便攜式風力發(fā)電與高層建筑一體化設計和研究

　　這篇建筑工程師論文發(fā)表了便攜式風力發(fā)電與高層建筑一體化設計和研究，現(xiàn)代社會全球能源、環(huán)境危機的日益加劇，可再生、綠色能源如太陽能、風能的開發(fā)勢在必行。如何利用戶外固定的構(gòu)筑物，如高層建筑、橋梁等上設置的風能發(fā)電裝置產(chǎn)生一定的自給電能日顯重要。

　　關(guān)鍵詞：建筑工程師論文,風力發(fā)電論文,高層建筑

　　1引言

　　其中風能是一種清潔且取之不盡、用之不竭的能源，在能源危機及電力輸送中電力耗損兩大難題的困擾下，世界各國對風能的利用愈發(fā)關(guān)注。目前風能發(fā)電主要以在偏遠地區(qū)建立大型風力發(fā)電廠為主，所發(fā)的電經(jīng)由國家電網(wǎng)輸送到城市中，但在輸送過程中會損失部分電能，而且一旦國家電網(wǎng)出現(xiàn)問題，城市中將沒有足夠自給的電力供應。

　　城市中太陽能與建筑一體化的研究及應用已經(jīng)如火如荼，據(jù)估計，單討論新建建筑與風力發(fā)電設備進行一體化設計，在已有建筑物上安裝風力發(fā)電設備的話，到2020年，每年僅建筑物上的便攜式小型風能發(fā)電機就可發(fā)電1.7-5.0TWh。但是便攜式風能發(fā)電裝置的機理研究及實際應用涉及的問題非常復雜：安全性能、風能發(fā)電機在建筑群強渦流環(huán)境中的可操作性、風能發(fā)電對風速，風向，風頻的設計要求及優(yōu)化都具有很大的挑戰(zhàn)。

　　2便攜式風力發(fā)電與建筑一體化設計的特點

　　風力發(fā)電不受時間的限制，晝夜均可以持續(xù)發(fā)電，彌補了太陽能光電板只能在白天陽光充足時才能發(fā)電的缺陷，因此風力發(fā)電系統(tǒng)既可自成一套獨立系統(tǒng)又可與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配合使用。

　　城市中的氣流由于受建筑群的阻擋，風速減小，以一棟100 m高的建筑物為研究對象，在空曠地區(qū)，在該建筑物高50m和100m處的風速分別為5m/s和5.5 m/s，在城郊地區(qū)，風速分別為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建筑與便攜式風能發(fā)電裝置結(jié)合的主要形式

　　城市中風力發(fā)電與建筑一體化主要有三種方式：風機安裝在建筑屋頂上、風機設置在兩座建筑物之間及風機設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)展而來的。

　　由于受建筑物的阻擋，建筑物上部的氣流會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，造成強烈的紊流，使風速急劇加快。英國Renewable Devices公司對建筑物附近的風場進行了模擬分析，風速比相同高度處沒有受到阻擋的氣流高20% 。

　　安裝在屋頂上的風機由于會產(chǎn)生強烈的震動和噪音，所以風機尺寸一般都很小。風機形式有水平軸的和垂直軸的：

　　(1)水平軸風機啟動速度較慢且受風向影響較大，必須將風機與主導風向垂直設置才會獲得最大效率。當把小型風機設計成可 旋轉(zhuǎn)一定角度時，發(fā)電效率也會大大提高。

　　(2)垂直軸風機則不受風向的限制，只要有風，葉片就能轉(zhuǎn)動，且啟動速度較快，產(chǎn)生的振動小，但由于在轉(zhuǎn)動時離心力較大，所以風機半徑不能過大。

　　4便攜式風力發(fā)電機與建筑結(jié)合現(xiàn)況

　　1981年第一座現(xiàn)代化的水平軸風機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個葉片，后面一組有5個葉片，水平軸中心距屋頂9.3m，大多時候風速為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的風機(平均風速12m/s，輸出功率1.5kW)，與太陽能光電板形成風光互補系統(tǒng)，也為這座建筑贏得了綠色建筑獎。不過最 初這3座風機卻給建筑物帶來了共振問題，最后通過在葉片上安裝橡膠墊加大其重量來改變振動頻率，共振問題才算解決。

　　2003年，F(xiàn)ortis公司在一座廠房上安裝了3座直徑為5m、功率為4kW的風機，成為當時最大的安裝在建筑物上的風機組，雖然Fortis公司在報告中稱“噪音已不再成問題”，但在大風天氣里仍會帶來嚴重的振動問題。

　　2009年完工的美國自由大廈高545 m，成為世界最高建筑之一。大廈頂部設 置了高50 m、內(nèi)置風機的格窗結(jié)構(gòu)，設計方Skidmore、Owings & Merrill公司(SOM)稱這種開放式結(jié)構(gòu)能使氣流不受阻擋地吹過風機。

　　5便攜式風能發(fā)電裝置的地區(qū)特性

　　每個地區(qū)有其特定的風場特征，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與不同的地貌環(huán)境，而城市的建筑群對風的阻擋改流也因考慮進地貌的影響中，風機的設計選址都要以地區(qū)的風氣候特征為基礎，再在此基礎上，對風機的性能與機理進行優(yōu)化

　　(1)風機的方向與選址要以當?shù)氐貐^(qū)氣象站的長期數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)基礎，累年的各風向頻率分布，全年各平均風速頻度分布圖，10m高各方位各重現(xiàn)期10min平均風速，風玫瑰圖結(jié)合，確定最佳的迎風方向。

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

　　6關(guān)鍵問題

　　影響風能發(fā)電機與建筑一體化建造的難題主要有：噪音問題、安全隱患、風頻共振、風能利用率優(yōu)化、增加建筑結(jié)構(gòu)荷載。因此建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計對風機與建筑一體化建造至關(guān)重要，必須遵循以下原則：(1)增強建筑的穩(wěn)定性;(2)風機與建筑的連接構(gòu)件必須簡潔、平滑;(3)設置安全防護措施，以消除對周圍行人、 財產(chǎn)的安全威脅;(4)解決風機的振動問題，避免風機的振動頻率接近建筑物的振動頻率而引起共振，造成對建筑結(jié)構(gòu)的破壞。

　　【參考文獻】

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　　推薦閱讀：《東方電氣評論》(季刊)創(chuàng)刊于1987年，由中國東方電氣集團公司，四川省動力工程學會主辦。國內(nèi)外公開發(fā)行。

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