便攜式風力發電與高層建筑一體化研究展望

李宇釗 廣州大學 廣東廣州 510000

1 引言

現代社會全球能源、環境危機的日益加劇,可再生、綠色能源如太陽能、風能的開發勢在必行.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關注.目前風能發電主要以在偏遠地區建立大型風力發電廠為主,所發的電經由國家電網輸送到城市中,但在輸送過程中會損失部分電能,而且一旦國家電網出現問題,城市中將沒有足夠自給的電力供應,因此如何利用戶外固定的構筑物,如高層建筑、橋梁等上設置的風能發電裝置產生一定的自給電能日顯重要.城市中太陽能與建筑一體化的研究及應用已經如火如荼,據估計,單討論新建建筑與風力發電設備進行一體化設計,在已有建筑物上安裝風力發電設備的話,到2020年,每年僅建筑物上的便攜式小型風能發電機就可發電1.7-5.0TWh.但是便攜式風能發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、風能發電機在建筑群強渦流環境中的可操作性、風能發電對風速,風向,風頻的設計要求及優化都具有很大的挑戰.

2 便攜式風力發電與建筑一體化設計的特點

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

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,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,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(比空曠地區分別降低40%和29%).

3 建筑與便攜式風能發電裝置結合的主要形式

城市中風力發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,其他的結合方式都是根據這三種方式發展而來的.

由于受建筑物的阻擋,建筑物上部的氣流會產生分層現象,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 旋轉一定角度時,發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,葉片就能轉動,且啟動速度較快,產生的振動小,但由于在轉動時離心力較大,所以風機半徑不能過大.

4 便攜式風力發電機與建筑結合現況

1981年第一座現代化的水平軸風機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且反向旋轉的轉子,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,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,Fortis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、內置風機的格窗結構,設計方Skidmore、Owings & Merrill公司(SOM)稱這種開放式結構能使氣流不受阻擋地吹過風機.

5 便攜式風能發電裝置的地區特性

每個地區有其特定的風場特征,如三北地區、沿海地區、沙漠曠野地區都具有明顯的氣候特點與不同的地貌環境,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化

(1)風機的方向與選址要以當地地區氣象站的長期數據為大數據基礎,累年的各風向頻率分布,全年各平均風速頻度分布圖,10m高各方位各重現期10min平均風速,風玫瑰圖結合,確定最佳的迎風方向.

(2)根據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化,共振問題會引起噪音與構件損壞等安全適用性問題

6 關鍵問題

影響風能發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、風能利用率優化、增加建筑結構荷載.因此建筑結構的優化設計對風機與建筑一體化建造至關重要,必須遵循以下原則:(1)增強建筑的穩定性;(2)風機與建筑的連接構件必須簡潔、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,造成對建筑結構的破壞.