用于改善能量捕获设备的能量捕获效率的方法和系统与流程

本发明涉及改善能量捕获设备的能量捕获效率。更具体但不排他地，本发明涉及能量捕获设备(诸如风力涡轮机、潮汐涡轮机等)的偏转失准的校正。

背景技术：

近年对可再生能源技术(包括海上和路上风力)的可靠、高效和成本效益的发电的需求不断增加。

人们认识到，从风力涡轮机的能量捕获效率取决于许多因素，其中之一是风力涡轮机与风的方向的相对角度，并且如果风力涡轮机转子关于偏转角没有最佳对准该入射资源则最大效率可能无法实现。

虽然现代风力涡轮机的偏转角可被调整，但是偏转失准仍然是其阻止在最大可实现能量捕获操作的通病。

风力涡轮机偏转失准的校正需要准确地测量风向以按要求调整风力涡轮机的偏转角的能力。常规技术依赖于在风力涡轮机的机舱附近的风向测量。然而，常规测量技术明显不精确。这些不精确可以例如是由于涡轮机的构建和试运行期间不正确的设置。常规技术也由于测量的明显流场畸变效应的事实而不精确。这些不精确可以是大的，特别是在复杂流动行为的情况下，例如湍流扰动。

这些不精确可能对效率带来显著不利影响并因此对给定的风力涡轮机的使用带来不利影响。

技术实现要素：

本发明的方面涉及用于通过分析能量捕获设备产生的下游流体尾流来改善从能量捕获设备的能量捕获效率的方法和系统。

更具体地但不排他地，本发明的方面涉及用于在通过分析能量捕获设备产生的下游流体尾流来在校正能量捕获设备的偏转失准中使用的方法和系统，该能量捕获设备例如但不限于风能捕获设备(例如风力涡轮机)或潮汐能量捕获设备(例如潮汐涡轮机)。

根据本发明的第一方面，提供了一种方法，包括：

从由能量捕捉设备产生的下游流体尾流获取流体流数据；和

从获取的数据提供输出值，该输出值指示能量捕获设备相对于撞击能量捕获设备的流体流的方向的偏转角。

操作风力涡轮机从气流提取能量，并且因此产生下游“尾流”，在其内空气流具有降低的速度和增加的湍流。给定风速计和风向标(其分别只测量在单个点的风速和方向)的局限，此尾流的精确测量在历史上一直难以实现。本发明的实施方式通过测量能量捕获设备后面的尾流的特性来校正偏转失准和/或改善能量捕获效率，有利地克服或至少减轻了与常规技术相关联的缺点。例如，在能量捕获设备包括例如风力涡轮机的风能量捕获设备的实施方式中，可能确立涡轮机转子是否完全对准，也就是与空气流垂直。

传感装置可位于能量捕获设备上。可替代地或附加地，传感装置部分或全部的可以被设置在远程位置。传感装置可被设置在能够感测尾流的任何其他合适的位置。传感装置可被设置在地面。传感装置可被设置在平台上，例如一个海上平台等。传感装置可被设置在另一能量捕获设备上。

该方法可以包括使用所述传感装置从能量捕获装设备扫描下游尾流。

该方法可以包括测量和/或映射尾流的形状。

该方法可以包括测量和/或映射尾流的强度。

流体流数据可以包括流体速度数据。例如，在特定实施方式中，能量捕获设备可以包括风能捕获设备且所述流体流数据可以包括空气速度数据。在其他实施方式中，能量捕获设备可以包括潮汐能捕获设备且流体流数据可以包括水速度数据。

流体流数据可以包括相对于能量捕获设备的轴的流体位置和/或方向数据。流体流数据可以包括与相对于能量捕获设备的轴的流体方位角有关的数据。

该方法可以包括从尾流获取流体流速度数据和流体位置数据。

该方法可以包括从所获取的流体流数据确定尾流的核心，该尾流的核心的定位和/或行为对应于撞击在能量捕获设备的流体流的方向。

该方法可以包括绘制用于确定尾流核心的流体流数据，尾流核心对应于撞击能量捕获设备的流体流的方向。

该方法可以包括针对相对于能量捕获设备的轴的流体位置数据绘制流体流速度数据，以确定尾流核心。

在特定的实施方式中，该方法可以包括根据尾流的横截面绘制流体流数据，以确定尾流核心。

尾流的核心可包括相对于能量捕获设备的轴具有最低平均流速度的位置。例如，在相对于相对于能量捕获设备的轴的位置的流速度曲线上绘制尾流核心的位置曲线时，尾流核心可以定义获取的数据的最小值。

有利地，识别尾流核心特别是相对于所述能量捕获设备的轴的尾流核心的位置的能力，允许精确指示撞击能量捕获设备的流体流的真正方向。例如，在所述能量捕获设备包括风能获取设备(例如风力涡轮机)的实施方式中，识别相对于涡轮机的轴的尾流核心的位置或方位角允许转子在偏转角方面最佳对准入射资源。

获取流体流动数据可通过任何合适手段来实现。

流体流数据可以被远程地获取。

流体流数据可以由远程传感装置来获取。

流体流数据可以在三维流场来获得。

有利地，在三维流场获取数据的能力允许由能量捕获设备产生的复杂的空气流以高精确度和在广括区域被映射。

在特定的实施方式中，传感装置可以包括激光雷达传感装置。

有利地，激光雷达传感装置，其使用光源或激光来测量三维流场的空气流速度，允许测量广括区域的复杂空气流。因此，通过使用激光雷达传感装置来测量尾流的形状和强度，有可能确立在入射资源通过转子盘时涡轮机是否最佳被对准(例如但不排他地，垂直)到入射资源。

可替代地，传感装置可以包括声雷达传感装置。声雷达传感装置，其使用声源测量三维流场的流速度，允许测量广括区域的复杂水流。通过使用声雷达传感装置来测量尾流的形状和强度，有可能确立在入射资源通过转子盘时涡轮机是否最佳对准(例如但不排他地，垂直)到入射资源。

该方法可以包括调整所述能量捕获设备的偏转角。

特别是，该方法可以包括调整所述能量捕获设备的偏转角，使得尾流的核心对应于能量捕获设备的轴。

通过减少或消除能量捕获设备与撞击能量捕获设备的入射资源之间的偏转角，偏转失准可被减少或消除，能量提取和发电的效率可以最大化或至少被改善。

输出值可以被传送到控制系统。例如，输出值可以直接被传送到控制系统，使得控制系统实时、在预定时间阈值或在能量捕获设备相对于撞击能量捕获设备的流体的方向的偏转角超过特定阈值时，调整能量捕获设备的位置。

可替代地或附加地，该方法可以包括将输出值传送到远程位置，例如给操作者、控制中心等。

根据本发明的第二个方面，提供了一种系统，包括：

传感装置，被配置成从能量捕获设备的下游尾流获取流体流数据；以及

通信装置，用于提供指示入射资源的平均方向与能量捕获设备的角度之间的差的输出值。

传感装置可被安装或以其他方式设置在能量捕获设备上。

能量捕获设备可包括转子。能量捕获设备可包括多个叶片。

能量捕获设备可以包括机舱。

传感装置可被设置在能量捕获设备的机舱上。

传感装置可被配置成从能量捕获设备扫描尾流。

参考点在涡轮机轴/机舱轴处或附近。

能量捕获设备可以是任何适当的形式和结构。

在特定的实施方式中，能量捕获设备可以包括风能提取设备，例如风力涡轮机等等。

该传感装置可以是任何适当的形式和结构。

传感装置可以包括远程传感装置。

传感装置可被配置成测量三维流域的流体流速，例如气流速度。

在特定的实施方式中，传感装置可以包括激光雷达传感装置。

可替代地，传感装置可以包括声雷达传感装置。

该系统可以包括控制系统。

该控制系统可以被配置为调整能量捕获设备的位置，例如偏转角。

该通信装置可以是任何适当的形式和结构。

该通信装置可以被配置为传送输出值给控制系统。

可替代地或附加地，通信装置可以被配置为将输出值传送到远程位置。

应当理解的是，根据本发明的任意方面或下面关于本发明的任何具体实施方式的以上定义的特征可以单独使用或与本发明的实施方式的任意其他方面中的任意其他定义的特征结合使用。

附图说明

现在将仅通过示例参考附图来描述本发明的这些和其他方面，其中：

图1是根据本发明的实施方式的风力涡轮机系统的示意图；

图2示出了在本发明中使用的传感装置；

图3是在第一位置中的图1中示出的风力涡轮机系统的示意主视图；

图4是示出在图3中示出的第一位置的风力涡轮机系统的风速与方位角的图的曲线图；

图5是在第二位置中的图1中示出的风力涡轮机系统的示意主视图；

图6是示出图5中示出的第二位置中的风力涡轮机系统的风速与方位角的图的曲线图；

图7是根据本发明的另一实施方式的潮汐涡轮机系统的示意图；

图8示出了在本发明中使用的传感装置；

图9是在第一位置中的图7中示出的潮汐涡轮机系统的示意主视图；

图10是示出图9中示出的第一位置中的潮汐涡轮系统的水速度与方位角的图的曲线图；

图11是在第二位置中图7中示出的潮汐涡轮机系统的示意主视图；

图12是示出图11中示出的第二位置中潮汐涡轮系统的水速度与方位角的图的曲线图；以及

图13是根据本发明的另一实施方式的涡轮机系统的示意图。

具体实施方式

首先参照图1，示出了根据本发明的一个实施方式的系统10的示意立体图。

在图示的实施方式中，系统10包括风力涡轮机系统。然而，应当认识到，系统10可以采取其它形式，并且可以例如包括潮汐能捕获涡轮机系统等。

如在图1中所示，风力涡轮机系统10包括风力涡轮机12，具有塔架14、机舱16和具有多个径向延伸的叶片20的轮毂18。轮毂18经由驱动轴24可操作耦合到发电机22。在示出的实施方式中，齿轮箱形式的齿轮装置26被提供，但是在其他实施方式中可以不提供齿轮装置。在图示的实施方式中，涡轮机12还包括控制器28，该控制器28可操作地耦合到能够调整涡轮机12的角度的偏转驱动装置30。

在使用中，撞击叶片20的风W的动能驱动轮毂18相对机舱16旋转，此动能经由驱动轴24(以及其中所提供的齿轮装置26)传送到发电机22，在此动能被转换成电能。

如在图1中所示并参照图2，系统10还包括传感装置32，其在示出的实施方式中被设置在风力涡轮机12的机舱16上。但是可以理解该传感装置32可以被提供在其它合适的位置，例如远程位置、平台、地面上或在一个或多个其它涡轮机上。

在使用中，并且还参照图3，其示出了在第一位置的风力涡轮机系统10的示意主视图，传感装置32被配置为从风力涡轮机12的转动的叶片20产生的下游尾流34获取气流数据。在所示实施方式中，传感装置32包括具有光源36的激光雷达单元35，在所示实施方式中光源36是激光源，用于在所希望的流场发射光束，该流场在本发明的实施方式中包括叶片20产生的下游流体尾流34。单元35还包括或可操作地关联到接收器38(在示出的实施方式中是光学天线)，用于检测从尾流34反射回的光。在所示实施方式中，这可以通过测量光辐射的反向散射(其通过风携带的自然悬浮微粒反射，例如灰尘、水滴、污染物、花粉、盐晶体等)来实现。

在使用中，传感装置32获取三维流场的尾流34中的气流速度有关的数据，该数据然后被处理以确定风力涡轮机12和入射资源W的平均方向D的相对角。

为了说明本发明的系统和方法，现在参考图3至6描述该风力涡轮机系统10的操作。

如上所述，图3示出了在第一位置的风力涡轮机系统10的主视图，其中，风力涡轮机12被设置在与风W的平均方向D呈一个角度Θ。

传感装置32被设置在或校准在涡轮机12的转动轴40，并且在使用中传感装置32通过扫描三维场(其包括涡轮机12的叶片20产生的尾流34)获取相对于涡轮机轴32的方位角和风速数据，在示出的实施方式中，该扫描由附图标记42表示。

图4中示出了在涡轮机12处于第一位置时获取的尾流34的横截面A-A的风速和方位角数据的图的曲线图。从图3和4中可以看到，涡轮机12的叶片20产生的尾流34被偏转(deflect)且尾流34的核心44(曲线图中最低点表示)与涡轮机12的旋转轴40不对准，相对于涡轮机旋转轴40的核心44的方位角α对应于涡轮机12相对于入射资源D的平均方向的失准。

以这种方式，指示涡轮机12相对于风方向D的未对准的输出可以被产生，其可以被传送给操作者或直接传送到控制系统，在那里其可被用于改变涡轮机12的角度从图3所示的位置到图5所示的位置。

图5示出在第二位置的风力涡轮机系统10的主视图，其中，风力涡轮机12位于与涡轮机12的旋转轴40完全对准，且图6示出了示出在涡轮机12在第二位置时获取的尾流34的横截面B-B的风速和方位角数据的图的曲线图。从图5和6中可以看出，涡轮机12的叶片20所产生的尾流34是关于涡轮机旋转轴40对称的，且尾流34的核心44(如由曲线中最低点表示的)与涡轮12的旋转轴40对准。

通过利用本发明的方法和系统，能够以高精确度建立正确的偏转对准，从而最大化涡轮效率和能量产生。

应当理解的是，这里所描述的实施方式仅仅是示例性的，且可以在不脱离本发明的范围的情况下可对这些实施方式做出各种修改。

例如，尽管上面描述的特定实施方式涉及使用激光雷达传感装置的风能捕获系统，但是本发明的其他实施方式可以采取其它形式。

现在参照图7至12，示出了根据本发明的可替换实施方式的系统110。该系统110包括用于位于水S体中的潮汐能捕获系统，且其利用声雷达(声音探测和测距)传感装置，但是可以理解其它传感装置可被用在合适的地方。

如图7所示，潮汐涡轮机系统110包括潮汐涡轮机112，具有塔架114、机舱116和具有多个径向延伸的叶片120的轮毂118。轮毂118经由驱动轴124可操作地耦合到发电机122。在示出的实施方式中，提供齿轮箱形式的齿轮装置126，但是在其他实施方式中可以不提供齿轮装置。在示出的实施方式中，涡轮机112还包括控制器128，该控制器128可操作地耦合到能够调整水体中的涡轮机112的角度的偏转驱动器装置130。

在使用中，撞击在叶片120的水的动能驱动轮毂118相对于机舱116旋转，该动能经由驱动轴124(以及其中所提供的齿轮装置126)传递到发电机122，在此其被转换成电能。

如在图7中所示并参照图8，系统110还包括传感装置132，其在示出的实施方式中被设置在潮汐涡轮机112的机舱116。但是可以理解，该传感装置132可以被设置在其它合适的位置，例如远程位置、平台、海底或在一个或多个其它涡轮机。

在使用中，并且还参照图9，其示出了在第一位置的潮汐涡轮机系统110的示意主视图，传感装置132被配置为从潮汐涡轮机112的旋转的叶片120产生的下游尾流134获取流数据。在所示实施方式中，传感装置132包括声雷达单元135，具有声源136，用于通过期望的流场发射声音脉冲，该流场在本发明的实施方式中包括叶片120产生的下游流体尾流134。声雷达单元135还包括或者可操作地关联到接收器138，用于检测从尾流134反射回的声音。

在所示实施方式中，这通过在一定频率发射声音的短脉冲来实现。声音传播向外和向上，同时声音的一部分被反射回。所接收的信号的多普勒频移与对准到传输声音路径的流体速度成正比例。通过组合这些脉冲的三个或五个，例如一个沿着垂直方向且两个或四个倾斜于垂直，平均值和湍流值两者的三维速度场被计算。

在使用中，传感装置132获取与经过三维流场的尾流134中的流速度有关的数据，该数据然后被处理以确定风力涡轮机112和入射资源W’的平均方向D’的相对角度。

为了说明本发明的系统和方法，现在参考图9至12描述该风力涡轮机系统110的操作。

如上所述，图9示出了在第一位置的潮汐涡轮机系统110的主视图，其中，潮汐涡轮机12被设置在与入射资源W’的平均方向D’呈角度Θ’的位置。

传感装置132被设置在或校准到涡轮机112的旋转轴140，并且在使用中，传感装置132通过扫描三维场(其包括涡轮机112的叶片120产生的尾流134)来获取相对于涡轮机轴132的流体速度和方位角数据，在示出的实施方式中，该扫描由附图标记142表示。

图10示出了在涡轮机112在第一位置时尾流134的横截面C-C的获取的流速度和方位角数据的图的曲线图。从图9和10中可以看出，涡轮机112的叶片120所产生的尾流134被偏转(deflect)且尾流134的核心144(如在曲线图中由最低点表示的)与涡轮机112的旋转轴40不对准。相对于涡轮机旋转轴140的核心144的方位角α’对应于相对于入射资源D’的平均方向的涡轮机112的失准。

以这种方式，表示涡轮机112相对于流方向D的未对准的输出可以被产生，其可以被传送给操作者，或者直接传送到控制系统，在那里其可被用来改变涡轮机112的角度，从图9所示的位置到图11所示的位置。

图9示出在第二位置的潮汐涡轮机系统110的主视图，其中，潮汐涡轮机112被设置与涡轮机112的旋转轴140完全对准，且图12示出示出在涡轮机112在第二位置时尾流134的横截面D-D的获取的流速度和方位角数据的图的曲线图。可从图11和12中可以看出，涡轮机112的叶片120产生的尾流134是关于涡轮机旋转轴140对称且尾流134的核心144(如在曲线图中由最低点表示的)与涡轮机112的旋转轴140对准。

虽然在上述实施方式中，传感装置被设置在涡轮机，但可以理解传感装置可被设置在能够感测尾流的任意其他合适位置。

现在参照图13，示出了根据本发明的可替换实施方式的系统210。系统210类似于上面描述的系统10、110，不同在于传感装置232位于地面。

如图13所示，涡轮机系统210包括涡轮机212，具有塔架214、机舱216和具有多个径向延伸的叶片220的轮毂218。轮毂218经由驱动轴224可操作地耦合到发电机222。在示出的实施方式中，提供齿轮箱的形式的齿轮装置226，但是在其他实施方式中可以不提供齿轮装置。在所示实施方式中，涡轮机212还包括控制器228，该控制器228可操作地耦合到能够调整涡轮机212的角度的偏转驱动装置230。

在使用中，叶片220上的入射资源(例如空气或水)的动能驱动轮毂218相对于机舱216转动，该动能经由驱动轴224(以及其中提供的齿轮装置226)被传递到发电机222，在此该动能被转换成电能。

如上所述，在本实施方式中传感装置232被设置在地面并且被配置为从涡轮212的旋转叶片220产生的下游尾流234获取流数据。传感装置232本身可以是任何合适形式并且可以例如包括激光雷达传感装置(例如上述的传感装置32)或声雷达传感装置(例如上述的传感装置132)。

可以理解，本发明的方法和系统可以在能量捕获设备的工作寿命期间以多种不同的方式并在不同的实例被使用。例如，该技术可涉及传感装置的短期应用，在此之后，对准可以被校正且传感装置被移除在别处使用。可替换地，传感装置可留在原地连续应用。