一个被忽略的风产生更多的电力：太阳能塔上升气流的风太阳塔

抽象

一种太阳能上升气流塔是风力发电设备，其利用太阳能之一。这项研究的目的是确定是否塔也能够利用侧风的能量。风洞试验和数值模拟进行了模拟侧风。结果表明：在该塔的上升气流抽吸的速度成正比的速度侧风，其转化率取决于塔架结构。扩散器形塔与涡流发生器实现，以产生其速度超过速度侧风上升气流。这是由于由涡流塔架顶上和到扩散效应产生的低压。侧风的利用使得简单的发电设备在夜间发电，可再生能源有助于的混合使用，以增加风力发电市场。

1.简介

太阳能塔上升气流是可再生能源发电厂之一。塔最初利用太阳能孤单;因此，它不会在晚上工作。这项研究的目的是确定是否塔也能够利用侧风的能量。可再生能源的利用混合动力概念预计将有助于提高风能市场，由于发电和相对较高的输入能量密度，它的时间独立性。

传统的太阳能上升气流塔具有三个基本组件-透明屋顶收集器，圆柱形中空塔，并与发电机的风力涡轮机。热空气在收集器由太阳辐射到地面产生的。空气减肥，由于其热膨胀和被向上吸入由浮力在塔架内（见图1(一))。热上升气流驱动安装在塔底部的涡轮机，从而产生电力。Haaf等人验证了太阳能上升风塔的原始概念[1,2在1980年代。

相比之下，利用塔式结构的侧风发电从来没有流行过，尽管很少有专利[3.,4]。关于太阳能塔上升气流，有关于侧风的影响一些研究。比勒陀利乌斯和克罗格[5]模拟的太阳能发电设备的性能和预测，有风条件下会损害性能。明等。[6,7和Zou等人[8]也被认为其负面影响，提出了一些集电极配置，以避免它。然而，明等。[9,10]指出，强侧风增加了塔的输出功率的可能性。其它数值研究[11- - - - - -13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，我们研究了涡发生器和扩压塔的新方法。涡流发生器只是塔上的一个平板(见图)1 (b))。由板降低的压力的塔顶，和低压产生的涡流创建在塔的上升气流抽吸。扩散器形的塔状的适用性是在我们以前的研究中使用的热上升气流[已核实14]。我们应用在我们的宽边光罩增强风力涡轮机类似的机制，并取得了较大的输出功率增加[15- - - - - -17]。重要的是，新的方法使太阳能上升气流塔同时利用两个不同的可再生能源，尽管这样的混合方法是由几个设备在相同的位置通常实现[18,19]。我们称这具有图中所示的两个机制塔“风力太阳塔”（WST）1。

2。材料和方法

2.1。风洞实验

我们进行了风洞试验来验证WST的风能利用。大型边界层风研究所对应用力学九州大学隧道，使用。该风洞有一个试验段 ,with a maximum wind velocity of 30 m/s, and was characterized by a low turbulence intensity of 0.4%. To minimize blockage effects, half of the test section’s side walls and ceiling panels were removed.

一般情况下，风在本领域是在地面附近由于在地面上的剪切应力减速。因此，接近侧风速度在垂直方向上不均匀分布。这意味着，在塔顶上有比底部不强风。我们确立了通过风洞试验段的楼塔模型以模拟这种情况。这种方法使得它可能是风走近只有塔的上侧。数字2示出塔模型及其设置。我们研究了一个圆柱形塔和扩散形塔，其直径是0。3.2 m and height是2.0米。涡发生器的高度是 或 ,涡发生器的宽度与塔出口直径相同 ,在哪里是塔的半开角。风力涡轮机没有安装在任何情况下。

我们测量了上升气流速度和静压差从在平静空气中的点的压力。风速用热线风速计和热球风速计测量。The pressure difference was measured with a static tube and a digital manometer in the approaching wind speed of 8 m/s. Figure3.示出了测量点。A smoke generator was used for the flow visualization in the approaching wind speed of 4 m/s.

我们定义了压力系数由式（1)。这个值是由静压差除以接近的风的动压得到的。

2.2。数值模拟

商业流体分析软件STAR-CCM+ [20.]用于数值实验。表格1示出的数值的条件。数字图4（a）示出了计算域，和图图4（b）显示计算网格。计算域与风洞实验相似;该区域不仅有风的上部区域，也有风的下部区域。为了尽量减少堵塞的影响，在塔直径的比较中创建了一个更大的域(图)4)。非结构网格模式主要包括十面。The approaching wind speed was set to 2, 4, 6, or 8 m/s. Nonslip boundary conditions were applied at the ground floor, the flow section floor, and the surface of the body. Slip boundary conditions were applied at the side and upper boundaries. The Neumann condition was given to pressures at the domain boundaries. The flow patterns with a cylindrical tower and a diffuser-shaped tower were simulated. The numerical tower models were the same to the experimental models in their configurations. We also conducted some simulations with the vortex generators. A wind turbine was not simulated in any cases.

3.结果与讨论

3.1。实验结果

数字5显示了上升气流的风速在圆筒形塔。测量值在图中作图，并与他们的方程被施加拟合曲线。显然，上升气流风速增加成正比接近风速在所有情况下。圆柱形塔与短涡流发生器（ )取得了1.8倍提高在上升气流的速度。然而，扩大涡流发生器的高度并没有导致速度显著增加意外。带有高涡发生器的塔( )提升了1.9倍的上升气流速度。

数字6节目在扩散型塔中。上升气流的速度与接近的风速成比例地增加。无涡发生器的扩压塔的上升气流速度比圆柱塔提高了2.1倍。带短涡发生器( )实现了上升气流速度提高1.3倍，虽然增大涡发生器的高度并没有导致速度的显著提高。带有高涡发生器的塔( )取得了1.4倍提高在上升气流的速度。扩散器形塔与涡流发生器产生显着的上升气流其速度超过了临近的风速。

照片图7显示在风洞中通过烟雾上升气流可视化效果。侧风立马左到右。在没有涡流发生器的塔的情况下（图7(一)），上升气流立即飞到在塔出口的下游。作为涡流发生器的高度变高，上升气流吸入到涡流发生器的顶端。在所分离的剪切层，涡流是由它的剪切应力棚。与此同时，在各情况下（图中观察到大的涡流图7（d）- - - - - -图7（F）)。黄色箭头表示漩涡的位置。在没有涡流发生器的塔的情况下（图图7（d）），涡流产生的塔的下游。作为涡流发生器的高度变高，涡位置移动上游，即得，右塔出口的上方。然而，涡位置也向上移动。我们假定涡和预防，提高上升气流抽吸塔出口之间的距离扩大。

数字8示出了在实验中测得的压力分布。在扩散形塔，靠近塔入口降低的压力的情况下，由于其扩散作用。与此同时，该压力全部与涡流发生器的情况下降低。因此，扩散器形塔与涡流发生器达到的最低压力，并将其导致最高上升气流风速。

在这里，我们为了给一些解释实验结果提供了一个简单的理论。我们定义的变量，如图9。考虑质量守恒和压力平衡，我们得到: 在哪里是涡流发生器的背压系数 , 是在塔入口处的压力损失系数，是在扩散器中的压力损失系数，和为塔出口压力损失系数。

方程（2）支持实验趋势上升气流风速成正比的侧风的速度。

3.2。数值结果

数据10和11显示上升气流的风速通过数值模拟的。模拟值与所述图和通过实验得出拟合曲线图中作图。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。数值计算结果与实验结果呈现出相同的趋势。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显示时均压力分布。值得注意的一点是，塔的上方出现了一些气压下降。随着涡流发生器的出现，塔上的压力降低了。它们是由涡发生器产生的涡的压力低引起的。因此，采用涡发生器的塔内压力比不采用涡发生器的塔内压力下降幅度更大。另一个值得注意的一点是，我们捕捉到了塔内垂直方向的压力梯度。扩压塔底部附近的压力降低，而圆柱塔内不存在压力梯度。压力梯度与塔体扩散效应引起的气流加速相对应。因此，涡发生器在扩压塔底部的上升气流加速最大。

由于风力发电塔的涡轮机位于塔底，因此塔底的风力加速度更可取。即带涡发生器的扩压塔是在期望位置有效产生上升气流的合适塔型。

数字14显示时均流线。在装有涡发生器的塔体上模拟了大涡。在风洞实验的流动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流发生器产生的旋涡充分靠近塔网点。

3.3。未来的可能性

采用本文提出的观点的未来的可能性也值得一提。我们建于九州大学，日本WST原型（见图15)。The tower height is 10 m, and the collector width is 15 m. Figure16显示了两天的显著实验结果。夜间，塔上刮起了大风。通常，太阳上升风塔在日落后不会产生上升气流。然而，同时利用太阳能和风能的WST能够在夜间持续产生上升气流，如图所示16。这意味着，我们证实其实际情况下利用侧风能量而不太阳能的WST的新发电机构。不幸的是，风速是不够的，继续在夜间涡轮转速。然而，在实际尺寸WST的涡轮预计持续旋转由于其较低的切入特性和它的无减速上部风的利用率。太阳能和风能的协同作用将与现场试验在我们未来的论文详细报告。

4.结论

使用涡流发生器和扩散形塔侧风的能量的有效利用与太阳能上升气流塔进行了研究。以下结果是在风洞试验和数值模拟来实现。（一世）在塔的上升气流吸入速度是成比例的侧风的速度，它的转换率取决于塔架结构(2)无涡发生器的扩压塔的上升气流速度比圆柱塔提高了2.1倍。扩散器形塔与涡流发生器实现了超过1.3倍，在上升气流速度增加(3)扩散器形塔与涡流发生器实现，以产生其速度超过速度侧风上升气流。这是由于由涡流塔架顶上和到扩散效应产生的低压

侧风的利用使得简单的发电设备在夜间发电，可再生能源的利用混合动力将有助于增加风力发电市场。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者宣称，有兴趣对此文件发表任何冲突。

致谢

作者感谢实验室的工程师，杉谷健一郎，公彦渡边和松岛启二。艾渡边给出的建议和评论写作过程中有很大的帮助。这项研究是由来自日本九州大学的资助。

参考文献

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