浅谈高层建筑与风力发电一体化设计策略

摘要: 根据风力发电的原理，介绍了高层建筑利用风力进行发电及其设计的策略，并说明了这种发电方式的优缺点。最后探究了风力发电在建筑上运用的可行性，从理论和实践上阐述了其发展意义。

关键词: 高层建筑; 风力发电; 一体化设计

Abstract: according to the principle of wind power, introduced the high-rise building use wind power generation and its design strategy on, and that the power and the advantages and disadvantages of the way. Finally explores the wind power on the building of the use of feasibility, from theory and practice on the significance and expounds its development.

Keywords: high building; Wind power; Integration design

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：

0引言

随着经济的发展，地球上的不可再生能源日趋紧张，众多研究者纷纷把目光投向可再生能源，因此，风能这种清洁的可再生能源进入世界各国的研究者的视线里，并得到了高度的重视，风力发电得到了快速发展。同时，国内许多城市建筑逐渐向高层发展，在高层建筑之间存在着较强的气流，如果在这些建筑上安装风轮发电机、发电设备就能发电。该技术充分的利用了风能，应该具有广泛的应用前景。

1 高层建筑风力发电原理

1.1风力发电原理

风力发电的过程是首先把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。风力发电机组，一般包括风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等部件。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片的旋转，然后把风的动能转变成风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风轮是集风的装置，它能把流动空气的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风电机组的风轮一般由两只螺旋桨形的叶片组成。发电机是将旋转的机械能转变成电能的装置，已采用的发电机主要有直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。调向器主要用于使风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。限速安全机构是用来保证风力发电机的运行安全，限速安全机构可以使风力发电机风轮的转速在一定风速范围内保持基本不变。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定，所以其发出的电能一般不能直接用在电器上，先要用储能装置储存起来。

1.2 高层建筑之间的风力发电

风力发电，依靠气体流动来推动风轮机叶片，由发电机将气流的动能转换成电能。科学家发现，在高层建筑之间有着较强的气流，如果装上风轮发电机和风电设备同样也能发出电来。为了捕获到更多的风能，可将两建筑建成开放式的“喇叭口”形状，然后只要人们站在楼群之间便会感觉到一股股风的吸力。两楼之间的墙体垂直，风到这里不会被吹散，并且直接全力吹入风轮机，由于风向固定，且比空旷地带的风更集中，加上电机的吸力，可以使瞬时功率加倍。根据计算发现，用这种方法可比普通风力发电机多发出25%的电能。但因为楼群是固定的，不会随风转向，只要风的入射角达到50°就可以发出与普通发电机等同的电能。并且这种方法对楼顶、墙面均无特殊要求。

2高层建筑风力发电一体化设计

高层建筑与风力发电一体化的设计应从风力机的类型、风力机的安装部位和建筑外形等以下几个方面加以考虑。

2.1风力机的类型

1) 风力机的种类

风力发电系统主要由风力机(风轮叶片)、发电机、蓄电和传输等几部分组成。其中，风力机是风力发电系统的关键部件，它决定系统的功率和效率。风力机按旋转轴的方向的不同可分为水平轴和直轴两类。水平轴风力机发展较早、功率系数高，应用较为广泛。 垂直轴风力机具有运行平稳、抗风能力强、噪音低、所占空间小等优点。其中，垂直轴风力机又有H型、一型等，H型风力机结构简单， 成本较低；一型风力机空气动力效能高， 但叶片的制作较复杂，成本较高。

2) 风力机功率

风力机的功率与风叶的受风面积成正比。风力机的功率系数一般为0.4-0.5kw/m2，即1m2的风轮发电功率约为400-500W，以1年400工作小时计算，全年可产生160kwh的电力。在满足结构安全、环境保护等要求的前提下，高层建筑应优先选择大尺寸的风力机以增加发电的功率。然而，城市的风力较小，可以选择低风速启动风机，这样可以延长发电机的工作时间，从而获得更多的发电量。

2.2 风力机的安装部位

依据高层建筑中风环境的特点，风力机通常安装在风阻较小的屋顶或风力被强化的洞口、夹缝等部位。

(1)屋顶。建筑物的顶部风力大、环境干扰小，这是安装风力发电机的最佳位置。 一般风力机应高出屋面一定距离，以避开檐口处的涡流区。

(2)楼身洞口。在建筑物的中部开口处，风力被汇聚和强化，会产生强劲的“穿堂风”，此处适宜安装定向式风力机。

(3)建筑角边。在建筑角边有自由通过的风，还有被建筑形体引导过来的风，此处适宜安装小型风力机组，也可以将整个外墙作为发电机的受风体，使其成为旋转式建筑。

(4)建筑夹缝。建筑物之间垂直缝隙会产生“峡谷风”，且风力会随着建筑体积量的增大而增大，因此，在此处适合安装垂直轴风力机或水平轴风力机组。

2.3建筑外形

由于风力发电机特殊的工作原理特殊，假如不加考虑建筑外观，往往会使其与常规的高层建筑形象格格不入。这就需要高层的风电建筑在造型上应遵循功能、美学等传统法则，与此同时，它还受到一个空气动力学制约，我们暂且把它称为“形式随风”法则。这就需要建筑师了解风力发电机的环境要求，再设计时让建筑形体有利于风力的诱导，从而保证风力发电机高效率工作。

3高层建筑风力发电的优缺点

高层建筑与风力发电结合是一个新的尝试，设计理论和实践经验相当匮乏，不可避免地存在很多尚未解决和未发现的问题。但是建筑风电在利用可再生能源、保护生态环境方面的意义不容置疑。

(1) 高层建筑风力发电的优点

就当下的最先进技术而言，风力发电的成本接近市电，建筑风电的经济效益不高。在风力资源的充足、系统设计合理的前提下，建筑风电的经济效益明显。风能是一种洁净的可再生能源，随着节能减排、生态环保的措施进一步加大，风力发电会成为中小型发电的方向，这一领域具有广阔的前景。

(2) 高层建筑风力发电的缺点

风力发电机产生的噪声、震动、安全等问题可能会对建筑物和居民得生活构成威胁。高速旋转的叶片通常会产生声响和震动，如何研制和选择低噪声、低震动的风力机十分必要；由于城市人口密集，如果高速旋转的叶片发生碰撞脱落，势必造成严重的伤害和损失，因而需要做好风力机的安全防护工作；此外，还应考虑风力发电与无线通讯、电磁波辐射的相互影响。

4结语

近几年来，风力发电发展迅速，这为清洁的可再生能源代替不可再生能源提供了技术保证，因而推广风力发电建筑，充分利用风能。高层建筑与风力发电结合是一个新的尝试，设计理论和实践经验相当匮乏，不可避免地存在很多尚未解决和未发现的问题，但是建筑风电在利用可再生能源、保护生态环境方面的意义不容置疑。

参考文献

[1]艾志刚.形式随风―高层建筑与风力发电一体化设计策略[J].建筑学报,2009.5.

[2]秦生升.风力发电在建筑中的应用[J].建筑节能,2010,(10).

[3]王其英.谈风力发电概况[J].电源技术应用,2008(10).

[4]潘雷,陈宝明,王奎之.城市楼群风及其风能利用的探讨[C]//山东省暖通空调制2007年学术年会论文集.2007.

[5]田蕾,秦佑国.可再生能源在建筑设计中的利用[J].建筑学报,2006(2).

[6]赵勇强.风力发电技术发展状况与趋势分析[J].中国科技产业,2006(2).

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。