專利名稱:用于風(fēng)力發(fā)電場中的風(fēng)力渦輪機(jī)布置的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明大體涉及風(fēng)力渦輪機(jī),且更具體地涉及用于提高風(fēng)力發(fā)電 場中的能量捕獲的方法。特別地,本發(fā)明包括用于確定風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn) 場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)的合乎需要的位置以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)和運(yùn)行 目標(biāo)的方法。
背景技術(shù):
最近,作為環(huán)境安全且相對較廉價(jià)的備選能源,風(fēng)力渦輪機(jī)已受 到越來越多的關(guān)注。隨著關(guān)注不斷增加,已做出大量努力來發(fā)展可靠 且高效的風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)場。
通常,風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝到位于桁 架或管狀塔架頂部上的外殼或機(jī)艙上。公用級風(fēng)力渦輪機(jī)(即設(shè)計(jì)成用 于為公共電網(wǎng)提供電功率的風(fēng)力渦輪機(jī))可以具有大型轉(zhuǎn)子(如長度為
30米或30米以上)。另外,風(fēng)力渦輪機(jī)通常安裝在至少60米高的塔 架上。這些轉(zhuǎn)子上的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 扭矩或力,該一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)可通過變速箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上。 變速箱為發(fā)電機(jī)提高了渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的本來低的旋轉(zhuǎn)速度,以高效地將 機(jī)械能轉(zhuǎn)換成供應(yīng)到公用電網(wǎng)中的電能。在其它風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造中, 可省略變速箱,且可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或通過某些其它類型的聯(lián)接來驅(qū) 動(dòng)發(fā)電才幾。
風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)布置優(yōu)化傳統(tǒng)上已經(jīng)以最大限度地 增大發(fā)電的單個(gè)目標(biāo)來執(zhí)行。例如,風(fēng)力渦輪機(jī)可以基于風(fēng)力資源網(wǎng) 而布置在風(fēng)場內(nèi)的具有最高風(fēng)力的位置處,且然后才艮據(jù)約束(例如禁區(qū) 和/或最小間隔約束)手動(dòng)地調(diào)整渦輪機(jī)布局??梢允褂每稍谏虡I(yè)上獲得的風(fēng)力資源評估或建才莫軟件來生成風(fēng)力資源網(wǎng),例如WindProiM(可 從丹麥奧爾堡的EMD International A/S獲得)、WindFarmer頂(可從英 國布里斯托爾的Garrad Hassan獲得),或WindFarm頂(可從英國班伯 里的ReSoft有限公司獲得)。還有其它重要的設(shè)計(jì)目標(biāo),例如最大限 度地降低風(fēng)場的成本、最大限度地增加財(cái)務(wù)度量以及最大限度地減小 噪聲。通常,噪聲是在一個(gè)或多個(gè)位置處不能超過某噪聲水平的約束。 為了解決成本、財(cái)務(wù)度量和噪聲約束,諸如WindPro 、 WindFarmTM、 WindFarmer 等商業(yè)軟件提供了可用于按需手動(dòng)地調(diào)整渦輪機(jī)布局 的分析模塊。因此,優(yōu)化渦輪機(jī)布局的過程是迭代的且手動(dòng)的。為了 減少優(yōu)化渦輪機(jī)布局的手動(dòng)或反復(fù)試驗(yàn)因素,可商業(yè)獲得的風(fēng)力資源 評估軟件具有允許自動(dòng)地最大化固定數(shù)量的風(fēng)力渦輪機(jī)和特定風(fēng)力 渦輪機(jī)模型/構(gòu)造的發(fā)電量的優(yōu)化算法。可以強(qiáng)制執(zhí)行噪聲約束和風(fēng)力 渦輪機(jī)不能安裝在其上的區(qū)域。在可以結(jié)束渦輪機(jī)布局之前,需要另 外的分析。這些另外的分析中的 一種是計(jì)算各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)上的機(jī)械 載荷,以確保這些載荷處于所關(guān)注的風(fēng)力渦輪機(jī)模型/構(gòu)造的設(shè)計(jì)極限 之內(nèi)。由于風(fēng)力渦輪機(jī)制造商的詳細(xì)的設(shè)計(jì)信息和專有的風(fēng)力渦輪機(jī) 建模能力,幾乎專門由他們來執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。設(shè)計(jì)載荷界限(現(xiàn)場具體 載荷一設(shè)計(jì)載荷)的詳細(xì)知識允許這些載荷界限的最小化,這又可以收 獲額外的能量捕獲。目前,沒有可用的已知方法提供用于直接包括對 機(jī)械載荷的評估的多標(biāo)準(zhǔn)和約束的多學(xué)科優(yōu)化能力。
因此,需要用于確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)布置的多學(xué)科方 法,其根據(jù)多標(biāo)準(zhǔn)和約束(包括用以獲得詳細(xì)的設(shè)計(jì)載荷界限的機(jī)械載 荷分析)來高效地提供期望的場設(shè)計(jì)和運(yùn)行目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面包括用于確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦4侖機(jī)位 置的方法。該方法包括確定至少一個(gè)i^計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)備包i舌至少一個(gè)風(fēng) 力渦輪機(jī)位置的風(fēng)力渦輪機(jī)布局,并確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的現(xiàn)場條件。響應(yīng)于現(xiàn)場條件來評價(jià)一個(gè)或多個(gè)場設(shè)計(jì)度量。響應(yīng)于現(xiàn)場 條件來分析場設(shè)計(jì)度量。該方法進(jìn)一步包括對風(fēng)力渦輪機(jī)布局應(yīng)用約 束,且將場設(shè)計(jì)度量和約束與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。之后,響應(yīng)于比較 步驟在布局內(nèi)選擇性地調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
本公開的另一個(gè)方面包括具有設(shè)置在對應(yīng)于計(jì)算出的風(fēng)力渦輪 機(jī)布局的位置中的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)場。基于至少 一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以 及通過確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的最佳地符合風(fēng)場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力渦輪機(jī) 位置來利用方法學(xué),來確定計(jì)算出的風(fēng)力渦輪機(jī)布局。準(zhǔn)備包括至少 一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置的初始風(fēng)力渦輪機(jī)布局,且確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī) 位置處的現(xiàn)場條件。響應(yīng)于現(xiàn)場條件來評價(jià)一個(gè)或多個(gè)場設(shè)計(jì)度量。 響應(yīng)于現(xiàn)場來分析場設(shè)計(jì)度量。該方法進(jìn)一步包括對風(fēng)力渦輪機(jī)布局 應(yīng)用約束,并將場設(shè)計(jì)度量和約束與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。之后,響應(yīng) 于比較步驟選擇性地調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
本/>開的又一個(gè)方面包括用于確定風(fēng)力渦輪才幾布局的方法。該方 法包括確定至少 一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)備包括至少 一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置的 風(fēng)力渦輪機(jī)布局,并確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的現(xiàn)場條件。響應(yīng)于 現(xiàn)場條件來評價(jià)一個(gè)或多個(gè)場設(shè)計(jì)度量。響應(yīng)于現(xiàn)場條件來分析場設(shè) 計(jì)度量。該方法進(jìn)一步包括將約束應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)布局,且將場設(shè) 計(jì)度量和約束與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。之后,響應(yīng)于比較步驟在布局內(nèi) 選擇性地調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)位置。該方法包括外部地提供的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 并且選擇性地調(diào)整持續(xù)到布局符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
本公開的方法包括以以下內(nèi)容來計(jì)算最優(yōu)或接近最優(yōu)的運(yùn)行的
能力大量渦輪機(jī)、可變數(shù)量的渦輪機(jī)、渦輪機(jī)的不同才莫型和構(gòu)造、 復(fù)雜的現(xiàn)場山岳形態(tài)學(xué)、地形,以及表面粗糙度、通過(例如)排除低 風(fēng)速地區(qū)來縮小搜索范圍的領(lǐng)域知識、復(fù)雜的聲學(xué)噪聲模型、涵蓋基 礎(chǔ)設(shè)施的詳細(xì)成本4莫型和財(cái)務(wù)度量。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,該方法包括用于風(fēng)力渦輪機(jī)位置優(yōu)化的在計(jì)算上 高效、精確且^:壯的平臺。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,該方法包括多學(xué)科,其包括例如(l)風(fēng)廠的發(fā)電 量的風(fēng)力資源評估和預(yù)測,(2)機(jī)械載荷分析,("噪聲建^t,以及(4) 用于確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)位置的包括或不包括財(cái)務(wù)度量、 多目標(biāo)和多約束的成本建it。
此外,該方法用分析工具提供柔性以量化場設(shè)計(jì)度量,從而容許 能夠允許使用當(dāng)前和未來的工具來進(jìn)行分析,其中,用于優(yōu)化的工具 不限于特定的工具(如計(jì)算機(jī)軟件)。此外,該方法允許使用工具來生 成信息的柵格,或可諸如從查詢表中容易地獲得的數(shù)據(jù),以及可以代 替詳細(xì)的分析工具自身而用于優(yōu)化循環(huán)中的類似構(gòu)造。
風(fēng)力渦輪機(jī)的布置的能力。
結(jié)合以實(shí)例的方式ii明本發(fā)明的原理的附圖,通過對優(yōu)選實(shí)施例 的以下更詳細(xì)的i兌明,本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
附圖簡述
圖1顯示了風(fēng)力渦輪機(jī)的一個(gè)示例性構(gòu)造的說明。
圖2顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電場的示意圖。
圖3顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的、浮支認(rèn)為適于風(fēng)力的現(xiàn)場
(風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場)上的風(fēng)力發(fā)電場的平面圖。
圖4顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的全過程流程圖。
圖5顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的過程流程圖。
圖6-10顯示了對于根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例所執(zhí)行的實(shí)例做出
的計(jì)算和對于計(jì)算的代表性布局。
在任何可能的情況下,相同參考標(biāo)號在全部附圖中將用于指代相
同或相似的部分。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示,風(fēng)力渦輪機(jī)100大體包括容納有發(fā)電機(jī)(圖1中未示出)的機(jī)輪102。機(jī)艙102是安裝在塔架104頂部的外殼,在圖1中僅 示出了其一部分。塔架104的高度基于本領(lǐng)域已知的因素和條件來選 擇,并且可以延伸到高達(dá)60米或更高的高度。風(fēng)力渦輪機(jī)100可以 安裝在提供通向具有合乎需要的風(fēng)力條件的區(qū)域的任何地帶上。該地 帶可有很大不同,并且可包括但不限于山區(qū)或近海的位置。風(fēng)力渦輪 機(jī)100還包括轉(zhuǎn)子106,該轉(zhuǎn)子106包括附接到旋轉(zhuǎn)的轂110上的一 個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片108。雖然圖1所示的風(fēng)力渦輪機(jī)100包括三個(gè)轉(zhuǎn) 子葉片108,但是不存在對本發(fā)明所要求的轉(zhuǎn)子葉片108的數(shù)量的特 別限制。隨著葉片108旋轉(zhuǎn),由葉片108和其它構(gòu)件產(chǎn)生了噪聲。
圖2顯示了風(fēng)力發(fā)電場200的示意性表示。風(fēng)力發(fā)電場200包括 優(yōu)選地由中心監(jiān)控裝置201控制和/或監(jiān)控的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100。信 號203可以傳送到風(fēng)力渦輪機(jī)100,和/或從風(fēng)力渦輪機(jī)100中傳送出 來,以提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和/或控制信號。場200中的風(fēng)力渦輪機(jī)100的數(shù) 量沒有限制,且可包括一個(gè)或許多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100。風(fēng)力發(fā)電場200 布置成以便提供組合的功率輸出。
本公開的 一個(gè)實(shí)施例包括用于確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī) 在特定區(qū)域或現(xiàn)場上的有益布置的方法。圖3包括由分界線304界定 的風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場300?,F(xiàn)場300包括布置在其中的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī) 100。風(fēng)力發(fā)電場200包括布置在多種地形上的該多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)IOO。 山岳形態(tài)學(xué)包括描繪現(xiàn)場300內(nèi)的海拔變化的海拔等高線301。表面 粗糙度302代表地被及其對現(xiàn)場300內(nèi)的風(fēng)力條件的影響。如果附近 有重要的住宅和工廠廠房,考慮地形也是重要的。此外,現(xiàn)場300顯 示了禁區(qū)303,其可能是湖泊、不牢固的土^裏、荒涼地帶或風(fēng)力渦輪 機(jī)由于任何原因不能定位在其上的其它區(qū)域。另外,現(xiàn)場300可包括 或緊鄰噪聲敏感區(qū)域305,噪聲敏感區(qū)域305可包括住宅、商行、自 然保護(hù)區(qū),或者對噪聲敏感或不能容忍噪聲或緊鄰風(fēng)力渦輪機(jī)100的 其它區(qū)域。禁區(qū)305不限于對噪聲敏感的區(qū)域,但可包括對風(fēng)力渦輪 機(jī)100、風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)(如塔架104)或相關(guān)結(jié)構(gòu)或支承構(gòu)件的存在敏感或不能容忍該存在的區(qū)域(如通路或保護(hù)柵欄、候鳥路徑、針對各種 動(dòng)物的棲息區(qū)域縮小考慮等)。
本公開提供了確定風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)100的有益布
置的方法。例如,如圖3所說明,且如圖4和5所示,本7>開的方法 可以提供這樣的風(fēng)力渦輪機(jī)位置該位置包括對風(fēng)力或氣象條件、根 據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)件和基礎(chǔ)上的機(jī)械載荷的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)極限、地面 山岳形態(tài)學(xué)和表面粗糙度、禁區(qū)、噪聲敏感度、成本和發(fā)電性能和/ 或經(jīng)濟(jì)情況的同時(shí)考慮。
圖4顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的說明了 一種示例性方法的 全過程流程圖。該方法包括預(yù)優(yōu)化設(shè)置步驟400,位置確定步驟402, 以及最終布局步驟422。預(yù)優(yōu)化設(shè)置步驟400可包括且不限于所顯示 的五種類型l)重要的噪聲接受器坐標(biāo)和對應(yīng)的噪聲極限,步驟405, 2)地帶地形和表面粗糙度,步驟406, 3)風(fēng)場的坐標(biāo)邊界,步驟407, 4)禁區(qū)的坐標(biāo)邊界,步驟408,以及5)在現(xiàn)場測量到的或?yàn)楝F(xiàn)場預(yù)測 的風(fēng)力和其它氣象數(shù)據(jù),以及其它用戶指定的輸入信息,步驟409。 來自步驟405、 406、 407、 408和409的輸入可以由用戶或其它實(shí)體 提供,或者可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綔y量或確定。例如,重要的噪聲接 受器的坐標(biāo)和噪聲極限,步驟405,可以由風(fēng)力渦輪機(jī)開發(fā)者/操作者 /擁有者指定,或者可以由對風(fēng)力發(fā)電場區(qū)域的物理調(diào)查確定。如本文 所用,"坐標(biāo)"指的是相對位置且不限于特定的位置確定系統(tǒng)。例如, 為了標(biāo)識單個(gè)位置,風(fēng)力渦輪機(jī)布局可以構(gòu)造成(x,y)坐標(biāo)平面。然而, 本公開不限于此。
地帶地形和表面粗糙度,步驟406,可以從任何可用的源中獲得 或者可以直接確定。例如,衛(wèi)星圖像或可用的地形圖可用于確定現(xiàn)場 300的相對海拔和地形302?,F(xiàn)場300的坐標(biāo)邊界,步驟407,是可以 預(yù)先確定或可以由所考慮的區(qū)域天然地限定的位置。例如,現(xiàn)場300 可以由風(fēng)力發(fā)電場200操作者擁有的區(qū)域所界定。禁區(qū)303的坐標(biāo)邊 界或位置,步驟408,可以由對現(xiàn)場300的物理4企查、衛(wèi)星圖、地質(zhì)研究,或者由提供區(qū)域的允許安裝風(fēng)力渦輪機(jī)100的適用性的任何其 它方法或源來確定。禁區(qū)也可以出于環(huán)境或野生生物考慮(例如但不限 于保護(hù)區(qū)或候鳥路徑)而產(chǎn)生。在另一個(gè)實(shí)施例中,單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)
100的布局可以隨機(jī)地確定,或者根據(jù)預(yù)定才莫式確定。在又一個(gè)實(shí)施 例中,單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100的布局可以由通過過程中的循環(huán)一皮調(diào)整的 風(fēng)力渦輪機(jī)位置來確定。除了各個(gè)渦輪機(jī)的坐標(biāo)(x,y)之外,渦輪機(jī)的 數(shù)量也可以是設(shè)計(jì)變量或者該數(shù)量可以是固定的。此外,可以由風(fēng)力 發(fā)電場開發(fā)者/操作者/擁有者或其它源提供其它輸入,步驟409,以提 供預(yù)優(yōu)化設(shè)置。其它輸入可以包括房地產(chǎn)交易考慮、在步驟405-408 中尚未輸入的關(guān)于特定區(qū)域的已知難題或問題。此外,預(yù)優(yōu)化設(shè)置不 限于上述步驟,且可以以提供充分的信息以便提供風(fēng)力渦輪機(jī)布局的 任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。
本公開提供了確定風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)100的有益布 置的方法。例如,如圖3所說明,且如圖4和5所示,本/^開的方法 可以提供以下風(fēng)力渦輪機(jī)位置該位置包括對風(fēng)力或氣象條件、關(guān)于 風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)件和基礎(chǔ)上的機(jī)械載荷的風(fēng)力渦4侖4幾i殳計(jì)才及限、地面山 岳形態(tài)學(xué)和表面粗糙度、禁區(qū)、噪聲敏感度、成本和發(fā)電性能和/或財(cái) 務(wù)度量的同時(shí)考慮。
圖5顯示了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例說明了 一種示例性方法的過 程流程圖。為了確定風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)的有益位置,確定或 選擇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),步驟401。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以包括特定的現(xiàn)場300強(qiáng)加的 目標(biāo)和約束。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以包括現(xiàn)場300的、限制風(fēng)力渦輪機(jī)100的 某些位置或排除將風(fēng)力渦輪機(jī)定位在特定位置處的能力的部分。雖然 不受這樣的限制,但是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以包括最大發(fā)電量和最小成本。在 其它實(shí)施例中,在符合不超過應(yīng)用于噪聲敏感區(qū)域305的噪聲極限的 同時(shí),設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以包括最大發(fā)電量。其它變量可以包括期望的特定 渦輪機(jī)沖莫型、轂高度和渦輪機(jī)控制器策略。該方法可以允許針對設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)(例如處于設(shè)計(jì)極限內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)載荷界限下的最大發(fā)電量)對風(fēng)力渦輪機(jī)位置進(jìn)行有益的選擇。在另一個(gè)實(shí)施例中,最小成本
和/或最小噪聲可以用作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)實(shí)施例中,在滿足使所有載
荷設(shè)計(jì)界限為正且不超過任何噪聲約束的約束的同時(shí),該方法可以設(shè) 法同時(shí)符合一個(gè)或若干個(gè)目標(biāo)(如最大能量捕獲和最小成本)。再者,
可以備選地或者在其它設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之外使用財(cái)務(wù)模型。在這個(gè)實(shí)施例 中,風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電量和總成本可以輸入到財(cái)務(wù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中。雖然
括最大容量因數(shù)、最小尾流損失、最小成本、最大內(nèi)部收益率、最大 開發(fā)商費(fèi)、最小能量成本和最大凈現(xiàn)值。雖然不限于因素的這些組合
或數(shù)量,但是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以包括以下因素(1)最大發(fā)電量和(2)(渦輪 機(jī)+基礎(chǔ)設(shè)施的)最小成本。此外,兩個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以組合成單個(gè)財(cái)務(wù) 度量,例如內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值。三個(gè)重要的約束包括以下內(nèi)容(1) 所關(guān)注的風(fēng)力渦輪機(jī)模型/構(gòu)造的設(shè)計(jì)極限數(shù)據(jù)內(nèi)的機(jī)械載荷設(shè)計(jì)界 限,(2)噪聲極限內(nèi)的關(guān)鍵接受器處的噪聲,以及(3)沒有風(fēng)力渦輪機(jī)位 于禁區(qū)中或現(xiàn)場邊界之外。若干輔助設(shè)計(jì)度量可包括但不限于最小噪 聲、最大容量因數(shù)、最小尾流損失(即由于風(fēng)力渦輪機(jī)尾流而引起的發(fā) 電損失)、最小機(jī)械載荷(即最大設(shè)計(jì)載荷界限或最大限度地減小機(jī)械 載荷水平)及其組合。當(dāng)使用兩個(gè)或更多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),該方法可以提供 (例如)帕累托前沿(即兩個(gè)/三個(gè)目標(biāo)之間的權(quán)衡曲線/表面),帕累托前 沿可用于做出對渦輪機(jī)位置的設(shè)計(jì)決定??梢栽诒景l(fā)明中規(guī)定設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn)和/或約束的任何組合。不存在對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量的限制,也不存在 對約束的數(shù)量的限制。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和約束是設(shè)計(jì)度量,要么是主要度量, 要么是輔助度量。
一旦確定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和約束,就在風(fēng)場200內(nèi)準(zhǔn)備好風(fēng)力渦輪機(jī) 布局,步驟403。通過使用來自預(yù)優(yōu)化設(shè)置步驟400(也可參見圖4)的 信息來準(zhǔn)備布局。
一旦確定了風(fēng)力渦輪機(jī)布局,就確定現(xiàn)場300的現(xiàn)場條件,步驟 413。如本文所用,"現(xiàn)場條件"包括風(fēng)力條件、現(xiàn)場處的條件、大氣條件,或影響風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行的任何其它條件。例如,雖然不受 這樣的限制,但是現(xiàn)場條件確定包括了確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的 風(fēng)力條件。其它現(xiàn)場條件包括從溫度和壓力數(shù)據(jù)中獲得的空氣密度、 流動(dòng)傾角和相對于風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子平面的進(jìn)風(fēng)角??梢詾轱L(fēng)力發(fā)電場
200內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)測量、計(jì)算、預(yù)測、估計(jì)、推斷或否則分配
現(xiàn)場條件。風(fēng)力條件可以包括任何適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力條件參數(shù),包括但不限 于風(fēng)速、風(fēng)向、垂直和水平風(fēng)切變、空氣密度、氣象條件或可用于預(yù) 測風(fēng)廠水平下的發(fā)電量和/或風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)械載荷(疲勞和/或極限)的 任何其它條件。此外,雖然不受這樣的限制,但是風(fēng)力條件和/或現(xiàn)場
條件可以包括確定極風(fēng)(如具有平均10分鐘時(shí)間和50年重現(xiàn)周期的驟 風(fēng))、風(fēng)湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變、流動(dòng)傾角或用于分析的其它參數(shù)(如用于 現(xiàn)場300的現(xiàn)場分析度量)。雖然不受這樣的限制,但是商業(yè)上可獲得 的風(fēng)力或氣象4莫型,例如WindPro,、 WiridFanner 或WindFarmT模 型或計(jì)算,可用于確定風(fēng)力條件和/或現(xiàn)場條件。
一旦確定了現(xiàn)場條件,就評價(jià)主要場設(shè)計(jì)度量,步驟415。主要 場設(shè)計(jì)度量包括但不限于布局內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的機(jī)械載 荷設(shè)計(jì)界限,以及風(fēng)力發(fā)電場200的總發(fā)電量。響應(yīng)于步驟411中確 定的風(fēng)力條件,可以在現(xiàn)場300中的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)100上執(zhí)行機(jī)械 載荷分析??梢曰谔囟ǖ娘L(fēng)力渦輪機(jī)特點(diǎn),用適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)彈性風(fēng)力 渦輪機(jī)仿真模型或計(jì)算來執(zhí)行機(jī)械載荷評估??缮虡I(yè)獲得的風(fēng)力渦輪 機(jī)載荷分析工具的實(shí)例是BLADED(可從英國布里斯托爾的Garrad Hassan獲得)和ADAMS-WT(可從加利福尼亞圣安娜的MSC軟件公司 獲得)。任何載荷分析工具都可用于對特定的風(fēng)力渦輪機(jī)或特定的風(fēng)力 渦輪機(jī)設(shè)計(jì)模型化和/或確定風(fēng)力渦輪機(jī)100上的機(jī)械載荷(疲勞和極 限)。例如,機(jī)械載荷確定裝置可以是提供風(fēng)力渦輪機(jī)的不同構(gòu)件(例 如載荷傳感器)上的載荷水平、且通過將它們與設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行比較來計(jì) 算設(shè)計(jì)載荷界限的載荷分析工具。目標(biāo)是(例如)與設(shè)計(jì)載荷相比在所 有載荷傳感器上具有正的界限。此外,應(yīng)當(dāng)考慮疲勞和極限載荷兩者,^f旦是載荷分析可僅限于疲勞載荷,或者僅限于極限載荷。
除了確定機(jī)械載荷之外,主要現(xiàn)場設(shè)計(jì)度量包括風(fēng)力發(fā)電場的總 發(fā)電量的確定??梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)姆绞酱_定總發(fā)電量,包括但不限于 基于步驟413中所確定的風(fēng)力條件和現(xiàn)場條件對風(fēng)力渦輪機(jī)性能進(jìn)行 建;f莫。可商業(yè)獲得的工具可用于確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電量,該發(fā)
電量可以加總到風(fēng)力發(fā)電場水平。風(fēng)力資源網(wǎng)的使用是加速分析的特 別有效的選擇,但是必須包括尾流一莫型,以解決風(fēng)力渦輪機(jī)尾流造成 的發(fā)電減少。
主要場設(shè)計(jì)度量優(yōu)選地包括布局內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的
機(jī)械設(shè)計(jì)載荷界限和風(fēng)力發(fā)電場200的總發(fā)電量兩者,其中各個(gè)度量
單獨(dú)地相等地加權(quán)或不相等地加權(quán)。
一個(gè)輔助設(shè)計(jì)度量包括成本模型或計(jì)算,取決于渦輪機(jī)的數(shù)量是 固定的還是可自由變化的,該成本才莫型或計(jì)算量化了場成本或風(fēng)力發(fā) 電場總成本的收支差額。成本輔助設(shè)計(jì)度量可以附加到經(jīng)濟(jì)^^莫型中, 或者可以在經(jīng)濟(jì)才莫型之外提供。成本一莫型輔助設(shè)計(jì)度量能夠量化場成 本及風(fēng)力發(fā)電場總成本的收支差額。此外,經(jīng)濟(jì)模型或計(jì)算(可包括基 于總體能量捕獲的計(jì)算)提供了財(cái)務(wù)度量,例如內(nèi)部收益率。經(jīng)濟(jì)模型 輔助設(shè)計(jì)度量可以提供財(cái)務(wù)度量(諸如內(nèi)部收益率和開發(fā)商費(fèi)),或者 對風(fēng)力發(fā)電場的經(jīng)濟(jì)情況有影響的其它因素。
另一個(gè)輔助場設(shè)計(jì)度量包括風(fēng)力發(fā)電場200內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī) 處及附近的噪聲。在一個(gè)實(shí)施例中,噪聲模型可用于基于某些或全部 風(fēng)力渦輪機(jī)100的聲壓水平的貢獻(xiàn)來確定現(xiàn)場300內(nèi)或現(xiàn)場300附近 的所關(guān)注的任何點(diǎn)處的聲壓水平。例如,基于關(guān)于聲學(xué)的ISO標(biāo)準(zhǔn) 9613-2、利用對所關(guān)注的任何點(diǎn)處的總噪聲的第一級評估的方法可用 于提供用于噪聲的輔助場設(shè)計(jì)度量。
輔助設(shè)計(jì)度量可以包括風(fēng)力發(fā)電場200的、組合起來的或單獨(dú)的 經(jīng)濟(jì)分析、成本分析和/或噪聲分析,其中各個(gè)度量單獨(dú)地相等地加4又 或不相等地加權(quán)。一旦確定了主要場設(shè)計(jì)度量和輔助場設(shè)計(jì)度量,就分析該主要場 設(shè)計(jì)度量和輔助場設(shè)計(jì)度量、應(yīng)用約束且使場設(shè)計(jì)度量與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)
行比較,步驟419。主要現(xiàn)場和輔助現(xiàn)場的分析包括匯編度量并提供
與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的比較。例如,雖然不是限制性的,但是用于總發(fā)電量的 主要設(shè)計(jì)度量可以與用于能量捕獲的最大設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或期望的設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行比較。此外,可以應(yīng)用對布局的一個(gè)或多個(gè)約束。例如,約束 可以包括正的設(shè)計(jì)載荷界限。也就是說,單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)載荷
界限可以限制或者惡化風(fēng)力渦輪機(jī)100的特定位置或多個(gè)位置。此外, 示例性約束可以包括要求來自所有渦輪機(jī)的噪聲低于噪聲敏感區(qū)域 處所允許的最大聲壓水平。約束可以基于特定的約束消除或惡化位置 或布局。
一旦已完成了分析、約束應(yīng)用和比較,如果達(dá)到了停止標(biāo)準(zhǔn)(步驟 421),布局就是最終布局(步驟422)。停止標(biāo)準(zhǔn)可以包括(例如)場設(shè)計(jì) 度量在如步驟419中所確定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上的收斂?;蛘?,停止標(biāo)準(zhǔn)可 以是風(fēng)力渦輪機(jī)布局的預(yù)定次數(shù)的迭代。
如果還沒有達(dá)到停止標(biāo)準(zhǔn),則調(diào)整布局內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)位置(步驟 423),且過程返回到風(fēng)力渦輪機(jī)布局的準(zhǔn)備(步驟403)。步驟423中的 風(fēng)力渦輪機(jī)位置的調(diào)整中的新位置可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞酱_定。例 如,雖然不受這樣的限制,但是遺傳算法可用于確定用于風(fēng)力渦輪機(jī) IOO的新位置。在另一個(gè)實(shí)施例中,用于風(fēng)場200內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)IOO 的新位置可以隨機(jī)地確定。用于確定風(fēng)力渦4侖機(jī)位置的調(diào)整的適當(dāng)算 法可以包括計(jì)算或才莫型,例如遺傳算法和差異進(jìn)化、隨機(jī)搜索技術(shù)(例 如自適應(yīng)Metropolis搜索),以及包括基于梯度的方法和不基于梯度的 方法兩者的確定性搜索技術(shù)。
實(shí)例
圖6-10顯示了根據(jù)本公開的方法的、為風(fēng)力渦輪機(jī)布局找到的迭 代解。所顯示的布局中的各個(gè)布局都包括布置在邊界304界定的現(xiàn)場300內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)100。圖6-10所示的實(shí)例還包括現(xiàn)場300內(nèi)的禁 區(qū)303。
如圖6所示,在N1次迭代之后,根據(jù)本公開的方法評價(jià)布局600。 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括了最大限度地增大年發(fā)電量(AEP)。場設(shè)計(jì)度量包括了 年凈發(fā)電量(AEP)和機(jī)械設(shè)計(jì)載荷界限,兩者都是主要度量。用于設(shè) 計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)圖表6 01顯示為以千兆瓦時(shí)(GWhr)表示的年凈發(fā)電量。 強(qiáng)制執(zhí)行的約束包括了用于所有風(fēng)力渦輪機(jī)的正的機(jī)械設(shè)計(jì)載荷界 限,且"控制違反"圖表602包括了對應(yīng)于強(qiáng)加在布局上的約束處罰 的量級的違反區(qū)域603。遵從線605對應(yīng)于一點(diǎn),在該點(diǎn)上,對應(yīng)于 特定迭代的布局沒有^皮約束惡化(參見例如圖8-10)。隨著每次迭代, 根據(jù)場設(shè)計(jì)度量(即年發(fā)電量和機(jī)械設(shè)計(jì)載荷界限)的評價(jià)對布局進(jìn)行 調(diào)整。
如圖7所示,在N2次迭代之后,根據(jù)本公開的方法來評價(jià)布局 600。如圖8所示,在N3次迭代之后,根據(jù)本公開的方法來評〗介布局。 如圖9所示,在N4次迭代之后,根椐本公開的方法來評價(jià)布局。如 圖10所示,在N5次迭代之后,才艮據(jù)本乂>開的方法來評{介布局。在 N5次迭代時(shí), 一旦超過了迭代次數(shù),達(dá)到了包括了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的期望 的解(如AEP改進(jìn)5。/。),則基于期望的值A(chǔ)EP來確定最終布局,最大 極限(即N5)對應(yīng)于預(yù)定的最大迭代次數(shù)。
雖然已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將 理解,可以做出各種改變且等效物可以代替其元素,而不偏離本發(fā)明 的范圍。此外,可以做出許多修改,以使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明 的教導(dǎo)而不偏離其本質(zhì)范圍。因此,旨在使本發(fā)明不限于作為構(gòu)思為 用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式而公開的特定實(shí)施例,而是本發(fā)明將包括 落在所附的權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種包括至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的風(fēng)力發(fā)電場,所述至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)構(gòu)造成以便以下列方式來重新定位確定至少一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);提供包括至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置的風(fēng)力渦輪機(jī)布局;確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的現(xiàn)場條件;響應(yīng)于所述現(xiàn)場條件確定一個(gè)或多個(gè)場設(shè)計(jì)度量;響應(yīng)于所述現(xiàn)場條件分析場設(shè)計(jì)度量;將約束應(yīng)用于所述風(fēng)力渦輪機(jī)布局;將場設(shè)計(jì)度量和約束與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較;以及響應(yīng)于所述比較步驟選擇性地調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)選自由最大發(fā)電量、最大容量因數(shù)、最小尾流損失、最小成本、 最大內(nèi)部收益率、最大開發(fā)商費(fèi)、最小能量成本、最大凈現(xiàn)值及其組 合所組成的組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述現(xiàn)場 條件選自由風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變、風(fēng)湍流強(qiáng)度、空氣密度、氣象條件 及其組合所組成的組。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述至少 一個(gè)場設(shè)計(jì)度量包括主要場設(shè)計(jì)度量和輔助場設(shè)計(jì)度量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述場設(shè) 計(jì)度量包括所述風(fēng)力發(fā)電場的總發(fā)電量和機(jī)械設(shè)計(jì)載荷界限。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述主要 場設(shè)計(jì)度量選自由布局內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的機(jī)械設(shè)計(jì)載荷 界限和所述風(fēng)場的總發(fā)電量所組成的組。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述輔助 場設(shè)計(jì)度量選自由經(jīng)濟(jì)模型、風(fēng)力渦輪機(jī)成本、噪聲及其組合所組成的組。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述約束 直接約束可用于風(fēng)力渦輪機(jī)的所述布置的區(qū)域。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述選擇性地調(diào)整包括確定是否存在停止標(biāo)準(zhǔn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電場,其特征在于,所述選擇 性地調(diào)整包括基于遺傳算法來確定所述布局中的風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于風(fēng)力發(fā)電場中的風(fēng)力渦輪機(jī)布置的方法。公開了包括構(gòu)造成以便于被重新定位的至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的風(fēng)力渦輪機(jī)場。該至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)可以以下方式來重新定位確定至少一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),提供包括至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置的風(fēng)力渦輪機(jī)布局,確定各個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)位置處的現(xiàn)場條件,響應(yīng)于現(xiàn)場條件來確定一個(gè)或多個(gè)場設(shè)計(jì)度量,響應(yīng)于現(xiàn)場條件來分析場設(shè)計(jì)度量,將約束應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)布局,將場設(shè)計(jì)度量和約束與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,以及響應(yīng)于比較步驟選擇性地調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
文檔編號F03D9/00GK101592130SQ20091014920
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者K·希爾特, M·古普塔, P·吉格爾, S·R·古朱, V·賴亞利 申請人:通用電氣公司