CN110259642A - 一种高层风力发电建筑物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高层风力发电建筑物，包括至少三个独立的塔楼，塔楼围绕一个对称中心均匀分布，所述塔楼的单层形面为翼型，所有塔楼的翼型前缘朝向对称中心，翼型后缘沿着对称中心向四周辐射；所述塔楼沿着纵向从后缘到前缘的外侧面为集风面，相邻塔楼的两个集风面之间为集风口；所述塔楼分布的对称中心为发电区域，风力发电装置设置在发电区域内且外部风力由集风面经过集风口进入风力发电装置；本发明将居民楼设计为可以进行风力发电的结构，实现了能量自我供应，在我国风力充足的区域有非常大的推广价值，可以实现清洁能源城市的建立。

Description

一种高层风力发电建筑物
技术领域
本发明涉及建筑领域，具体来说涉及到利用高层建筑物的结构设计和布局实现风力发电。
背景技术
我国有丰富的可再生风源资源。lOm高度层的风能理论可开发总储量为226亿kW，实际可开发的风能储量按理论值的1／10估计，并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积，应乘以0.785，这样可计算出实际可开发风能总储量约为2.53亿kw。我国风能资源丰富地区主要分布在西北、华北、东北的草原或戈壁，还有东部、东南沿海及岛屿，这些地区一般缺少煤炭资源。另外，在季节上，冬、春季风大而降雨量小，夏季风小而降雨量大，风电与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。
目前风力发电技术已经成熟，均是在空旷区域建设风力发电塔。风力发电相对于传统的火电、水电具有明显的优势，属于清洁能源，但是因为受到建造环境和电力传输的原因，使得风力发电的成本相当高，而且风力发电塔是独立建造，不具备二次开发利用；因此。就现有技术而言，风力发电还不能完全取代传统能源。
发明内容
本发明的目的是结合风力发电的原理，基于低速空气动力学设计原理，设计一种高层建筑物，利用高层建筑物的外形结构，配合相应的发电设备实现风力发电，从而实现发电同时进行对建筑物供电，解决风力发电的远距离传输导致的电能损耗。
本发明的另一目的是在解决风力发电的基础上，对建筑物表面进行改进，从而实现太阳能发电，解决在少风期间的发电问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高层风力发电建筑物，包括至少三个独立的塔楼，塔楼围绕一个对称中心均匀分布，所述塔楼的单层形面为翼型，所有塔楼的翼型前缘朝向对称中心，翼型后缘沿着对称中心向四周辐射；
所述塔楼沿着纵向从后缘到前缘的外侧面为集风面，相邻塔楼的两个集风面之间为集风口；
所述塔楼分布的对称中心为发电区域，风力发电装置设置在发电区域内且外部风力由集风面经过集风口进入风力发电装置。
在上述技术方案中，所述塔楼围绕对称中心成圆形分布,对称中心即为圆心。
在上述技术方案中，翼型形面从后缘到前缘为中心对称，对称轴线与圆形的一条直径重合。
在上述技术方案中，相邻塔楼之间的集风口从后缘到前缘进行收缩，收缩比根据相邻塔楼的夹角确定。
在上述技术方案中，相邻塔楼翼型的两个前缘之间的距离设为a，两个后缘之间的距离设为b，收缩比为a:b=1:8～1:10之间。
在上述技术方案中，两个塔楼之间的夹角不大于120°，单个塔楼与对称轴线之间的夹角不大于60°。
在上述技术方案中，对所述塔楼的翼型后缘的尖端部进行截断，翼型后缘用弧形端代替尖端。
在上述技术方案中，所述发电区域沿着纵向设置若干段，每段可以设置独立的风力发电装置。
在上述技术方案中，所述风力发电装置为磁悬浮发电机，磁悬浮发电机纵向设置。
在上述技术方案中，所述塔楼的外表面敷设光伏电板和与之匹配的储能装置。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的大楼建立后，通过风力可以实现风力发电，而电能一部分进行储存一部分直接供给大楼进行使用，发电量不进行长距离传输，避免电量在传输过程中损耗，增加电量的使用率，具有非常高的经济价值；
本发明利用光伏发电设置对风力发电进行补充，利用太能发电，避免了在风量减小的时候，发电量不足不能满足使用需求；
本发明的风力发电大楼可以实现自我能量提供，且为清洁能源，实施推广本发明有助于建设清洁城市，减少能源浪费。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是单层建筑物翼型设计原理示意图；
图2是单层建筑物翼型的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例采用四个独立建筑物构成建筑群，单层的平面形状如图1所示，每个建筑物的形面为翼型1，四个建筑物呈中心对称分布在一个圆上，对称中心为圆心。
翼型面的前缘指向圆心，翼型面的后缘沿着圆的直径向外辐射，翼型为对称形面，对称轴为前缘与后缘之间的连线。相邻两个翼型面的前缘之间的为集风口，在四个翼型面之间的对称区域内为发电区域，用于设置发电装置。
在本实施例中，从建筑物沿着纵向从后缘到前缘之间为收缩的集风面，而发电区域沿着纵向可以分为多个隔离的空间，用于设置独立的发电装置。
本实施例中，纵向空间用传统的风力发电装置发电，效率非常低下，因此采用磁悬浮风力发电机，磁悬浮发电机的结构能完全与建筑结构进行匹配。
在本实施例中，风力从集风面的后缘处进入，通过集风面进行收缩到集风口进行风力加速，从而带动磁悬浮发电机进行工作，输出电量直接进入建筑物使用，额外溢出的电量进行储存。
本实施例中，为了确保建筑物保证足够的电量，减少在缺风的情况下进行发电，因此在建筑物表面进行光伏电板的敷设，对太阳能进行转换并储存。目前的太阳能技术相对成熟，可以成规模使用到本实施例上。
为了确保本实施例的可行性，通过空气动力试验进行验证。
将如图1所述的立体模型设置在风洞内，一个四个独立模型，两个模型之间的夹角为90°，单个模型与对称轴线之间的夹角为45°，两个模型从后缘到前缘的集风口是呈收缩状态的，两个模型前缘之间的距离为a，两个模型后缘之间的距离为b，a:b为收缩比，收缩比在1:8。单个建筑物模型弦长320mm，风机室尺寸为64mm～64mm，模型高度500mm。
通过用微压计测量压差的公式
，
用风速管或五孔探针测量风速的公式
。
试验表明，与模型中间高度相当的后缘来流风速，在发电区域内约增加到接近1.6倍。
如图1所示在模型上增加盖板，在四个模型之间的发电区域，在对立的两个边上增加封闭侧壁进行试验，在发电区域内约增加到接近2.21倍；并在多个角度进行测量，得到在0°时增加1.73倍，在15°时增加1.92倍，在30°时增加2.07倍；可见随角度增加，加速效果越来越好。
对比两组试验，并通过计算将图1中翼型面进行改进，直接将单个翼型建筑后缘的尖尾去掉并进行圆滑处理如图2所示，重新调整使收缩比与原来一致，并进行试验，获得的加速效果基本不变，以及加速效果仍可在风向角超过45 °后的一定范围内继续随角度增加有风速的结果。
为了尽可能地使试验雷诺数增加，将试验风速从10m／s一直提高到约30m／s，结果风速增加倍数在20～30m／s之间基本一致，且结果稳定性较好。流态显示发现，当风速提高到这一范围时，直接向后的出口气流很明显。这表明，通过增加模型尺寸和提高风速，使流动更通畅稳定了。这说明流态基本稳定。根据流动相似原理和对塔架结构的分析，可以认为20～30m／s之间时的流态与实物是基本一致的，试验结果与现实具有一定的可比性。
目前市场上已有综合应用集风和扩压引射使来流加速一倍以上的装置，根据资料显示，已经有成规模的扩散器投入实用，因此本方案可以进行具体实施，本实施例能获得理论支撑。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种高层风力发电建筑物，其特征在于：
包括至少三个独立的塔楼，塔楼围绕一个对称中心均匀分布，所述塔楼的单层形面为翼型，所有塔楼的翼型前缘朝向对称中心，翼型后缘沿着对称中心向四周辐射；
所述塔楼沿着纵向从后缘到前缘的外侧面为集风面，相邻塔楼的两个集风面之间为集风口；
所述塔楼分布的对称中心为发电区域，风力发电装置设置在发电区域内且外部风力由集风面经过集风口进入风力发电装置。
2.根据权利要求1所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于所述塔楼围绕对称中心成圆形分布,对称中心即为圆心。
3.根据权利要求2所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于翼型形面从后缘到前缘为中心对称，对称轴线与圆形的一条直径重合。
4.根据权利要求1-3所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于相邻塔楼之间的集风口从后缘到前缘进行收缩，收缩比根据相邻塔楼的夹角确定。
5.根据权利要求4所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于相邻塔楼翼型的两个前缘之间的距离设为a，两个后缘之间的距离设为b，收缩比为a:b=1:8～1:10之间。
6.根据权利要求4所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于两个塔楼之间的夹角不大于120°，单个塔楼与对称轴线之间的夹角不大于60°。
7.根据权利要求1所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于对所述塔楼的翼型后缘的尖端部进行截断，翼型后缘用弧形端代替尖端。
8.根据权利要求1所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于所述发电区域沿着纵向设置若干段，每段可以设置独立的风力发电装置。
9.根据权利要求1或8所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于所述风力发电装置为磁悬浮发电机，磁悬浮发电机纵向设置。
10.根据权利要求1所述的一种高层风力发电建筑物，其特征在于所述塔楼的外表面敷设光伏电板和与之匹配的储能装置。
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