風(fēng)力機擴散器和建筑洞口融合的研究

陳 濤

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

風(fēng)力機擴散器和建筑洞口融合的研究

陳 濤

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

探討風(fēng)電建筑設(shè)計原理，根據(jù)國外建筑洞口風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的案例，結(jié)合課題組風(fēng)洞實驗對風(fēng)力機擴散器的研究，提出風(fēng)電建筑物跟擴散器“虛實結(jié)合”的設(shè)計理念，為建筑師對建筑布局及可持續(xù)建筑設(shè)計提供參考。

風(fēng)力發(fā)電;可再生能源;可持續(xù)建筑

一、引言

由于環(huán)境危機和能源開采日益嚴(yán)重，風(fēng)能等可再生能源的利用已經(jīng)逐漸引起國家的重視，建筑節(jié)能已經(jīng)成為大家的共識，建筑風(fēng)電成為建筑節(jié)能設(shè)計新的發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)外建筑風(fēng)電利用的案例還比較少，在建筑洞口設(shè)計安裝風(fēng)力機的案例更加匱乏?，F(xiàn)有的建筑洞口風(fēng)電設(shè)計比較粗糙，本文基于風(fēng)力機擴散器方面的知識，對風(fēng)力機擴散型建筑提出研究設(shè)想，提出擴散器“虛實結(jié)合”的設(shè)計理念，希望在改善風(fēng)速較低區(qū)域的風(fēng)力機使用情況，實現(xiàn)風(fēng)力機的“隨風(fēng)而動”。

二、建筑洞口風(fēng)電設(shè)計

(一)建筑風(fēng)資源特點

人類居住生活的建筑物普遍分布在大氣邊界層內(nèi)，由于地表摩擦等因素的影響，平均風(fēng)速一般隨高度的變化而發(fā)生變化。而區(qū)域風(fēng)速的大小又受到建筑物密集程度的影響，建筑物密集程度大的區(qū)域風(fēng)速比較小，而建筑物密集程度小的區(qū)域風(fēng)速比較大。

(二)建筑洞口風(fēng)力發(fā)電設(shè)計原理

受到地表摩擦和建筑物遮擋等因素的影響，在同一高度下，一般情況大都市中心地帶的風(fēng)速小于城市郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的風(fēng)速，鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市郊區(qū)的風(fēng)速又小于平原、沿海地帶建筑群周圍的風(fēng)速。不同區(qū)域風(fēng)速存在差異，不同的建筑分布有可能給局部風(fēng)速帶來強化的作用。建筑洞口風(fēng)力

發(fā)電設(shè)計就是利用建筑群周圍的風(fēng)資源，在洞口處安裝定向式風(fēng)力機，從而盡可能的開發(fā)利用風(fēng)資源，滿足居民住宅的用電需求，減少電力運輸成本和運輸過程中帶來的損耗，實現(xiàn)風(fēng)電“就地生產(chǎn)、就地消化”。

(三)建筑洞口風(fēng)力發(fā)電設(shè)計案例

1.邁阿密COR生態(tài)樓

美國佛羅里達(dá)州邁阿密COR項目項目面積為48萬平方英尺，由建筑師乍得奧噴海姆建筑+設(shè)計事務(wù)所設(shè)計而成。COR生態(tài)樓是邁阿密市第一個多功能可持續(xù)性建筑，大廈25層，耗資4000萬美元，是生態(tài)學(xué)、建筑學(xué)和結(jié)構(gòu)技術(shù)三者的結(jié)合，有著住宅、商業(yè)、辦公、休閑等功能。該項目采用了多項新能源技術(shù)，重視對風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用。

2.倫敦“電須刀”公寓樓

倫敦建造世界首個渦輪風(fēng)電摩天公寓樓，這棟公寓樓名字叫做Strata，因為其外形和電動剃須刀極為相似，所以當(dāng)?shù)厝嗣榔涿麨椤半婍毜丁?，整個公寓樓高約148米，在其頂部建筑洞口安裝三個直徑大小為9米的渦輪風(fēng)力發(fā)電機，可以為整個公寓樓提供大約8%的用電量。

三、風(fēng)力機擴散器的優(yōu)缺點

(一)風(fēng)力機擴散放大器的作用

風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率計算公式簡化為:P=P0Cp=0.5ρCpSV3式中:P0為氣流通過S截面無干擾時的功率，Cp為功率系數(shù)(Betz系數(shù))，ρ為空氣密度，S為截面面積，V為通過風(fēng)輪的風(fēng)速

理想工況下，風(fēng)力機運行時功率系數(shù)最大為0.593。加裝風(fēng)力機擴散放大器能增加通過風(fēng)輪運行截面處的流量，從而提高通過風(fēng)輪的風(fēng)速。如果通過風(fēng)輪的風(fēng)速能提高6%，那么根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率的計算公式，輸出功率能提高19.1%。

為了對風(fēng)力機擴散放大器的性能具體了解，課題組通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗對漸縮漸擴弧線型、漸縮漸擴直壁型、單一漸擴型3種類型的擴散器進(jìn)行了流量比增益特性的研究，得到面積比相同、最小截面直徑

相同、形狀不同的3種類型擴散器中漸進(jìn)漸擴弧線型流量比增益最大，以及型號相同的擴散器最小截面的流量隨面積比增大而提高的兩個結(jié)論。［2－4］

(二)風(fēng)力機擴散放大器的雞肋問題

擴散放大型風(fēng)力機雖然可以明顯提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出的功率，但是在實際的推廣應(yīng)用中卻面臨的幾大問題:

1.在風(fēng)力機上加擴散器，會加大了風(fēng)力機對風(fēng)的阻力，增加額外的負(fù)載。另外，在不同程度偏航風(fēng)的作用下，也會對風(fēng)力機擴散器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。

2.在風(fēng)力機上加擴散器，額外的重量會使塔架的負(fù)荷加大。另外，擴散器的制造與安裝會使得風(fēng)力機發(fā)電組的成本增加。

3.相較于在風(fēng)力機上加擴散器來說，增加風(fēng)力機葉片長度通常價格上更加劃算，輸出功率也更容易提高。

4.如果在大型風(fēng)力發(fā)電機上安裝擴散器，就需要直徑十多米甚至數(shù)十米的擴散器安裝塔架上，費用將會變得十分高昂，同時需要提高風(fēng)力機安全穩(wěn)定性，增加維護(hù)和維修成本。

四、風(fēng)力機擴散型建筑設(shè)計隨想

風(fēng)力機擴散放大器在實際應(yīng)用中，存在各種雞肋問題，影響著它在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電市場上的推廣，但是擴散器的確有增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率的優(yōu)點。通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗，我們知道漸進(jìn)漸擴型擴散器流量比增益比普通擴散器好，增大面積比可以增加擴散器最小截面流量。如果能夠?qū)L(fēng)力機擴散放大器的優(yōu)點和建筑洞口的優(yōu)勢結(jié)合起來，不僅能解決擴散器應(yīng)用面臨的雞肋問題，更能提高建筑風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率。

“虛實結(jié)合”。由于不同區(qū)域地表摩擦等因素不同，相同高度下，平原沿海地帶平均風(fēng)速通常大于鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市郊區(qū)地帶，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市郊區(qū)地帶的平均風(fēng)速通常大于大都市中心地帶。一些區(qū)域風(fēng)速相對較低，原本不滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的需求，如果能夠?qū)L(fēng)力機擴散放大器理念融入建筑群中，將擴散器外形“虛”化，通過建筑群的擴散型布局，將原本較弱的風(fēng)力進(jìn)行匯聚和強化，在一定的局部范圍內(nèi)形成滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行所需要的風(fēng)速。再將風(fēng)力機擴散放大器“實”化到風(fēng)力發(fā)電機所要安裝的建筑洞口內(nèi)，對建筑洞口進(jìn)行擴散器設(shè)計，從而進(jìn)一步增加建筑洞口最小截面的風(fēng)流量。將“虛”化的擴散型建筑群布局安排和“實”化的建筑擴散型洞口的結(jié)合，形成“虛實結(jié)合”，給傳統(tǒng)觀念上一些風(fēng)速較低、不適合風(fēng)力發(fā)電的區(qū)域帶來風(fēng)力發(fā)電的可能，實現(xiàn)真正意義上風(fēng)力發(fā)電機的“隨風(fēng)而動”。

［1］艾志剛.形式隨風(fēng)－高層建筑與風(fēng)力發(fā)電一體化設(shè)計策略［J］.建筑學(xué)報，2009.05

［2］汪文，孫科，賈瑞博.風(fēng)力機擴散放大器流場的數(shù)值仿真［J］.能源技術(shù)，2004.10(25卷第5期)

［3］汪建文，孫科.風(fēng)力機擴散放大器數(shù)值模擬與理論計算的對比［J］.可再生能源，2004.06(第118期)

［4］汪建文，孫科，辛士紅，吳克啟.風(fēng)力機擴散放大器的數(shù)值分析與風(fēng)洞實驗研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2005.12(第33卷第12期)

［5］趙丹平，徐寶情.風(fēng)力機設(shè)計理論及方法［M］.北京大學(xué)出版社，2012年1月第1版

［6］Tony Burton等.風(fēng)能技術(shù) ［M］.科學(xué)出版社，2007

陳濤 (1993－)，男，瑤族，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向:新能源應(yīng)用。