城市高层建筑物的峡谷效应之利用

2008-08-07 16:02阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1400145680

城市高层建筑物的峡谷效应之利用
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挑剔工艺学
创新案例 No.23
作者 《挑剔工艺学》创始人陈川驰

关键字：风力发电峡谷风及风能节能新能源创新可持续发展变害为宝取暖半导体制冷
一、狭管（谷）效应 （The effect of narrow）
定义：
地形的狭管作用，当气流由开阔地带流入地形构成的峡谷时，由于空气质量不能大量堆积，于是加速流过峡谷，风速增大。当流出峡谷时，空气流速又会减缓。这种地形峡谷对气流的影响；称为“狭管效应”。由狭管效应而增大的风，称为

峡谷风或穿堂风。
液体在管中流动，经过狭窄处时流速加快。气流在地面流经狭窄地形时类似液体在管中的流动，流速也会加快，并因气体具有可压缩性，密度也会增大。地球上山地的许多风口和许多地方出现的地形雨都与气流经过狭窄地形密切相关。
　　这种自然界中出现的“狭管效应”现象，在我们的生活中也会出现。如我们打开室内对开的两扇窗户，会感觉风有所加大，这就是我们常说的“穿堂风”。
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二、高层建筑引起“狭管效应”
在高楼大厦林立的城市，两座毗邻的高楼之间也会出现这种情况，高层楼宇间的狭窄地带风力比起平地要强得多，科学家曾经通过物理风洞试验经过数值模拟后发现：平地上3—4级的风，在城市高楼之间，经过“狭管效应”放大后，风力将成倍加大，可达10级以上。
　　由于住房压力的需求，城市中越来越多的高楼拔地而起，“狭管效应”在城市出现的几率大大增加。是否出现“狭管效应”和其威力大小，是和一个城市高层建筑的数量、间距、建筑物的位置有着十分密切关系的。高层建筑物越多、体积越大、间距越近，出现“狭管效应”的机会越大，反之则越小。

三、峡谷风变“害”为宝
峡谷风使得高层建筑物的冬季保温性能下降，墙体外表面散热加剧，冬季室温比普通底层建筑物同样墙体材料热损失增加许多，取暖能耗增加。根据《挑剔工艺学》原理，不如意=创新机会。峡谷风可以大幅度提高风力发电系统的效能，将其正确利用可以巧妙转化为热能、电能，其原理如同水库水力发电！
四、构想和建议
①.构想
为了有效利用高层建筑物每个居民家庭的峡谷向有限的外部面积，可以考虑把3-5个微型碳纤维增强塑料叶轮同轴串联获得更多的风能以增加它的扭矩输出；可以水平安装，也可以竖直安装。下图的方案可以保证无论风向如何，都可以有效得到风能利用。

②.建议
A.对生产合格家用微型风力发电系统的企业，如果其质量性能符合国家标准，国家应给予其高新技术及绿色节能企业的双重优惠待遇。具体是各项税收大幅度减免、银行贴息贷款扶助。这样有利于降低生产成本，使得该技术不但节能，并且实用经济划算。
B.对安装家用微型风力发电系统的居民，给予个人所得税退税奖励及政府节能补贴，以鼓励大家购买使用家用微型风力发电系统。这样有利于降低购置及使用成本，使得该技术不但节能，并且实用经济划算。
C.借鉴英国政府的风能利用措施和政策。
注：本人拥有本文思想著作权，如需要宣传使用，请征得作者授权。
附一：英国积极推广家用风能发电
迎风缓缓转动叶片的微型风力发电机，正在成为英国不少家庭的新景观。家庭安装微型风力发电设备，不但可以为生活提供电力，节约开支，还有利于环境保护。英国一些微型风力发电机厂商估计，全英约有两成的家庭适合安装风力发电机，市场潜力巨大。
得天独厚的地理位置使英国成为欧洲风力发电及风能资源最丰富的国家，约占整个欧洲的40%。自15年前首座商业风力发电站建立以来，英国风力发电事业稳步推进，近年来，在政府大力推广可再生能源政策的鼓励下，其发展进入提速阶段。2004年，英国风力发电量占全国总发电量的0.3%，2005年其比重增长了一倍，2006年进一步提高到1.3%。根据英国政府在2003年出台的能源白皮书提出的目标，2010年可再生能源发电量要达到全国总发电量的10%，2020年达到20%，其中80%将来自风力发电。与此相对应，英国还提出了减少温室气体排放量的指标，到2050年拟将碳排放量减少60%。
为实现上述目标，英国政府在发展商业风力发电的同时，积极推广家庭风力发电，并出台了一系列鼓励政策，其中包括居民安装家用微型发电机，按不同功率减免增值税；政府提供优惠贷款，引导企业开展对家用微型发电技术的研发工作；对于家庭安装直径0.5米以下的微型发电机，政府承诺取消地方审批制度；英国贸工部将原来需要交费查询的全国风力资料公开，民众只要输入邮政编码，即可免费获得所在地区的历史风力资料，以判定是否适合安装风力发电系统。此外，英国政府还将研究具体方案，解决安装和使用微型发电机成本高、家庭所发余电出售给电力公司的价格过低等问题，以促进家用风力发电更快发展。
2006年，英国政府在预算中划拨5000万英镑，用于鼓励英国民众利用可再生能源。英国贸工部还制定了对安装微型风力发电机家庭发放津贴的制度和标准。安装发电量大于500瓦的微型发电机的家庭，最多可获得购买及安装发电机总价30%的补助，每年还可获得50英镑左右的发电津贴。据英国贸易工业部预计，到2010年，英国政府用于风力发电及风能等可再生能源发电的补贴及免税额将达到10亿英镑。
这些政策措施得到英国社会的积极响应。据英国风力发电及风能协会的调查显示，74%的民众认为风力发电及风能是英国开展可再生能源发电的最主要的手段，并愿意积极参与这一项目。截至2006年底，英国政府收到的初装家用微型风力发电机补助申请1593份，批准了1422份，为此拨发的补助金额达157.8万英镑，平均每个家庭所获补助额超过1000英镑。在英国，家用风力发电机容量一般在6千瓦以下，最为常见的是1.5至3千瓦，风力发电机实际发电量一般为其容量的30%。购买及安装一套1千瓦以下的家用风力发电系统，价格约3000英镑，1.5至6千瓦的家用风力发电系统需4000-18000英镑左右。对于每年发电量为1000-1500千瓦时的家庭来说，其收回成本的时间大约为6-7年，而每台发电机的寿命则在20-25年左右。一旦家用发电机所发余电的出售价格偏低及其并网问题得以解决，英国家庭收回建立发电系统成本的时间还将进一步缩短。
英国风力发电及风能协会认为，随着政府扶持力度的加大、立法工作的完善以及微型风力发电技术的不断提高，英国家用风力发电将更加普及，个人、国家和环境都将因此受益。
附二：微型风力发电机问世
http://www.smelz.gov.cn/news/110242.htm
科学时报2007年2月14日报道美国德州大学Arlington分校的科学家们发明了一种几个英寸大小的微型风力发电机。这种全部由塑料组成的风力发电机造价低廉，能够应用在电池充电、遥控照明、无线传感器等许多领域。他们的结果发表在最新的《应用物理快报》（AppliedPhysicsLetters）上。
风能作为一种免费、洁净的能源是十分吸引人的，但是通常的风力发电装置都需要巨大的体积。虽然也有一些小体积的风能发电机，但是转换效率一般都比较低，所需能量往往风能不足够提供。
德州大学Arlington分校的科学家们使用压电材料的设计，使微型的风力发电机成为了可能。他们使用两个压电晶片排列在一起，压电晶片通过杠杆连接到风车叶片的轴获得振动，从而把风能转化为电能。
小组成员ShashankPriya说：“压电材料只需要很小幅度的偏转就能够产生较高的电压。我们通过改进压电陶瓷来提高能量的转换效率。随着效率的提高，这种发电机会很有前途。压电风力发电机是高电压低电流源，而电磁发电机是高电流低电压源。我们的下一代系统将整合两者的优点，提供更大的能量密度。”
他们现在的设计包括固定在可调齿数比的轴上的三个长5英寸的风扇叶片。连接轴的曲臂推动连接在两排共9个压电晶片上的控制杆。控制杆使压电晶片振动，把随机的风转换为同步的机械运动。整个发电机的尺寸为3.5x4x5.5英寸，全部由ABS塑料制成。
附三：香港大学成功研发微型风力发电机
http://www.smelz.gov.cn/news/112110.htm
这种由香港大学教授和法国发明家共同完成的微型风力发电机，采用经过特别设计、直径只有26厘米的塑料滚轮作为获取风能的装置。
这种滚轮可以组装成任何形状和大小。可以安装在家居的露台或建筑物的天台上。产生电力会先储存在蓄电池中，可以用于驱动家用电器。
据发明者介绍说，这套风力发电系统在风速只有两米每秒的时候就能发电。而传统的小型风力发电机风速要增加到每秒7米，才能有效发电。全球大部分城市的平均风速为每秒5米。

风级、风速、风压对照表（机构与结构设计参考） Wind scale and Wind speed，Wind force list (for designed)
风级	名称 Wind name	风速 wind speed		风压 10牛顿/平方米（10N/m²）	陆地地面物体征象	海面状态
		km/h	（m/s）
0	Calm 无风	<1	0-0.2	0-0.0025	静	静

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