捕获现有风场中低空风能的风机布置方法

摘要

本发明涉及一种捕获现有风场中低空风能的风机布置方法，其包括以下步骤：1)确定现有风场中的大型水平轴风机的排布方式以及垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距；2)选取叶轮直径和整体高度分别小于大型水平轴风机的叶轮直径和塔架高度的成对反向近地垂直轴风机；3)根据步骤1)选择在每相邻两排大型水平轴风机之间均布置至少一排成对反向近地垂直轴风机，且前排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；4)根据步骤1)确定各风机在平行于主导风向的间距。本发明使得无论在交错排布还是平齐排布的现有风场中，都可以通过在恰当的位置上插空布置合适尺寸的成对反向近地垂直轴风机来有效捕获现有风场的中低空风能，理论估计可将现有风场的能量输出提高25％～50％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风机布置方法，特别是关于捕获现有风场中低空风能的风机布置方法，属于风电场设计领域。

背景技术

过去10年，中国风力发电的发展突飞猛进，平均年增长速度超过50％。截止到2013年底，累计装机容量达到了91.4GW(世界322GW)，居于全球首位。然而，一方面，陆上优质风资源已基本开发完毕，剩余资源多位于开发成本极高的偏远地区和高山峻岭；另一方面，现有陆上风场的风能利用率不到10％，大量中低空风能还没有被有效开发。

对于高空风能，通过采用大型水平轴风机并安装于高塔的方式，能够有效捕获高空风能，在现有风场中得到了广泛应用；对于中低空风能，一般采用中小型水平轴风机捕获中低空风能，成为大型水平轴风机的有益补充。但是，与大型水平轴风机相比，中小型水平轴风机的尾流特性并没有明显改善，因而只能通过减小中小型水平轴风机的叶轮直径，来保证其不对大型水平轴风机的正常运行产生过多干扰，故在风场排布时，中小型水平轴风机的叶轮直径通常小于大型水平轴风机的叶轮直径的一半，其风能利用效率大幅降低。另一方面，为了捕获不同方向的来流风，中小型水平轴风机还需要配置对风装置，系统复杂，投资成本高。因而，尽管中小型垂直轴风机能捕获中低空风能，但其并不是一种简单、高效、经济的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供捕获现有风场中低空风能的风机布置方法，充分考虑了在现有已排布大型水平轴风机的风场中新嵌入近地垂直轴风机的多种布置方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种捕获现有风场中低空风能的风机布置方法，其包括以下步骤：1)首先确定现有风场中的大型水平轴风机的排布方式以及该现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距；2)选取叶轮直径D_b和整体高度H_b分别小于现有风场已排布的大型水平轴风机的叶轮直径D_a和塔架高度H_a的成对反向近地垂直轴风机；3)根据现有风场中的大型水平轴风机的排布方式以及该现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距，选择在每相邻两排大型水平轴风机之间均布置至少一排成对反向近地垂直轴风机，且相邻两排大型水平轴风机之间的前排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；4)根据现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距确定前排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机之间，或者相邻两排成对反向近地垂直轴风机之间在平行于主导风向的距离。

在一个平齐排布的现有风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥5D_a时，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置1排成对反向近地垂直轴风机，如此反复；每排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；前排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离≥4D_b，相邻两排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离≥6D_b。

在一个平齐排布的现有风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥10D_a时，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置2排成对反向近地垂直轴风机，如此反复；每2排成对反向近地垂直轴风机中的前排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内，后排成对反向近地垂直轴风机没有位于增速区；相邻两排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离≥6D_b，且每2排成对反向近地垂直轴风机中的后排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离≥4D_b。

在一个交错排布的现有风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥6D_a时，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置1排成对反向近地垂直轴风机，如此反复；每排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；前排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离≥6D_b。

在一个交错排布的现有风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥11D_a时，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置2排成对反向近地垂直轴风机，如此反复；每2排成对反向近地垂直轴风机中的前排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内，后排成对反向近地垂直轴风机没有位于增速区；相邻两排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离≥6D_b，且每2排成对反向近地垂直轴风机中的后排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离≥6D_b。

在一个优选的实施例中，成对反向近地垂直轴风机为两个近地垂直轴风机成对设置，其内部间隔为1.5D_b～2.0D_b，旋转方向相反。

在一个优选的实施例中，近地垂直轴风机选择Φ字形或H型垂直轴风机。

在一个优选的实施例中，近地垂直轴风机的叶轮直径D_b不超过大型水平轴风机的叶轮直径D_a的0.75倍，近地垂直轴风机的整体高度H_b不超过大型水平轴风机的塔架高度H_a的0.75倍。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明使得无论在交错排布还是平齐排布的现有风场中，都可以通过在恰当的位置上插空布置合适尺寸的成对反向近地垂直轴风机来有效捕获现有风场的中低空风能，理论估计可将现有风场的能量输出提高25％～50％以上。2、本发明采用近地垂直轴风机成对反向布置，与中小型水平轴风机相比，尾流影响区较小，对现有风场中的大型水平轴风机正常运转的干扰较小，且不受来流风向的限制，能捕获任意方向的来流风，因而布置更加灵活。3、本发明采用近地垂直轴风机，与水平轴风机相比，系统简单，投资成本大幅降低。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是近地垂直轴风机的叶轮直径、安装高度和位置的三维示意图；

图2是本发明实施例一的组合布置平面示意图；

图3是本发明实施例二的组合布置平面示意图；

图4是本发明实施例三的组合布置平面示意图；

图5是本发明实施例四的组合布置平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的捕获现有风场中低空风能的风机布置方法，其包括以下步骤：

1、首先确定现有风场中的大型水平轴风机的排布方式以及该现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距。其中，现有风场中的大型水平轴风机的排布方式包括平齐排布和交错排布。

2、选取叶轮直径D_b和整体高度H_b分别小于现有风场已排布的大型水平轴风机的叶轮直径D_a和塔架高度H_a的成对反向近地垂直轴风机(如图1所示)。其中，成对反向近地垂直轴风机为两个近地垂直轴风机成对设置，其内部间隔为1.5D_b～2.0D_b，旋转方向相反。

在一个优选的实施例中，近地垂直轴风机可以选择Φ字形或H型垂直轴风机。

3、根据现有风场中的大型水平轴风机的排布方式以及该现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距，选择在每相邻两排大型水平轴风机之间均布置至少一排成对反向近地垂直轴风机，且相邻两排大型水平轴风机之间的前排成对反向近地垂直轴风机的平面点位处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内。

4、根据现有风场已排布的大型水平轴风机按垂直于主导风向和平行于主导风向的行间距确定前排成对反向近地垂直轴风机与相邻后排大型水平轴风机之间，或者相邻两排成对反向近地垂直轴风机之间在平行于主导风向的距离，以保证成对反向近地垂直轴风机和成对反向近地垂直轴风机之间、成对反向近地垂直轴风机和大型水平轴风机之间的相互干扰较小。

下面针对不同的现有风场中的大型水平轴风机的排布方式并结合若干个实施例分别对本发明的组合布置方式进行具体说明。

在以下各实施例中，均以Φ字形垂直轴风机作为示意，成对反向近地垂直轴风机的内部间隔为1.65D_b，且近地垂直轴风机的叶轮直径D_b不超过大型水平轴风机的叶轮直径D_a的0.75倍，以下各实施例中取D_b＝0.75D_a；同时，近地垂直轴风机的整体高度H_b不超过大型水平轴风机的塔架高度H_a的0.75倍，以下各实施例中取H_b＝0.75H_a，采用上述近地垂直轴风机和大型水平轴风机在高度上的高低布置有利于减少相互间的干扰。此外，大型水平轴风机的额定功率取2MW，成对反向垂直轴风机的额定功率取0.6MW。

实施例一：

如图2所示，在该现有风场中大型水平轴风机按4D_a×5D_a平齐排布，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置1排成对反向近地垂直轴风机，如此反复。成对反向近地垂直轴风机的平面点位布置在相邻前排大型水平轴风机的中间靠后0.5D_a～2.0D_a位置处(图2中取1.0D_a来示意)，处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内。第1排成对反向近地垂直轴风机与第2排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离为3D_a～4.5D_a(满足≥4D_b)，以使前排成对反向近地垂直轴风机对相邻后排大型水平轴风机的干扰较小。第1排成对反向近地垂直轴风机与第2排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离为5D_a(满足≥6D_b)，以使相邻两排成对反向近地垂直轴风机相互之间的干扰较小。在一个平齐排布的风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥5D_a时，成对反向近地垂直轴风机都可采用此布置方法，根据风机尾流风能恢复曲线和增速效应，理论估计此布置方法可将原有风场的能量输出提高25％以上。

实施例二：

如图3所示，在该现有风场中大型水平轴风机按4D_a×10D_a平齐排布，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置2排成对反向近地垂直轴风机，如此反复。第1排成对反向近地垂直轴风机的平面点位布置在第1排大型水平轴风机的中间靠后0.5D_a～2.0D_a位置处(图3中取1.0D_a来示意)，处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；第2排成对反向近地垂直轴风机没有位于增速区。相邻两排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离为5D_a(满足≥6D_b)，以使相邻两排成对反向近地垂直轴风机相互之间的干扰较小。第2排成对反向近地垂直轴风机与第2排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离为3D_a～4.5D_a(满足≥4D_b)，以使前排成对反向近地垂直轴风机对相邻后排大型水平轴风机的干扰较小。在一个平齐排布的风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥10D_a时，成对反向近地垂直轴风机都可采用此布置方法，根据风机尾流风能恢复曲线和增速效应，理论估计此布置方法可将原有风场的能量输出提高50％以上。

实施例三：

如图4所示，在该现有风场中大型水平轴风机按4D_a×6D_a交错排布，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置1排成对反向近地垂直轴风机，如此反复。每排成对反向近地垂直轴风机的平面点位布置在相邻前排大型水平轴风机的中间靠后0.5D_a～1.0D_a位置处(图4中取1.0D_a来示意)，处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内。第1排成对反向近地垂直轴风机与第2排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离为5D_a～5.5D_a(满足≥6D_b)，以使前排成对反向近地垂直轴风机对相邻后排大型水平轴风机的干扰较小。在一个交错排布的风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥6D_a时，近地垂直轴风机都可采用此布置方法，根据风机尾流风能恢复曲线和增速效应，理论估计此布置方法可将原有风场的能量输出提高25％以上。

实施例四：

如图5所示，在该现有风场中大型水平轴风机按4D_a×11D_a交错排布，每相邻两排大型水平轴风机之间均布置2排成对反向近地垂直轴风机，如此反复。第1排成对反向近地垂直轴风机的平面点位布置在第1排大型水平轴风机的中间靠后0.5D_a～1.0D_a位置处(图5中取1.0D_a来示意)，处于相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内；第2排成对反向近地垂直轴风机没有位于增速区。第1排成对反向近地垂直轴风机与第2排成对反向近地垂直轴风机在平行于主导风向的距离为5D_a(满足≥6D_b)，以使相邻两排成对反向近地垂直轴风机相互之间的干扰较小。第2排成对反向近地垂直轴风机与第2排大型水平轴风机在平行于主导风向的距离为5D_a～5.5D_a(满足≥6D_b)，以使前排成对反向近地垂直轴风机对相邻后排大型水平轴风机的干扰较小。在一个交错排布的风场中，当大型水平轴风机的行间距取垂直于主导风向≥4D_a且平行于主导风向≥11D_a时，成对反向近地垂直轴风机都可采用此布置方法，根据风机尾流风能恢复曲线和增速效应，理论估计此布置方法可将原有风场的能量输出提高50％以上。

如下表1总结了实施例一至实施例四中的成对反向近地垂直轴风机(D_b＝0.75D_a，H_b＝0.75H_a)的不同组合布置方式适用的风场排布。

表1

本发明在实际应用时，应尽量将成对反向近地垂直轴风机布置在相邻前排大型水平轴风机引发的增速区内，且必须保证成对反向近地垂直轴风机和成对反向近地垂直轴风机之间、成对反向近地垂直轴风机和大型水平轴风机之间的相互干扰较小。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。