10详细公开了玫瑰图。一般来说，玫瑰图是用图形来描述给定区域风的一些特征。在实施例中，风特征包括：风向、风速和风持续时间。基于这些风的特征，所述方法继续进行到步骤1704，通过分析风图来确定盛行风向。在实施例中，盛行风向基于高风向和风速概率分布。在许多地区，可以发现若干盛行风向具有相同或不同的方向和风速概率分布。例如，如图10所示的三个盛行风向：1002、1004和1006，其中盛行风向1002的风向和风速概率分布最高，盛行风向1004和1006的风向和风速概率分布较低。在一些实施例中，会发现至少一个高风向和风速概率分布。
回到图17，在下一步骤1706中，所述方法以如图11所示的固定模块取向对模块进行定向。在实施例中，每个模块的朝向与其相应的盛行风向呈大约偏差正负15°的90°夹角(最佳风角)，以便在可能的情况下，其余盛行风向可以落在涡轮机可用风力范围内。因此，一个机组中的每个模块都指向一个相应的盛行风向。对于每个盛行风向，所有可转向风力涡轮机都近似平行，因此，针对该风向进行了最佳定向。
回到图17，在下一步骤1708中，如图12所示，所述方法将机组模块置于固定机组位置。在图12中，机组的集合沿着例如轴线1204和1206对齐，在实施例中，这些轴线是平行的。例如，集合1208沿轴线1204对齐。另外，如图所示，集合1210沿着轴1206对齐。重要的是，每个集合1210相对于集合1208中的模块旋转180°。这种模式下，在不同机组的模块之间可以保持大约6到15个涡轮机直径的距离。涡轮机直径在实施例中，机组包括放置在固定模块位置上的一个或多个模块。各个机组的模块置于如图11所示的固定模块位置。如图11所示，三个模块被等距放置，并在固定的模块位置上隔开大约10个涡轮机直径的距离。在实施例中，在固定的模块放置中，模块的放置距离不小于约6个涡轮机直径，并且不大于约15个涡轮机直径。
风力发电场控制方法
图18是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图1800。特别地，流程图1800示出了风力发电场控制方法的概述。因此，在第一步骤1802，所述方法设置初始条件，并确定当前涡轮机的状态。如本发明所用，当前涡轮机是正在通过本文所公开的方法进行检查的涡轮机。步骤1802将在下图19中详细讨论。在下一步骤1804中，所述方法确定涡轮机控制模式，并继续到步骤1806，转动当前涡轮机。步骤1804和1806将在下图20中详细讨论。在下一步骤1808中，所述方法选取下一个涡轮机并继续执行步骤1802。
图19是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图1900。特别地，流程图1900进一步示出了与步骤1802(图18)对应的方法。因此，在第一步骤1902中，所述方法确定了当前涡轮机的风向。在实施例中，风向可以不受限制地以本领域中已知的任何方式来确定。在下一步骤1904，所述方法设置了当前涡轮机的方位角和转向。在实施例中，利用例如图21中所示的列表数据。图21是本发明实施例提供的控制风力发电场的方法的表格和控制图示意图。在图21中，表1(2100)包括用于本发明提供的方法的列表数据。表1(2100)包括风向数据2102、转向数据2104、顺风涡轮机数据2106、空转设定值数据2108、控制模式数据2110和涡轮机内径数据2112。因此，对于确定的风向，可以利用风向数据2102找到相应的转向数据2104，从而在步骤1904中设置当前涡轮机的方位角和转向。
在下一步骤1906中，所述方法确定了当前涡轮机的空转状态。空转状态由图21中的表1(2100)确定。如图所示，控制模式数据2110包括一个“IDLE”状态。因此，从表中可以看出，对于给定风向(即，90°)，当前的涡轮机被设置为“IDLE”。所述方法继续到步骤1908，以确定当前的涡轮机是否被设置为“IDLE”。如果所述方法在步骤1908中确定当前的涡轮机被设置为“IDLE”，所述方法继续到步骤1910，在图20中进一步说明。如果所述方法在步骤1908中确定当前的涡轮机没有被设置为“IDLE”，所述方法继续到步骤1912，在图20中进一步说明。
图20是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的说明性流程图2000。特别地，流程图2000进一步示出了与步骤1908和步骤1910(图19)对应的方法。因此，对于步骤2002的(A)路径，所述方法确定当前涡轮机被设置为“IDLE”后，将当前涡轮机设置为逆风干扰模式。逆风干扰模式表明存在由逆风涡轮机引起的逆风干扰。在下一步骤2004中，所述方法继续基于例如表1(2100，图21；见2108)中的列表数据来设置当前涡轮机的输出目标。(A)路径方法，然后结束。
对于步骤2006中的(B)路径，在所述方法确定当前涡轮机未被设置为“IDLE”之后，所述方法基于当前涡轮机的风向从列表数据，例如表1(2100，图21)中确定存在一个顺风涡轮机。顺风涡轮机数据2106指示相对于当前涡轮机和风向是否存在顺风涡轮机。在下一步骤2008中，所述方法确定所述同一模块中是否存在顺风涡轮机。如前所述，涡轮机可以在矩阵中配置。在一些风向下，同一矩阵内的涡轮机可能相互干扰。如果所述方法在步骤2008中确定所述同一模块中存在顺风涡轮机，所述方法继续到步骤2010，将顺风涡轮机的状态设置为“IDLE”。在一些实施例中，状态被制成表格，如表3(2120，图21)所示。所述方法继续到步骤2012，读取当前风速。如果所述方法在步骤2008中确定所述同一模块中不存在顺风涡轮机，所述方法继续到步骤2012，读取当前风速。在下一步骤2014中，所述方法确定顺风涡轮机是否处于小于当前涡轮机的15个涡轮机直径范围内。如果所述方法在步骤2014中确定小于当前涡轮机的15个涡轮机直径范围内没有顺风涡轮机，则继续到步骤2016，将当前涡轮机设置为非干扰模式。在该步骤中，要么不存在顺风涡轮机，要么顺风涡轮机位于距离当前涡轮机大于15个涡轮机直径的距离，因此不会对任何顺风涡轮机造成尾流干扰。所述方法继续到以下讨论的步骤2022。
如果所述方法在步骤2014中确定小于当前涡轮机的15个涡轮机直径范围内存在顺风涡轮机，则继续到步骤2018，将当前涡轮机设置为顺风干扰模式。所述方法继续到步骤2020，将顺风涡轮机输出添加到当前涡轮机输出，以便基于当前涡轮机和顺风涡轮机输出总量进行调整。所述方法继续到步骤2022，基于例如表2(2150，图21)所示的列表数据中的风速设置当前涡轮机能量输出控制器目标，所述方法结束。转到图21，表2包括风速数据2152、非干扰模式数据2154、顺风干扰模式数据2156，其中包括控制当前涡轮机输出的输出设定值。为了清楚起见，针对本发明设想的各种控制模式提供下表A：
Figure BDA0003068804380000131
表A
图21是本发明实施例提供的风力发电场控制方法的表和控制图。如图所示，表1(2100)包括风向数据2102、转向数据2104、顺风涡轮机数据2106、空转设定值数据2108、控制模式数据2110和涡轮机内径数据2112。进一步示出表2(2150)，其包括风速数据2152、非干扰模式数据2154、顺风干扰模式数据2156，其中包括控制当前涡轮机输出的输出设定值。进一步示出表3(2120)，其中包括所有涡轮机的当前状态模式2122，因为控制器对其进行了修改。另外，表4(2140)包括所有涡轮机当前的动态能量输出，因为控制器随风速和风向的变化对涡轮机进行了调整。可以看出，各个表格的数据利用本发明公开的方法将输入提供给输出控制器2130。
图22是本发明实施例提供的无风道风力涡轮机2200的示意图。特别地，图22示出了无风道风力涡轮机2200的顶视图2210、前视图2220和侧视图2230。如图所示，请参考叶片2202和轮毂2204。另外，还有三个旋转轴线：涡轮机叶片旋转轴线2212、涡轮机方位垂直轴线2216和涡轮机仰角水平轴线2214。图中示出了三个叶片2202，然而，在本领域已知的实施方式中，可以不受限制地使用任何数量的叶片。图22示出了一个实施例，其中叶片2202由轮毂2204支撑，轮毂2204由机舱2208支撑。图中示出了机舱支撑柱2206，其从叶片的上方和下方支撑机舱2208，这在本发明的结构中(见图7，740)是可能的。可选的，轮毂支撑柱2206可以仅从顶部或仅从叶片底部支撑轮毂，它比现有技术风力涡轮机的支撑元件更小，风阻更小。机舱2208固定在机舱支撑柱2206上，不会绕着机舱支撑柱旋转。为使叶片的旋转平面逆风旋转，机舱支撑柱2208在结构中旋转(见图7，740)。在图22中，本发明中的开放式风力涡轮机被支撑在转子的上方和下方。即，将发电机(见图23，2308)和齿轮箱(见图23，2310)从机舱2208移动到非旋转固定结构(见图7，740和图24，2400)，机舱支撑柱2206和机舱2208都可以更小，重量和风阻也都较小。当发电机和齿轮箱(如果需要)被支撑在固定结构中时(见图7，740)，叶片的旋转能量通过安装在机舱支撑柱2206内部的叶片传输轴2218传递到齿轮箱和发电机。替代实施例包括从中性风道或翼型风道支撑叶片或应用垂直轴线叶片。
图23是本发明实施例提供的无风道风力涡轮机2300的示意图。特别地，图23描述了轮毂实施例的一个变体的附加细节，其中发电机2308和变速箱2310(如果需要)被移出机舱并进入涡轮机2312的支撑结构(见图7，740)。在本实施例中，叶片传动轴2302与发电机驱动轴2322或齿轮箱驱动轴2314保持一致，如图23所示，驱动齿轮箱驱动轴2314或发电机驱动轴2322。叶片传动轴2302也与转动的方位轴线2330重合，所以发电机2308，或者变速箱(2310)(如果需要)可以位于所述固定结构2312，不需要随着风向的改变而转动。随着风向的变化围绕方位轴线2330的旋转将瞬间增加或减少齿轮箱驱动轴或发电机驱动轴2322的几度的旋转，对能量产生的影响可忽略不计，同时显著减少了随着风向变化而旋转的组件的重量和尺寸。发动机舱只需要封装和支持叶片，支持轴承2316和90度小型变速箱2304。
图24是本发明实施例提供的不带垂直转向(高度)的上驱动元件示意图。特别地，图24示出了顶视图2450和侧视图2452，显示了本发明中上驱动元件(2400)的一个变体，该元件支持发电机2402、变速箱2422和下文所述的其他驱动元件。支撑板2404与固定结构2424连接，限制旋转支撑板2406的垂直运动，同时允许旋转支撑板2406旋转，从而使涡轮机朝向风向转动。螺距驱动2412和螺距驱动轴2414在顶视图-2450中显示，但俯仰驱动轴2414在侧视图-2452中不可见。俯仰驱动轴2414连接到机舱中的元件(见图31)，以基于控制系统的命令调整桨叶的俯仰。涡轮机支撑柱2416通过非枢转支撑件2408固定在旋转支撑板2406上。涡轮机支撑柱2416封闭叶片传动轴2426。方位驱动器2410限制并改变旋转的支撑板2406的角旋转，从而基于控制命令使涡轮机产生风。发电机2402和齿轮箱2422分别由固定结构2420A和2420B的元件支撑。叶片传动轴2426通过机械联轴器2430与齿轮箱驱动轴2428相连，发电机驱动轴2418通过机械联轴器2432与齿轮箱相连。这是为具有或不具有风道的风力涡轮机提供方位角旋转以及俯仰驱动器2412的一个实施例。本实施例适用于本发明的所有类型的风力涡轮机。圆周风道支撑的叶片或其他实施例可能不需要齿轮箱。
图25是本发明实施例提供的不带垂直转向(高度)的下驱动元件示意图。特别地，图25示出了本发明中不带垂直转向(高度)的下驱动元件(2500)的一个变体的顶视图2550和侧视图2552。支撑板2502限制旋转支撑板2504的垂直运动，同时允许旋转支撑板2504旋转，从而使涡轮机朝向风向转动。当需要空轴2510时，风道支撑柱2506约束空轴2510。本实施例适用于本发明的所有类型的风力涡轮机。
图26是本发明实施例提供的带有垂直转向(高度)的上驱动元件示意图。特别地，图26示出了旋转支撑穹顶2704和发电机旋转支撑穹顶2722之间的顶视图2650(A-A节，见图27，2704，2722)，示出了本发明中上部驱动元件(2600)的一个变体，该变体支持下图和图27中的驱动元件。支撑板2602与固定结构2624连接，限制旋转支撑穹项2604的垂直运动，同时允许旋转支撑穹顶2604旋转，从而使涡轮机朝向风向转动。俯仰驱动2606和俯仰驱动轴2608在顶视图-2650中显示，但俯仰驱动轴2608在侧视图-27中不可见。俯仰驱动轴2608连接到机舱中的元件(见图31)，以基于控制系统的命令调整桨叶的俯仰。涡轮机支撑柱2626通过枢转支撑件2628固定在滑动支撑元件2610上。滑动支撑元件2610位于旋转支撑穹顶2604的沟槽2614中，并限制涡轮机支撑柱2626做垂直运动，同时允许旋转支撑穹顶2604沿沟槽2614做圆周运动，以便风力涡轮机可以垂直转向。垂直驱动器2616与滑动支撑元件2610连接，约束和调整滑动支撑元件2610在沟槽2614中的位置，以调整涡轮机的垂直位置，使其向垂直方向转动。涡轮机支撑柱2626封闭叶片传动轴2618。方位驱动器2612限制并改变旋转的支撑穹顶2604的角旋转，从而基于控制命令使涡轮机产生风。这是为具有或不具有风道的风力涡轮机提供方位角和垂直旋转以及俯仰驱动器2606的一个实施例。本实施例适用于本发明的所有类型的风力涡轮机。
图27是本发明实施例提供的上驱动元件示意图。特别地，图27示出了侧视图2750，显示了本发明中上驱动元件(2700)的一个变体，该元件具有支持以下驱动元件的垂直转向。支撑板2702约束旋转支撑穹顶2704；旋转支撑穹顶2704旋转，同时垂直约束涡轮机支撑柱2726，使涡轮机支撑柱2726旋转，以调整风向。方位角驱动2710约束并调整旋转支撑穹项2704的旋转，以基于风向的变化调整涡轮机。滑动支撑元件2724位于旋转支撑穹顶2704的沟槽中(见图26，2610)，通过枢转支撑2732连接至涡轮机支撑柱2726并限制涡轮机支撑柱2726做垂直运动，同时允许旋转支撑穹顶2704沿沟槽(见图26，2610)做圆周运动，以便风力涡轮机可以垂直转向。垂直驱动2718约束滑动支撑元件2724，并改变滑动支撑元件2724在沟槽中的位置，以改变涡轮机的垂直方向或高度方向。俯仰驱动2706驱动俯仰驱动轴(见图26，2608)，以调整涡轮机俯仰。涡轮机支撑柱2708封闭叶片传动轴2720。发电机2714和齿轮箱2728由发电机旋转支撑穹顶2722、发电机滑动元件2734、发电机旋转支撑2722、发电机支撑架2744和发电机支撑梁2716支撑。叶片传动轴2720通过机械联轴器2712与齿轮箱驱动轴2738相连，发电机驱动轴2742通过机械联轴器2740与齿轮箱相连。圆周风道支撑的叶片或其他实施例可能不需要齿轮箱2728。
图28是本发明实施例提供的下驱动元件示意图。特别地，图28示出了顶视图2850，显示了本发明中下驱动元件(2800)的一个变体，该元件具有支持以下驱动元件的垂直转向。支撑板2802约束旋转支撑板2804，旋转支撑板2804将旋转支撑2810和涡轮机支撑柱2806连接在一起。涡轮机支撑柱2806包围叶片空转轴2808。本实施例适用于本发明的所有类型的风力涡轮机。
图29是本发明实施例提供的下驱动元件示意图。特别地，图29示出了侧视图2950，显示了本发明中下驱动元件(2900)的一个变体，该元件具有支持以下驱动元件的垂直转向。支撑板2902约束旋转支撑板2910，旋转支撑板2910将旋转支撑2906和涡轮机支撑柱2904连接在一起。涡轮机支撑柱2904包围叶片空转轴2908。本实施例适用于本发明的所有类型的风力涡轮机。
图30是本发明实施例提供的轮毂和机舱元件示意图。特别地，图30示出了本发明中轮毂3002和机舱3024的实施例的侧视图3050(见图32和图34)，其俯仰驱动3004安装在机舱3024中，靠近旋转轴承3026。旋转轴承3026将固定的机舱3024与旋转轮毂3002分开。请注意，机舱在轮毂的逆风位置，这与通常的设计相反。在本实施例中，轮毂支撑3006需要为位于机舱3024内的俯仰驱动3004供电。动力可以不受限制地来自于电、液压、气动或其他合适的动力源。在机械元件3008的一个可能的实施例中显示轮毂齿条齿轮3010，叶片俯仰齿轮3012，桨距角驱动和支撑轴3022，齿条齿轮支撑元件3014，旋转的袋状连接件3016，袋状连接保持元件3018，俯仰线性驱动轴3028和俯仰驱动器支架3020。本发明示出了齿轮传动机制以使桨距角驱动和支撑轴3022旋转，也可以采用其他方式。任何可以将俯仰驱动器3004的运动传递至桨距角驱动器和支撑轴3022以调节俯仰的实用方法都可以被使用，例如蜗轮。这些机械元件3008可使俯仰驱动器3004保持在机舱中的固定位置，同时桨距角驱动和支撑轴3022利用风能与轮毂3002一起旋转。通过这些机械元件3008，俯仰驱动器基于控制命令改变从风中捕获的能量(见图17至图21)。
图31是本发明实施例提供的轮毂和机舱元件示意图。特别地，图31示出了本发明中轮毂3102和机舱3124的实施例的侧视图3150(见图32和图34)，其俯仰驱动安装在所述结构上(见图24至图27)。旋转轴承3126将固定的机舱3124与旋转轮毂3102分开。请注意，机舱3124在轮毂3102的逆风位置，这与通常的设计相反。在本实施例中，轮毂支撑3106可用于机械支撑，也可用于为轮毂3102或机舱3124提供维护功能，例如润滑或加热。本发明示出了机械元件3108的一种可能的实施方式，其具有轮毂齿条齿轮3010，叶片俯仰齿轮3112，桨距角驱动和支撑轴3122，齿条齿轮支撑元件3114，旋转的袋状连接件3116，俯仰线性驱动轴3128，袋状连接件固定元件3118，桨距角驱动和支撑轴传动齿轮3132，桨距角驱动和支撑轴传动齿条3130，桨距角驱动轴3140，桨距角和支撑轴3122。本发明示出了齿轮传动机制以使桨距角驱动和支撑轴3122旋转，也可以采用其他方式。任何可以将俯仰驱动器3104的运动传递至桨距角驱动器和支撑轴3122以调节俯仰的实用方法都可以被使用，例如蜗轮。这些机械元件3108可使俯仰驱动器3140保持在机舱中的固定位置，同时桨距角驱动和支撑轴3122利用风能与轮毂3102一起旋转。通过这些机械元件3108，俯仰驱动轴3140基于控制命令改变从风中捕获的能量(见图17至图21)。
图32是本发明实施例提供的具有空气动力学中性风道的风力涡轮机示意图，该空气动力学中性风道不具备空气动力学升力。特别地，图32示出了风力涡轮机实施例3200的顶视图3250、前视图3252和侧视图3254，其应用了包围圆周环的中性空气动力学风道3202(见图33，3308)。中性空气动力学风道3202提供了另一种支撑叶片3206的方法，避免了叶片3206尖颤和其他与叶片3206弯曲有关的机械问题。它还为一组圆周环(见图33，3310和3316)或其他机械设备提供了一个受保护的位置，以利用较大直径的风道3202的机械优势提供更高的角速度来代替高比齿轮箱(见图23，2310)。中性空气动力学风道3202保护圆周环(见图33，3310和3316)免受环境影响，并减少了没有风道时圆周环所产生的空气动力阻力。叶片尖端支撑3208将叶片3206与风道3202连接起来。本发明示出了可选的轮毂前支撑件3204。
图33是本发明实施例提供的风力涡轮机的内部元件示意图。特别地，图33示出了本发明内部元件的侧视图3350，其示出了不具有空气动力学升力的风道3308的风道支撑元件3300的一个实施例。本实施例具有风道支撑柱3304，形成了位于由叶片3358旋转产生的平面上的涡轮机方位角垂直轴线3340。风道3308由风道支撑柱3304支撑。在用于支撑风道3308并从旋转的圆周环3310传递动力的一种实施方式中，使用具有角齿轮3312的叶片驱动轴3306和具有角齿轮3310的圆周环3318。风道支撑柱3304通过机械联轴器3324连接到风道支撑支架3330。不旋转的圆周环3316，连同轮毂支撑托架3330和圆周环保持帽3320一起限制了旋转的圆周环3318的垂直和水平运动，同时允许它在风对叶片3328的反作用下旋转。在俯仰驱动器位于所述结构的实施例中(见图24至图29)，俯仰驱动轴3322穿过风道3308。还可以使用任何其他机械手段并将发电机安装在风道3308中。叶片尖端支撑元件3334通过机械联轴器3334将叶片3328从叶片尖端支撑到旋转的圆周环3318，从而形成未被叶片3328旋转覆盖的平面所阻挡的开口区域。叶片尖端支撑元件3326可以是任何合适的截面和材料。它通常没有翼型特性，但可以有一个翼型形状。旋转圆周环3318、非旋转圆周环3316、风道支撑柱3304、叶片驱动轴3306、叶片尖端支撑元件3326和叶片3328可以选用任何合适的材料。
图34是本发明实施例提供的具有空气动力学风道的风力涡轮机示意图，该空气动力学风道具备空气动力学升力。特别地，图34示出了风力涡轮机实施例3400的顶视图3450、前视图3452和侧视图3454，其应用了空气动力学风道3402来提高风能提取并包围圆周环(见图35，3516和3518)。增加风道具有以下优点：转子直径与风道最大直径相同的开放式涡轮机可产生5％至20％的额外能量，与开放式涡轮机相比，能在较低的风速中产生能量，并且能在更大范围内与风错位运行。空气动力学风道3402的缺点是重量增加、水平推力增加、尾流恢复时间延长，可能需要更大的间距，并且每英亩会容纳更少的风力涡轮机。空气动力学风道3402提供了另一种支撑叶片3406的方法，避免了叶片3406尖颤和其他与叶片3406弯曲有关的机械问题。它还为一组圆周环(见图35，3516和3518)或其他机械设备提供了一个受保护的位置，以利用较大直径的风道3402的机械优势提供更高的角速度来代替高比齿轮箱(见图23，2310)。空气动力学风道3402保护圆周环(见图35，3516和3518)免受环境影响，并减少了没有风道时圆周环所产生的空气动力阻力。叶片尖端支撑3408将叶片3406与风道3402连接起来。本发明示出了可选的轮毂前支撑件3404。
图35是本发明实施例提供的风力涡轮机的内部元件示意图。特别地，图35示出了本发明内部元件的侧视图3350，其示出了具有空气动力学升力的风道3508的风道支撑元件3500的一个实施例。本实施例具有风道支撑柱3504，形成了不位于由叶片3528旋转产生的平面上的涡轮机方位角垂直轴线3540。风道3508由风道支撑柱3504支撑。在用于支撑风道3508并从旋转的圆周环3518传递动力的一种实施方式中，使用具有角齿轮3512的叶片驱动轴3506、具有角齿轮3532A和3532B的传动轴3514和具有角齿轮3510的圆周角3518。传动轴3514由传动轴轴承3516A和3516B固定在原位。
风道支撑轴3504通过机械联轴器3524连接到风道支撑支架3530。不旋转的圆周环3516和圆周环保持帽3520一起限制了旋转的圆周环3518的垂直和水平运动，同时允许它在风对叶片3528的反作用下旋转。叶片尖端支撑元件3534通过机械联轴器3520将叶片3528从叶片尖端支撑到旋转的圆周环3518，从而形成未被叶片3528旋转覆盖的平面所阻挡的开口区域。叶片尖端支撑元件3534可以是任何合适的截面和材料。它通常没有翼型特性，但可以有一个翼型形状。旋转圆周环3518、非旋转圆周环3516、风道支撑柱3504、叶片驱动轴3506、叶片尖端支撑元件3534和叶片3528可以选用任何合适的材料。
图36是本发明实施例提供的辅助支撑环风力涡轮机模块3600的示意图。特别地，图36示出了具有额外外周风道3602的风力涡轮机模块3600的前视图3650和侧视图3652。可能需要该风道来为增强型空气动力学风道或空气动力学中性风道提供额外的强度。额外的风道具有举升力以辅助风道扩张，或者具有中性举升力以克服转子盘扩张的缺点。
图37是本发明实施例提供的垂直轴线风力涡轮机模块3700的示意图。特别地，图37示出了垂直轴线涡轮机3702所用结构(3710)实施例的顶视图3750、前视图3752和侧视图3754。该图示出了每个涡轮机两个垂直轴线叶片3704，但垂直轴线叶片3704的数量可以大于两个。涡轮机叶片旋转轴3706是垂直的，它消除了涡轮机方位垂直轴，因为对于垂直轴涡轮机3702和垂直轴叶片3704，涡轮机叶片旋转轴3706垂直于风向3708，并且无论风向如何，垂直轴叶片3704都逆风。旋转电气元件3714位于涡轮机叶片旋转轴上，但固定电气元件3712可以位于结构3710的任何位置。
图38是本发明实施例提供的风力发电场机组3800的示意图。特别地，图38示出了本发明涡轮机实施例的顶视图3850，展示了带有4个涡轮机模块：3806A、3806B、3806C和3806D的机组3800。机组几何中心为3802，几何图案3804为正方形。图中示出涡轮机模块3806A、3806B、3806C和3806D以及两台并排的风力涡轮机3810，这是多个并排风力涡轮机3810的一个实施例。在实施例中可以有两个以上风力涡轮机并排存在。示出的机组3800有4个涡轮机模块：3806A、3806B、3806C和3806D，主要用于来自两个相反方向的平均风速的实施例，例如在两个山脉之间的山谷中可能经历的平均风速。
图39是本发明实施例提供的风力发电场3900的示意图。特别是，图39示出了一个风力发电场实施例的顶视图3950。如图所示，风力发电场3900包括9个机组3902，但机组3902的数量可以更多或更少，通常大于9。一个机组3902中有4个涡轮机模块，但基于地理位置处的平均风向和风速，还有其他数量和布置方式的实施例使得能源生产最大化。涡轮机模块3904的几何图形3906在机组3902形成一个正方形，但其他几何图形3906需要不同的平均风向和风速。该机组3902和发电场3900的布置对于主要来自两个相反方向的平均风速很有用，例如在两个山脉之间的山谷中可能经历的平均风速。
除非另有明确规定，否则术语“某些实施例”，“一个实施例”，“实施例”，“多个实施例”，“所述实施例”，“所述多个实施例”，“一个或多个实施例”，“一些实施例”和“一个实施例”指一个或多个(但不是全部)实施例。除非另有明确说明，否则术语“包括”、“包含”、“具有”及其变例意味着“包括但不限于”。除非另有明确说明，否则所列项目并不意味着任何或所有项目是互斥的。除非另有明确说明，否则术语“一”、“一个”和“该(所述)”意味着“一个或多个”。
尽管已经通过几个实施例对本发明进行了描述，但是存在本发明范围内的改变，置换和等同形式。还应注意，存在许多实现本发明的方法和装置的替代方式。此外，除非明确说明，否则本发明描述的任何方法实施例不限于特定顺序或序列。此外，为方便起见，本发明提供了摘要，并不应该用于解释或限制在权利要求中表达的整个发明。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包括落入本发明的真实精神和范围内的所有这些改变、置换和等同物。
与常规多涡轮机阵列相比，具备的优势
1.大大简化的的支撑结构与更少的重型高架组件，因为本发明中的每个转子都沿着各自的垂直轴旋转以面对风。
2.在单独的结构中安装多个较小的风力涡轮机阵列的好处：
a.最大限度地减少单个转子在其自身轴上转动时产生的尾流干扰。
b.每个风力发电场单位面积拥有更高的的风力涡轮机密度。
c.降低建筑成本。
3.尾流干扰可以通过基于盛行风向安装特定的组件和设置来减轻。
4.通过安装单个结构(模块)，使其与特定的罗盘方向对齐，以实现能源的最大化。
5.好处是实现了在支撑结构内部旋转单个涡轮机，而不是在支撑结构外部和周围旋转。
a.支撑结构可以从表面向上建造，而不需要使用大型移动起重机。
b.支撑结构可用于转子及重型部件的维护和安装，无需使用大型移动起重机。
c.支撑结构比单管塔成本更低。
d.基础支座表面积较大，简化基础设计。
e.可以在结构上安装屋顶，以减少结冰和雷电的损害。
f.太阳能装置可以安装在屋顶上。
g.可以安装网格或其他元件，以减少飞行动物的死亡。
h.风道增强多转子涡轮机可以被很容易地容纳和支撑。
i.垂直轴多转子涡轮机可以被很容易地容纳和支撑。
j.支撑在顶端的转子可以被轻松容纳，并且可以使用圆周环更换变速箱。
6.尾流干扰可以通过以下几种控制方法来抵消：
a.逆风转子控制优化了逆风转子，以及相距大约10个直径的顺风转子的输出。
b.相同结构(模块)的顺风转子可以设置为不产生能量，将风力资源留给顺风转子。
c.相同结构(模块)的逆风转子可以设置为不产生能量，将风力资源留给逆风转子。
d.风力资源的其他共享方式可以用于共享相同风力气流的转子，即尾流干扰。
e.单个风力涡轮机可以水平(方位)和垂直(高度)转向，以减少尾流干扰。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机发电场，包括：
多个可转向的风力涡轮机，每个涡轮机均具有涡轮机直径，其中，
所述多个可转向的风力涡轮机被分成多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每一个方向均与多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，
所述多个模块被分成放置在多个固定机组位置的机组。
2.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，多个模块中各个模块间的间隔不小于约6个涡轮机直径，并且不超过约15个涡轮机直径。
3.基于权利要求2所述的风力涡轮机发电场，所述多个固定机组位置包括：
沿第一轴线定向的第一固定机组位置；以及
沿第二轴线定向并与所述第一轴平行的第二固定机组位置，其中，
位于所述第二固定机组位置的每一个机组相对于所述第一固定机组位置的机组旋转180度。
4.基于权利要求2所述的风力涡轮机发电场，所述固定模块放置处包括：
三个或三个以上的模块，彼此之间的间隔近似相等。
5.基于权利要求4所述的风力涡轮机发电场，其中，所述三个或三个以上的模块彼此之间的间隔约为10个涡轮机直径。
6.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，其中，每个固定模块取向均与相应的盛行风向成约15度以内的夹角。
7.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，其中，所述多个模块中的每个模块都是至少两个可转向风力涡轮机的矩阵，其中，所述矩阵是从由2x1矩阵、2x2矩阵、2x3矩阵和2x4矩阵构成的组合中选取的。
8.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，其中，所述多个可转向风力涡轮机中的每一个都是垂直可转向的。
9.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，其中，所述多个可转向风力涡轮机中的每一个都是水平可转向的。
10.基于权利要求1所述的风力涡轮机发电场，其中，所述多个可转向风力涡轮机中每个涡轮机的直径范围约为50至100米。
11.一种用于配置由区域限定的风力涡轮机发电场的方法，所述包括：
创建所述区域的玫瑰图，所述玫瑰图以图形方式示出所述区域的多种风的特征；
分析所述玫瑰图以确定多个盛行风向；
将多个机组放置在多个固定机组位置，其中，所述多个机组中的每个机组包括：
多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每个方向均与所述多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，所述多个模块中各个模块间的间隔不小于约6个涡轮机直径，并且不超过约15个涡轮机直径，其中所述多个模块中的每个模块包括：
多个可转向的风力涡轮机，每个涡轮机均具有涡轮机直径。
12.基于权利要求11所述的方法，其中，所述分析所述玫瑰图包括：
基于第一高风向和风速概率分布确定第一盛行风向；
基于第二高风向和风速概率分布确定第二盛行风向，其中，所述第二高风向和风速概率分布等于或小于所述第一高风向和风速概率分布；
基于第三高风向和风速概率分布确定第三盛行风向，其中，所述第三高风向和风速概率分布等于或小于所述第二高风向和风速概率分布。
13.基于权利要求12所述的方法，还包括：
基于至少一个附加的高风向和风速概率分布确定至少一个附加的盛行风向，其中，所述至少一个高风向和风速概率分布等于或小于所述第三高风向和风速概率分布。
14.基于权利要求11所述的方法，其中，所述分析所述玫瑰图包括：
基于至少一个最高风向和风速概率分布确定至少一个盛行风向。
15.基于权利要求11所述的方法，其中，所述风的特征是从由风向、风速和风的持续时间构成的组合中选取的。
16.基于权利要求11所述的方法，所述多个固定机组位置包括：
沿第一轴线定向的第一固定机组位置；
沿第二轴线定向并与所述第一轴平行的第二固定机组位置，其中，
位于所述第二固定机组位置的每一个机组相对于所述第一固定机组位置的机组旋转180度。
17.一种用于运行风力涡轮机发电场的方法，所述方法包括：
转向当前涡轮机，其中所述当前涡轮机是多个可转向风力涡轮机中的一个，并且每个可转向风力涡轮机都具备其特有的直径，其中，
所述多个可转向的风力涡轮机被分成多个模块，每个模块均被放置在固定的模块放置处，并以多个固定模块取向中的一个方向来定向，其中，所述多个固定模块取向中的每一个方向均与多个盛行风向中的一个风向相对应，其中，
所述多个模块被分成放置在多个固定机组位置的机组；
基于一个或多个顺风涡轮机的存在来确定涡轮机控制模式；
基于所述涡轮机控制模式转动所述当前涡轮机。
18.基于权利要求17所述的方法，其中，所述转向包括：
确定所述当前涡轮机的风向；
设置所述当前涡轮机的方位角和转向；
以及确定所述当前涡轮机的空转状态。
19.基于权利要求18所述的方法，其中，所述确定所述涡轮机控制模式包括：
如果当前涡轮机的所述空转状态为空转，将当前涡轮机的所述涡轮机控制模式设置为逆风干扰模式；
基于风向属性设置当前涡轮机目标输出。
20.基于权利要求18所述的方法，其中，所述确定所述涡轮机控制模式包括：
如果当前涡轮机的所述空转状态为非空转，确定所述一个或多个顺风涡轮机是否与所述当前涡轮机处于同一模块中；
如果所述一个或多个顺风涡轮机在同一个模块中，将所述一个或多个顺风涡轮机的状态设置为空转状态；
读取所述当前风速；
确定所述一个或多个顺风涡轮机是否位于约小于15个涡轮机直径的范围内；
如果所述一个或多个顺风涡轮机位于小于15个涡轮机直径的范围内，将所述当前涡轮机的涡轮机控制模式设置为顺风干扰模式，并将顺风涡轮机输出添加到当前涡轮机输出；
如果所述一个或多个顺风涡轮机位于大于15个涡轮机直径的范围内，将所述当前涡轮机的涡轮机控制模式设置为非干扰模式。
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