便攜式風(fēng)力發(fā)電與高層建筑一體化研究展望

李宇釗 廣州大學(xué) 廣東廣州 510000

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)全球能源、環(huán)境危機(jī)的日益加劇,可再生、綠色能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行.其中風(fēng)能是一種清潔且取之不盡、用之不竭的能源,在能源危機(jī)及電力輸送中電力耗損兩大難題的困擾下,世界各國(guó)對(duì)風(fēng)能的利用愈發(fā)關(guān)注.目前風(fēng)能發(fā)電主要以在偏遠(yuǎn)地區(qū)建立大型風(fēng)力發(fā)電廠為主,所發(fā)的電經(jīng)由國(guó)家電網(wǎng)輸送到城市中,但在輸送過(guò)程中會(huì)損失部分電能,而且一旦國(guó)家電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題,城市中將沒(méi)有足夠自給的電力供應(yīng),因此如何利用戶外固定的構(gòu)筑物,如高層建筑、橋梁等上設(shè)置的風(fēng)能發(fā)電裝置產(chǎn)生一定的自給電能日顯重要.城市中太陽(yáng)能與建筑一體化的研究及應(yīng)用已經(jīng)如火如荼,據(jù)估計(jì),單討論新建建筑與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),在已有建筑物上安裝風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的話,到2020年,每年僅建筑物上的便攜式小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)就可發(fā)電1.7-5.0TWh.但是便攜式風(fēng)能發(fā)電裝置的機(jī)理研究及實(shí)際應(yīng)用涉及的問(wèn)題非常復(fù)雜:安全性能、風(fēng)能發(fā)電機(jī)在建筑群強(qiáng)渦流環(huán)境中的可操作性、風(fēng)能發(fā)電對(duì)風(fēng)速,風(fēng)向,風(fēng)頻的設(shè)計(jì)要求及優(yōu)化都具有很大的挑戰(zhàn).

2 便攜式風(fēng)力發(fā)電與建筑一體化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電不受時(shí)間的限制,晝夜均可以持續(xù)發(fā)電,彌補(bǔ)了太陽(yáng)能光電板只能在白天陽(yáng)光充足時(shí)才能發(fā)電的缺陷,因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)既可自成一套獨(dú)立系統(tǒng)又可與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)配合使用.

城市中的氣流由于受建筑群的阻擋,風(fēng)速減小,以一棟100 m高的建筑物為研究對(duì)象,在空曠地區(qū),在該建筑物高50m和100m處的風(fēng)速分別為5m/s和5.5 m/s,在城郊地區(qū),風(fēng)速分別為4.1m/s和4.8m/s(分別降低20%和13% ),而在城市中心,風(fēng)速僅為3.0m/s和3.9m/s(比空曠地區(qū)分別降低40%和29%).

3 建筑與便攜式風(fēng)能發(fā)電裝置結(jié)合的主要形式

城市中風(fēng)力發(fā)電與建筑一體化主要有三種方式:風(fēng)機(jī)安裝在建筑屋頂上、風(fēng)機(jī)設(shè)置在兩座建筑物之間及風(fēng)機(jī)設(shè)置在建筑物的空洞中,其他的結(jié)合方式都是根據(jù)這三種方式發(fā)展而來(lái)的.

由于受建筑物的阻擋,建筑物上部的氣流會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象,造成強(qiáng)烈的紊流,使風(fēng)速急劇加快.英國(guó)Renewable Devices公司對(duì)建筑物附近的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析,風(fēng)速比相同高度處沒(méi)有受到阻擋的氣流高20% .

安裝在屋頂上的風(fēng)機(jī)由于會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)和噪音,所以風(fēng)機(jī)尺寸一般都很小.風(fēng)機(jī)形式有水平軸的和垂直軸的:

(1)水平軸風(fēng)機(jī)啟動(dòng)速度較慢且受風(fēng)向影響較大,必須將風(fēng)機(jī)與主導(dǎo)風(fēng)向垂直設(shè)置才會(huì)獲得最大效率.當(dāng)把小型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)成可 旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí),發(fā)電效率也會(huì)大大提高.

(2)垂直軸風(fēng)機(jī)則不受風(fēng)向的限制,只要有風(fēng),葉片就能轉(zhuǎn)動(dòng),且啟動(dòng)速度較快,產(chǎn)生的振動(dòng)小,但由于在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)離心力較大,所以風(fēng)機(jī)半徑不能過(guò)大.

4 便攜式風(fēng)力發(fā)電機(jī)與建筑結(jié)合現(xiàn)況

1981年第一座現(xiàn)代化的水平軸風(fēng)機(jī)Trimblemill被安裝在"理想之家展館" (Ideal Home Exhibition)的屋頂上,Trimblemill有2組直徑為5m且反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,前面一組有3個(gè)葉片,后面一組有5個(gè)葉片,水平軸中心距屋頂9.3m,大多時(shí)候風(fēng)速為15m/s,輸出功率為9kW.

1995年,位于都柏林的Temple Bar屋頂上安裝了3座直徑為3.2m的風(fēng)機(jī)(平均風(fēng)速12m/s,輸出功率1.5kW),與太陽(yáng)能光電板形成風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng),也為這座建筑贏得了綠色建筑獎(jiǎng).不過(guò)最 初這3座風(fēng)機(jī)卻給建筑物帶來(lái)了共振問(wèn)題,最后通過(guò)在葉片上安裝橡膠墊加大其重量來(lái)改變振動(dòng)頻率,共振問(wèn)題才算解決.

2003年,Fortis公司在一座廠房上安裝了3座直徑為5m、功率為4kW的風(fēng)機(jī),成為當(dāng)時(shí)最大的安裝在建筑物上的風(fēng)機(jī)組,雖然Fortis公司在報(bào)告中稱"噪音已不再成問(wèn)題",但在大風(fēng)天氣里仍會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題.

2009年完工的美國(guó)自由大廈高545 m,成為世界最高建筑之一.大廈頂部設(shè) 置了高50 m、內(nèi)置風(fēng)機(jī)的格窗結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)方Skidmore、Owings & Merrill公司(SOM)稱這種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)能使氣流不受阻擋地吹過(guò)風(fēng)機(jī).

5 便攜式風(fēng)能發(fā)電裝置的地區(qū)特性

每個(gè)地區(qū)有其特定的風(fēng)場(chǎng)特征,如三北地區(qū)、沿海地區(qū)、沙漠曠野地區(qū)都具有明顯的氣候特點(diǎn)與不同的地貌環(huán)境,而城市的建筑群對(duì)風(fēng)的阻擋改流也因考慮進(jìn)地貌的影響中,風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選址都要以地區(qū)的風(fēng)氣候特征為基礎(chǔ),再在此基礎(chǔ)上,對(duì)風(fēng)機(jī)的性能與機(jī)理進(jìn)行優(yōu)化

(1)風(fēng)機(jī)的方向與選址要以當(dāng)?shù)氐貐^(qū)氣象站的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)基礎(chǔ),累年的各風(fēng)向頻率分布,全年各平均風(fēng)速頻度分布圖,10m高各方位各重現(xiàn)期10min平均風(fēng)速,風(fēng)玫瑰圖結(jié)合,確定最佳的迎風(fēng)方向.

(2)根據(jù)氣象站在沿高度的累年平均風(fēng)速風(fēng)頻分布圖,確定風(fēng)機(jī)的尺寸跟共振頻率優(yōu)化,共振問(wèn)題會(huì)引起噪音與構(gòu)件損壞等安全適用性問(wèn)題

6 關(guān)鍵問(wèn)題

影響風(fēng)能發(fā)電機(jī)與建筑一體化建造的難題主要有:噪音問(wèn)題、安全隱患、風(fēng)頻共振、風(fēng)能利用率優(yōu)化、增加建筑結(jié)構(gòu)荷載.因此建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)與建筑一體化建造至關(guān)重要,必須遵循以下原則:(1)增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性;(2)風(fēng)機(jī)與建筑的連接構(gòu)件必須簡(jiǎn)潔、平滑;(3)設(shè)置安全防護(hù)措施,以消除對(duì)周?chē)腥恕?財(cái)產(chǎn)的安全威脅;(4)解決風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題,避免風(fēng)機(jī)的振動(dòng)頻率接近建筑物的振動(dòng)頻率而引起共振,造成對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞.