一个被忽视的风能产生更多的电力:一个太阳能上升塔到一个风能太阳能塔

摘要

太阳能上升塔是利用太阳能的风力发电装置之一。这项研究的目的是确定该塔是否也能利用侧风能量。对侧风进行了风洞实验和数值模拟。结果表明，塔内吸气上升气流速度与侧风风速成正比，其转化率取决于塔内结构。一种带有涡流发生器的扩压器形状的塔，能够产生速度超过横风速度的上升气流。这是由于塔顶涡流产生的低压和扩散器效应。侧风利用使简单的发电装置能够在夜间发电，可再生能源的混合利用有助于风能市场的不断扩大。

1.介绍

太阳能上升塔是可再生能源发电厂之一。这座塔最初仅利用太阳能，因此在夜间不工作。这项研究的目的是确定该塔是否也能利用侧风能量。可再生能源的混合利用概念由于其发电的时间独立性和相对较高的输入能量密度，有望为日益增长的风能市场做出贡献。

传统的太阳能上吸塔有三个基本组成部分——一个透明的屋顶集热器，一个圆柱形的空心塔和一个带发电机的风力发电机。热空气是通过太阳辐射到地面而在集热器中产生的。空气由于热膨胀而失去重量，浮力将空气向上拉入塔内(见图)1(一))。热上升气流驱动安装在塔底部的涡轮，并产生电力。太阳能上吸塔的原始概念得到了Haaf等人的验证。[1,2在1980年代。

相比之下，利用侧风与塔结构动力几代人从来没有流行，虽然有少数专利[3.,4]. 对于太阳升风塔，有很多关于侧风影响的研究。普雷托里厄斯和克鲁格[5]对太阳能电站的性能进行了模拟，并预测了风对性能的影响。明等人。[6,7]和邹等人[8]同时也发现了它的负面影响，并提出了一些收集器配置来避免它。然而，Ming等人。[9,10]指出强侧风有可能增加塔架的输出功率。其他数值研究[11- - - - - -13我们支持这个建议。

本研究试图增强侧风的积极作用。在风洞实验和数值模拟中，我们研究了使用涡发生器和扩散塔的新方法。涡发生器只是塔上的一个平板(见图)1 (b)). 塔板产生的涡流降低了塔顶的压力，低压在塔内产生吸力上升气流。扩压塔的适用性已经在我们之前的研究中通过热上升气流得到了验证[14]. 我们已经将类似的机制应用于我们的边缘扩散器增强型风力涡轮机中，并实现了大功率输出[15- - - - - -17]. 重要的是，新的方法使太阳能上升塔能够同时利用两种不同的可再生能源，尽管这种混合方法通常是由同一地点的几个装置实现的[18,19]. 我们称之为“风能太阳能塔”（WST），它有两种机制，如图所示1。

2。材料和方法

2.1。风洞实验

我们进行了风洞实验来验证WST的风能利用。使用的是九州大学应用力学研究所的大型边界层风洞。风洞有一个测试段 ,最大风速30米/秒，湍流强度较低，为0.4%。为了尽量减少堵塞效应，试验段的一半侧墙和天花板被拆除。

一般来说，由于地面上的剪应力，风在地面附近减速。因此，迎风风速在垂直方向上呈非均匀分布。这意味着塔顶的风力比塔底的风力大。为了模拟这种情况，我们通过风洞试验段底板建立了我们的塔模型。这种方法使风只接近塔的上部成为可能。数字2展示了塔的模型和它的设置。我们研究了一个圆柱形塔和扩散塔的直径是0.32米高吗是2.0米。旋涡发生器的高度是 要么 ,和涡流发生器的宽度为相同的塔出口的直径 ,在哪里是塔的半开角。在任何情况下都没有安装风力涡轮机。

我们测量了上升气流的速度和静压差从压力点在平静的空气中。利用热线风速计和热球风速计测量风速。用静态管和数字压力计测量了接近风速8 m/s时的压差。数字3.显示测量点。采用烟雾发生器对近场风速为4 m/s的气流进行了可视化研究。

我们定义了一个压力系数按公式(1)。这个值是由静压差除以接近的风的动压得到的。

2.2条。数值模拟

商业流体分析软件“STAR-CCM +” [20.]用于数值实验。表格1给出了数值条件。数字4(一)显示计算域和图4 (b)显示计算网格。这种计算领域类似风洞试验;域已经不只是上部分，在那里风吹也是下部这里的空气很平静。为了最小化堵塞效应，在被创建的塔直径的比较的较大的结构域（图4). 非结构网格主要由十面体组成。将接近风速设定为2、4、6或8 m/s。在底层、流动截面层和物体表面应用防滑边界条件。在侧边界和上边界处采用滑移边界条件。给出了区域边界压力的Neumann条件。对圆柱塔和扩压器塔的流态进行了数值模拟。塔架的数值模型与实验模型在结构上是一致的。我们还用涡流发生器进行了一些模拟。在任何情况下都没有模拟风力涡轮机。

3。结果与讨论

3.1。实验结果

数字5显示上升气流风速在圆柱塔里。在图中绘制了测量值，并应用拟合曲线及其方程。显然，上升气流的风速与接近的风速成正比在所有情况下。短涡发生器圆柱塔( )上升气流速度提高1.8倍然而，增大涡发生器的高度并没有导致速度的意外显著增加。带有高涡发生器的塔( )实现19倍增长的上升气流的速度。

数字6显示在扩散形塔。上升气流风速增加成正比接近风速。无涡流发生器扩散器形塔实现相比于圆柱形塔中上升气流速度的2.1倍增加。扩散器形塔与短涡流发生器（ )上升气流速度提高了1.3倍，但增大涡发生器的高度并没有显著提高速度。带有高涡发生器的塔( )上升气流速度提高了1.4倍带有涡发生器的扩散塔产生了明显的上升气流，其速度超过了接近的风速。

照片在图7通过风洞中的烟雾显示上升气流可视化结果。侧风从左向右吹。如果风塔没有涡流发生器（图7(一))，上升气流随即在塔出口顺流而下。随着涡发生器高度的升高，上升气流被吸到涡发生器的顶部。在分离的剪切层中，涡旋由于剪切应力的作用而脱落。同时，在每个病例中都观察到大的旋涡(图)7（天）- - - - - -7（楼）)。黄色箭头表示涡流的位置。在没有涡流发生器的塔的情况下（图7（天）)，漩涡产生于塔的下游。随着旋涡发生器高度的增加，旋涡位置向上游移动，即在塔出口的正上方。然而，漩涡的位置也向上移动。我们假设旋涡与塔出口之间距离的扩大阻止了上升气流的吸入。

数字8显示了在实验中测量到的压力分布。在扩散塔的情况下，由于其扩散效应，塔入口附近的压力降低。与此同时，在有涡流发生器的情况下，压力完全降低。因此，采用涡发生器的扩压塔压力最低，上升气流风速最高。

在这里，我们提供了一个简单的理论来解释实验结果。我们定义了如图所示的变量9。考虑质量守恒和压力平衡，我们得出以下公式： 在哪里旋涡发生器的背压系数是多少 , 为塔入口压力损失系数，是扩散器中的压力损失系数，以及是在塔出口处的压力损失系数。

方程(2)支持上升气流风速与侧风风速成正比的实验趋势。

3.2条。数值结果

图10和11显示上升气流风速通过数值模拟得到。模拟值用实验得到的曲线和拟合曲线绘制在图中。数值计算结果与实验结果吻合较好。

数字12给出了数值模拟得到的塔内压力分布。数值结果与实验结果具有相同的趋势。因此，我们认为我们的实验结果和数值结果都是可靠的。

数字13示出时间平均压力分布。一个值得注意的一点是，有出现上面的塔一定的压力下降。与涡流发生器的塔上方的压力降低。他们由于涡流发生器产生的涡流的压力lowness。因此，在涡流发生器的塔内部压力被完全超过塔没有涡流发生器降低。另一个值得注意的一点是，我们抓住了塔内部的垂直方向的压力梯度。的压力变得接近扩散形塔的底部下，虽然没有压力梯度在圆柱形塔的存在。该压力梯度通过塔的扩散效果对应于流的加速度。因此，上升气流被最加速在与涡流发生器扩散器形塔的底部。

因为风太阳能塔的涡轮位于有风的加速度在塔的底部是优选的。那是，扩散器形塔与涡流发生器是一个合适的形状在所希望的位置有效地产生上升气流。

数字14显示时均流线。在有涡发生器的塔上模拟了大涡。在风洞实验的流场可视化中也观察到了大涡(见图)7)。数值结果证实了我们的涡发生器在塔出口附近产生了足够的旋涡。

3.3。未来的可能性

未来采用本文所提出的思想的可能性是值得一提的。我们在日本九州大学建立了一个WST原型(见图)15). 塔高10 m，集热器宽度15 m。图16显示了显著的两天实验结果。这座塔在夜间有强风。通常情况下，太阳的上升气流塔在日落后不会产生上升气流。而同时利用太阳能和风能的WST在夜间能够连续产生上升气流，如图所示16. 这意味着我们在实际情况下论证了WST利用无太阳能侧风能的新发电机制。不幸的是，风速不足以使涡轮机在夜间继续旋转。然而，由于WST的下切入特性和在不减速的情况下利用上风，实际尺寸的水轮机预计将持续旋转。太阳能和风能的协同效应将在我们未来的论文中详细报道。

4.结论

采用涡流发生器和扩压器型塔架，研究了太阳能上吸式塔架对侧风能量的有效利用。在风洞实验和数值模拟中取得了以下结果。（一）塔内吸气上升气流速度与侧风速度成正比，其转换率取决于塔型（ⅱ）与圆柱塔相比，无涡流发生器的扩压器塔的上升气流速度提高了2.1倍。带有涡流发生器的扩压塔的上升气流速度提高了1.3倍以上(3)一种带有涡流发生器的扩压器形状的塔，能够产生速度超过横风速度的上升气流。这是由于塔顶涡流产生的低压和扩散器效应

侧风利用使简单的发电装置能够在夜间发电，可再生能源的混合利用将有助于增加风能市场。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据要求从通信作者处获得。

利益冲突

作者声明，这篇论文的发表没有利益冲突。

致谢

作者感谢实验室工程师杉田健一郎、渡边木彦和松岛庆二。渡边的建议和评论在写作过程中帮助很大。这项研究得到了九州大学的资助。

参考

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