被忽视的风产生更多的电力:从太阳能上升气流塔到风能太阳能塔

摘要

太阳能上升气流塔是一种利用太阳能的风力发电装置。这项研究的目的是确定塔是否也能够利用侧风能量。对侧风进行了风洞试验和数值模拟。结果表明，塔内的吸升速度与侧风速度成正比，其转化率与塔的结构有关。采用扩压型塔和涡发生器产生上升气流，上升气流速度超过侧风速度。这是由于塔顶涡产生的低压和扩散器效应造成的。侧风利用使得简单的发电装置可以在夜间发电，可再生能源的混合利用促进了风能市场的增长。

1.介绍

太阳上升塔是可再生能源电厂之一。塔最初仅利用太阳能;因此，它在夜间不起作用。这项研究的目的是确定塔是否也能够利用侧风能量。预计可再生能源的混合利用概念是由于其时间对发电的独立性和相对高的输入能量密度而导致的风能市场增加。

传统的太阳能上升气流塔有三个基本部件:透明屋顶收集器、圆柱形空心塔和带发电机的风力涡轮机。太阳辐射到地面在集热器中产生热空气。空气由于热膨胀而失去重量，并通过浮力向上拉入塔内(见图)1（a））.热上升器驱动安装在塔架底部的涡轮机，并产生电力。Haaf等人验证了太阳上升塔的原始概念。[1那2]在20世纪80年代。

相比之下，利用带塔结构的跨越的电力从未受欢迎，尽管有很少的专利[3.那4.］.对于太阳上升气流塔，侧风对其影响的研究较多。比勒陀利亚及Kröger [5.]太阳能电厂的模拟性能，并预测有风的条件会损害性能。明等人。[6.那7.]和zou等人。[8.]也认识到它的负面影响，并提出了一些收集器配置以避免它。然而，Ming等人[9.那10.指出，强烈的侧风有可能增加塔的输出功率。其他数值研究[11.-13.]支持了这个建议。

本研究试图增强交叉风的积极作用。我们使用涡流发生器和风洞实验中的扩散器形塔和数值模拟进行了新方法。涡旋发电机只是塔上的平板（见图1（b））.板产生的涡流降低塔顶压力，低压在塔内产生吸升气流。扩散器型塔的适用性已经在我们先前使用热上升气流的研究中得到验证[14.］.我们在深度扩散器增强风力涡轮机中应用了类似机制，实现了大输出功率增加[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在同一地点的多个设备实现的[18.那19.］.我们叫塔“风太阳塔”（WST），其中有两个机制1。

2。材料和方法

２.１.风洞实验

我们进行了风洞实验，验证了WST的风能利用。采用了九州大学应用力学研究所的大边界层风洞。风洞有一个测试部分 那最大风速为30 m/s，湍流强度为0.4%。为了最大限度地减少堵塞影响，拆除了测试区的一半侧壁和天花板。

一般来说，由于地面上的剪应力，电场中的风在接近地面的地方被减速。因此，接近侧风速度在垂直方向上分布不均匀。这意味着塔顶的风比塔底的风大。为了模拟这种情况，我们通过风洞的试验段地板建立了我们的塔模型。这种方法使得风可能只接近塔的上部。数字2展示了塔模型和它的设置。我们研究了圆柱形塔和扩散塔的直径身高是0.32米吗是2.0米。涡流发生器的高度曾是 要么 那涡流发生器的宽度与塔式出口的直径相同 那在哪里是塔的半起角。任何情况下都未安装风力涡轮机。

我们测得上升速度和静压差异从静止空气中的压强。风速是用热线风速计和热球风速计测量的。在风速为8 m/s的接近风速下，用静态管和数字压力计测量了压差。数字3.显示测量点。烟雾发生器用于在4米/秒的接近风速下的流动可视化。

我们定义了压力系数由方程(1）.该值源自静压差除以接近风的动态压力。

2．2.数值模拟

商业流体分析软件“Star-CCM +”[20.]用于数值实验。桌子1给出了数值条件。数字4(一)显示了计算域，图4 (b)显示计算网格。该计算领域类似于风洞实验;域名不仅具有风吹的上部，而且还有空气平静的下部。为了最小化堵塞效应，创建了塔塔直径的更大域（图4.）.非结构网格图案主要由DeCahedron组成。接近的风速设定为2,4,6或8米/秒。非目的边界条件施加在地板，流动部分底板和主体的表面。在侧面和上边界施加滑动边界条件。Nuumann条件是在畴边界处的压力。模拟具有圆柱形塔和漫射形塔的流动图案。数值塔模型与其配置中的实验模型相同。我们还通过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.显示上升气流的风速在圆柱形的塔里。将实测值绘制在图中，并将其方程应用拟合曲线。显然，上升气流风速的增加与接近风速成正比在所有情况下。圆柱塔，带有短涡流发生器（ ）上升速度达到1.8倍。然而，增大涡发生器高度并没有导致速度的意外显著增加。塔楼与高涡流发生器（ ）达到上升速度增加1.9倍。

数字6.显示在扩散塔中。上升气流风速与接近的风速成正比增加。无涡发生器扩压塔的上升速度比圆柱塔提高2.1倍。带有短涡发生器( ）达到上升速度增加1.3倍，尽管扩大涡流发生器的高度并没有导致速度的显着增加。塔楼与高涡流发生器（ ）上升速度达到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.通过风洞烟雾显示上升的可视化结果。跨风向右飞行。在没有涡流发生器的塔的情况下（图7（a）)，上升气流立即在塔出口处飞向下游。随着涡发生器高度的提高，上升气流被吸到涡发生器的顶部。在分离的剪切层，涡旋由于剪切应力而脱落。同时，在每一种情况下都观察到大涡(图)7（d）-7 (f)）.黄色箭头显示涡流的位置。在没有涡流发生器的塔的情况下（图7（d）)，旋涡在塔的下游产生。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，旋涡位置也向上移动。我们假设涡与塔出口距离的扩大是为了防止上升吸力的增强。

数字8.显示了实验中测量到的压力分布。在扩压器型塔的情况下，由于扩压器的作用，塔入口附近的压力降低。同时，在有涡发生器的情况下，压力完全降低。因此，带有涡发生器的扩压塔压力最低，上升风速最高。

在这里，我们提供了一个简单的理论，以便对实验结果提供一些解释。我们定义了变量，如图所示9.。考虑大规模保护和压力平衡，我们派生了以下等式： 在哪里涡发生器的背压系数是多少 那 为塔入口压力损失系数，是扩散器中的压力损失系数，和是塔出口处的压力损失系数。

方程(2）支持上升风速与交叉风速成比例的实验趋势。

3.2。数值效果

图10.和11.显示上升风速由数值模拟得到。利用实验得到的曲线和拟合曲线，将模拟值绘制在图中。数值计算结果与实验结果吻合较好。

数字12.显示通过数值模拟导出的塔中的压力分布。数值结果显示出与实验结果相同的趋势。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.显示时间平均压力分布。一个值得注意的点是在塔上面出现了一些压力下降。带有涡流发生器的塔上方的压力降低。它们是由于涡流发生器产生的涡流的压力壮大。因此，在没有涡流发生器的情况下，具有涡流发生器的塔内部的压力完全减少。另一个值得注意的点是我们在塔内的垂直方向上捕获压力梯度。尽管圆柱形塔中，但压力变得近在散射塔的底部附近。圆柱形塔中没有压力梯度。压力梯度与塔的扩散效果相对应的流动加速度。因此，具有涡流发生器的漫射器形塔底部最容量的上升器。

塔楼底部的风速是优选的，因为风太阳能塔的涡轮机位于那里。也就是说，具有涡流发生器的漫射形塔是合适的形状，以在所需位置有效地产生上升流。

数字14.显示时间平均的流线。在具有涡流发生器的塔上方模拟大型涡流。在风洞实验中的流动可视化中也观察到大型涡旋（见图7.）.数值计算结果证实了涡发生器在塔出口附近产生了足够的涡。

3.3。未来的可能性

值得一提的是，未来可能采用本文提出的想法。我们在日本九州大学建立了一个WST原型(见图)15.）.塔高度为10米，收集器宽度为15米。数字16.显示了两天显着的实验结果。塔在夜间有强风。通常情况下，日落后，太阳上升塔不能在上升。然而，利用太阳能和风能的WST同时能够在夜间连续地产生上升流，如图所示16.。这意味着我们展示了WST的新发电机制，其在实际条件下利用了无太阳能的横向能量。不幸的是，风速不足以在夜间继续涡轮机旋转。然而，由于其较低的切割特性及其在没有减速的情况下，预计涡轮机的实际尺寸将连续旋转。将报告太阳能和风能的协同作用，并在我们未来的论文中的实地考验细节报告。

4。结论

利用旋涡发生器和扩散器对太阳能上升气流塔有效利用侧风能量进行了研究。通过风洞实验和数值模拟得到如下结果。(我)塔内的吸升速度与侧风速度成正比，其转化率取决于塔的结构（ii）无涡发生器扩压塔的上升速度比圆柱塔提高2.1倍。带有涡发生器的扩压塔的上升速度提高了1.3倍以上（iii）采用扩压型塔和涡发生器产生上升气流，上升气流速度超过侧风速度。它是由于塔顶上的涡流产生的低压并达到漫射效果

侧风利用使得简单的发电装置可以在夜间发电，可再生能源的混合利用将有助于风能市场的增长。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者感谢实验室工程师，Kenichiro Sugitani，Kimihiko Watanabe和Keiji Matsushima。在撰写本文时，AI Watanabe提供的建议和评论很大。本研究得到了九州大学的补助金。

参考

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