论文部分内容阅读
1引言
现代社会全球能源、环境危机的日益加剧，可再生、绿色能源如太阳能、风能的开发势在必行。其中风能是一种清洁且取之不尽、用之不竭的能源，在能源危机及电力输送中电力耗损两大难题的困扰下，世界各国对风能的利用愈发关注。目前风能发电主要以在偏远地区建立大型风力发电厂为主，所发的电经由国家电网输送到城市中，但在输送过程中会损失部分电能，而且一旦国家电网出现问题，城市中将没有足够自给的电力供应，因此如何利用户外固定的构筑物，如高层建筑、桥梁等上设置的风能发电装置产生一定的自给电能日显重要。城市中太阳能与建筑一体化的研究及应用已经如火如荼，据估计，单讨论新建建筑与风力发电设备进行一体化设计，在已有建筑物上安装风力发电设备的话，到2020年，每年仅建筑物上的便携式小型风能发电机就可发电1.7-5.0TWh。但是便携式风能发电装置的机理研究及实际应用涉及的问题非常复杂：安全性能、风能发电机在建筑群强涡流环境中的可操作性、风能发电对风速，风向，风频的设计要求及优化都具有很大的挑战。
2便携式风力发电与建筑一体化设计的特点
风力发电不受时间的限制，昼夜均可以持续发电，弥补了太阳能光电板只能在白天阳光充足时才能发电的缺陷，因此风力发电系统既可自成一套独立系统又可与太阳能发电系统配合使用。
城市中的气流由于受建筑群的阻挡，风速减小，以一栋100 m高的建筑物为研究对象，在空旷地区，在该建筑物高50m和100m处的风速分别为5m/s和5.5 m/s，在城郊地区，风速分别为4.1m/s和4.8m/s（分别降低20%和13% ），而在城市中心，风速仅为3.0m/s和3.9m/s（比空旷地区分别降低40%和29%）。
3建筑与便携式风能发电装置结合的主要形式
城市中风力发电与建筑一体化主要有三种方式：风机安装在建筑屋顶上、风机设置在两座建筑物之间及风机设置在建筑物的空洞中，其他的结合方式都是根据这三种方式发展而来的。
由于受建筑物的阻挡，建筑物上部的气流会产生分层现象，造成强烈的紊流，使风速急剧加快。英国Renewable Devices公司对建筑物附近的风场进行了模拟分析，风速比相同高度处没有受到阻挡的气流高20% 。
安装在屋顶上的风机由于会产生强烈的震动和噪音，所以风机尺寸一般都很小。风机形式有水平轴的和垂直轴的：
（1）水平轴风机启动速度较慢且受风向影响较大，必须将风机与主导风向垂直设置才会获得最大效率。当把小型风机设计成可 旋转一定角度时，发电效率也会大大提高。
（2）垂直轴风机则不受风向的限制，只要有风，叶片就能转动，且启动速度较快，产生的振动小，但由于在转动时离心力较大，所以风机半径不能过大。
4便携式风力发电机与建筑结合现况
1981年第一座现代化的水平轴风机Trimblemill被安装在“理想之家展馆” （Ideal Home Exhibition）的屋顶上，Trimblemill有2组直径为5m且反向旋转的转子，前面一组有3个叶片，后面一组有5个叶片，水平轴中心距屋顶9.3m，大多时候风速为15m/s，输出功率为9kW。
1995年，位于都柏林的Temple Bar屋顶上安装了3座直径为3.2m的风机（平均风速12m/s，输出功率1.5kW），与太阳能光电板形成风光互补系统，也为这座建筑赢得了绿色建筑奖。不过最 初这3座风机却给建筑物带来了共振问题，最后通过在叶片上安装橡胶垫加大其重量来改变振动频率，共振问题才算解决。
2003年，Fortis公司在一座厂房上安装了3座直径为5m、功率为4kW的风机，成为当时最大的安装在建筑物上的风机组，虽然Fortis公司在报告中称“噪音已不再成问题”，但在大风天气里仍会带来严重的振动问题。
2009年完工的美国自由大厦高545 m，成为世界最高建筑之一。大厦顶部设 置了高50 m、内置风机的格窗结构，设计方Skidmore、Owings & Merrill公司（SOM）称这种开放式结构能使气流不受阻挡地吹过风机。
5便携式风能发电装置的地区特性
每个地区有其特定的风场特征，如三北地区、沿海地区、沙漠旷野地区都具有明显的气候特点与不同的地貌环境，而城市的建筑群对风的阻挡改流也因考虑进地貌的影响中，风机的设计选址都要以地区的风气候特征为基础，再在此基础上，对风机的性能与机理进行优化
（1）风机的方向与选址要以当地地区气象站的长期数据为大数据基础，累年的各风向频率分布，全年各平均风速频度分布图，10m高各方位各重现期10min平均风速，风玫瑰图结合，确定最佳的迎风方向。
（2）根据气象站在沿高度的累年平均风速风频分布图，确定风机的尺寸跟共振频率优化，共振问题会引起噪音与构件损坏等安全适用性问题
6关键问题
影响风能发电机与建筑一体化建造的难题主要有：噪音问题、安全隐患、风频共振、风能利用率优化、增加建筑结构荷载。因此建筑结构的优化设计对风机与建筑一体化建造至关重要，必须遵循以下原则：（1）增强建筑的稳定性；（2）风机与建筑的连接构件必须简洁、平滑；（3）设置安全防护措施，以消除对周围行人、 财产的安全威胁；（4）解决风机的振动问题，避免风机的振动频率接近建筑物的振动频率而引起共振，造成对建筑结构的破坏。
【参考文献】
【1】李秋胜，陈伏彬，黄生洪（2012）超高层建筑上实施风力发电可行性研究 土木工程学报.
【2】艾志刚（2009）形式随风——高层建筑与风力发电一 体化设计策略.建筑学报.
【3】赵华（2011）城市中风力发电与建筑一体化设计.新建筑.
【4】牛盛楠，赵炳蔺，杨现国（2012）风能与建筑一体化设计.建筑技艺.
【5】 Dutton A G，Halliday J A，Blanch M J（2015）“The Feasibility of Building-Mounted/Integrated Wind Turbines （ BUWTs） ： Achieving Their Potential for Carbon Emission Reductions.Energy Research，
【6】Wood J.（2008） Local Energy：Distributed Generation of Heat and Power. London：The Institution of Engineering and Technology.
作者簡介：姓名：李宇钊（19930202），男，广东湛江，研究生，广州大学，高层抗风优化
现代社会全球能源、环境危机的日益加剧，可再生、绿色能源如太阳能、风能的开发势在必行。其中风能是一种清洁且取之不尽、用之不竭的能源，在能源危机及电力输送中电力耗损两大难题的困扰下，世界各国对风能的利用愈发关注。目前风能发电主要以在偏远地区建立大型风力发电厂为主，所发的电经由国家电网输送到城市中，但在输送过程中会损失部分电能，而且一旦国家电网出现问题，城市中将没有足够自给的电力供应，因此如何利用户外固定的构筑物，如高层建筑、桥梁等上设置的风能发电装置产生一定的自给电能日显重要。城市中太阳能与建筑一体化的研究及应用已经如火如荼，据估计，单讨论新建建筑与风力发电设备进行一体化设计，在已有建筑物上安装风力发电设备的话，到2020年，每年仅建筑物上的便携式小型风能发电机就可发电1.7-5.0TWh。但是便携式风能发电装置的机理研究及实际应用涉及的问题非常复杂：安全性能、风能发电机在建筑群强涡流环境中的可操作性、风能发电对风速，风向，风频的设计要求及优化都具有很大的挑战。
2便携式风力发电与建筑一体化设计的特点
风力发电不受时间的限制，昼夜均可以持续发电，弥补了太阳能光电板只能在白天阳光充足时才能发电的缺陷，因此风力发电系统既可自成一套独立系统又可与太阳能发电系统配合使用。
城市中的气流由于受建筑群的阻挡，风速减小，以一栋100 m高的建筑物为研究对象，在空旷地区，在该建筑物高50m和100m处的风速分别为5m/s和5.5 m/s，在城郊地区，风速分别为4.1m/s和4.8m/s（分别降低20%和13% ），而在城市中心，风速仅为3.0m/s和3.9m/s（比空旷地区分别降低40%和29%）。
3建筑与便携式风能发电装置结合的主要形式
城市中风力发电与建筑一体化主要有三种方式：风机安装在建筑屋顶上、风机设置在两座建筑物之间及风机设置在建筑物的空洞中，其他的结合方式都是根据这三种方式发展而来的。
由于受建筑物的阻挡，建筑物上部的气流会产生分层现象，造成强烈的紊流，使风速急剧加快。英国Renewable Devices公司对建筑物附近的风场进行了模拟分析，风速比相同高度处没有受到阻挡的气流高20% 。
安装在屋顶上的风机由于会产生强烈的震动和噪音，所以风机尺寸一般都很小。风机形式有水平轴的和垂直轴的：
（1）水平轴风机启动速度较慢且受风向影响较大，必须将风机与主导风向垂直设置才会获得最大效率。当把小型风机设计成可 旋转一定角度时，发电效率也会大大提高。
（2）垂直轴风机则不受风向的限制，只要有风，叶片就能转动，且启动速度较快，产生的振动小，但由于在转动时离心力较大，所以风机半径不能过大。
4便携式风力发电机与建筑结合现况
1981年第一座现代化的水平轴风机Trimblemill被安装在“理想之家展馆” （Ideal Home Exhibition）的屋顶上，Trimblemill有2组直径为5m且反向旋转的转子，前面一组有3个叶片，后面一组有5个叶片，水平轴中心距屋顶9.3m，大多时候风速为15m/s，输出功率为9kW。
1995年，位于都柏林的Temple Bar屋顶上安装了3座直径为3.2m的风机（平均风速12m/s，输出功率1.5kW），与太阳能光电板形成风光互补系统，也为这座建筑赢得了绿色建筑奖。不过最 初这3座风机却给建筑物带来了共振问题，最后通过在叶片上安装橡胶垫加大其重量来改变振动频率，共振问题才算解决。
2003年，Fortis公司在一座厂房上安装了3座直径为5m、功率为4kW的风机，成为当时最大的安装在建筑物上的风机组，虽然Fortis公司在报告中称“噪音已不再成问题”，但在大风天气里仍会带来严重的振动问题。
2009年完工的美国自由大厦高545 m，成为世界最高建筑之一。大厦顶部设 置了高50 m、内置风机的格窗结构，设计方Skidmore、Owings & Merrill公司（SOM）称这种开放式结构能使气流不受阻挡地吹过风机。
5便携式风能发电装置的地区特性
每个地区有其特定的风场特征，如三北地区、沿海地区、沙漠旷野地区都具有明显的气候特点与不同的地貌环境，而城市的建筑群对风的阻挡改流也因考虑进地貌的影响中，风机的设计选址都要以地区的风气候特征为基础，再在此基础上，对风机的性能与机理进行优化
（1）风机的方向与选址要以当地地区气象站的长期数据为大数据基础，累年的各风向频率分布，全年各平均风速频度分布图，10m高各方位各重现期10min平均风速，风玫瑰图结合，确定最佳的迎风方向。
（2）根据气象站在沿高度的累年平均风速风频分布图，确定风机的尺寸跟共振频率优化，共振问题会引起噪音与构件损坏等安全适用性问题
6关键问题
影响风能发电机与建筑一体化建造的难题主要有：噪音问题、安全隐患、风频共振、风能利用率优化、增加建筑结构荷载。因此建筑结构的优化设计对风机与建筑一体化建造至关重要，必须遵循以下原则：（1）增强建筑的稳定性；（2）风机与建筑的连接构件必须简洁、平滑；（3）设置安全防护措施，以消除对周围行人、 财产的安全威胁；（4）解决风机的振动问题，避免风机的振动频率接近建筑物的振动频率而引起共振，造成对建筑结构的破坏。
【参考文献】
【1】李秋胜，陈伏彬，黄生洪（2012）超高层建筑上实施风力发电可行性研究 土木工程学报.
【2】艾志刚（2009）形式随风——高层建筑与风力发电一 体化设计策略.建筑学报.
【3】赵华（2011）城市中风力发电与建筑一体化设计.新建筑.
【4】牛盛楠，赵炳蔺，杨现国（2012）风能与建筑一体化设计.建筑技艺.
【5】 Dutton A G，Halliday J A，Blanch M J（2015）“The Feasibility of Building-Mounted/Integrated Wind Turbines （ BUWTs） ： Achieving Their Potential for Carbon Emission Reductions.Energy Research，
【6】Wood J.（2008） Local Energy：Distributed Generation of Heat and Power. London：The Institution of Engineering and Technology.
作者簡介：姓名：李宇钊（19930202），男，广东湛江，研究生，广州大学，高层抗风优化