浅谈风力发电机在超高层建筑珠江城项目的应用_华锡锋

而达到节约能源的目的。
少雨的气候。由于受季风影响和华南冷高
华锡锋# 周名嘉 ! 广州市设计院
# # 节能环保是当今全人类共同需要解
决的 主 题， 研 究 利 用 可 再 生 绿 色 能 源
———风能，则是节能环保理念的最直接
体现，是保证社会可持续发展的一项重
要措 施。 我 国 建 筑 能 耗 约 占 总 能 耗 的
广州位于低纬度地区，地表接受太 安装风力发电机 ，如图 ’ 所示。夏季以偏
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·建筑电气·*+,+ 年第 *- 卷第 ,, 期
浅谈风力发电机在超高层建筑珠江城项目的应用
! !"#$"%%&$"# ’%($#" 方案设计
图 +- 珠江城项目效果图及工程概况
南风、东南风发电，冬季以偏北风、东北风发电。 内风向的不确定性（春夏季东南偏南，秋冬季东北 偏北），得出的结论是垂直轴风力发电机比水平轴 风力发电机更适合安装于本建筑风洞内。因此，珠 江城项目最终采用 $ 台芬兰 %&’()&(* 公司生产的 %+—,- 型垂直轴风力发电机组，如图 . 所示，其 技术数据如表 , 所示。
珠江城项目位于广州市珠江新城中轴 线商 业 中 心 区， 地 上 0* 层， 建 筑 高 度 $%) 1，属于超甲级写字楼，项目定位为 低能耗绿色建筑。按照绿色环保节能的设 计理念，可再生能源的利用成为建筑师和 工程 师 关 注 的 焦 点。 根 据 广 州 的 气 候 特 点，珠江城项目建筑朝向南偏东 *$2，目 的是 充 分 利 用 广 州 地 区 的 风 力 资 源。 目 前，风力发电机安装在建筑上的应用例子 很少，尤其应用于超高层建筑上以及风力 发电与建筑一体化的案例几乎没有。作为 广州的地标性建筑，既要体现节能环保的 理念，又要体现天人合一的建筑理念，因 此，如何将风力发电机与建筑有机的结合 在一起，是风力发电系统设置的关键。如 图 * 所示，建筑师根据珠江城项目效果图 及工程概况，分别于 ’/ 3 ’( 层、(% 3 (* 层 巧妙地设置了 / 个贯通南北的风洞，用来
的输入柜，先经过直流升压装置，输出直流电压 电时，要求能立即检测并停止交流输出，以避免
为 +,% (，最后经并网逆变器逆变，输出电压为 电力事故的发生（ 由逆变器实现此功能）。
#%% (，频率为 ,% -. 的稳定交流电，输出的电能
监控单元的数据采集设备集中了所有前端传
直接并网至大楼低压配电装置。
感器采集的 信 号， 包 括： 并 网 装 置 的 电 流 信 号、
并网系统除了实现上述并网功能外，还应具 电压信号、风速风向仪的信号、振动信号、轴承
备以下功能：
油压信号以及自动柜润滑油系统提供的故障信号
’）同步跟踪功能：跟随电网的变化，始终 等。这些信号经过数据采集设备的集中处理后，
保持电压、相位和频率与外电网同步（ 由逆变器 经 34 #2, 电缆传送给监控柜内的数据中心（ 计算
的电压、相位和频率，直流输入及交流输出的电
压、电流等信号进行检测，当出现异常情况时会 电能效益分析
自动保护，断开交流输出，当故障原因消失，电
风能可用“ 风能密度” 来描述。空气在 ’ 5
网恢复正常时，延时一定的时间后，恢复交流输 时间里以速度 ! 流过单位 面 积 产 生 的 动 能 称 为
出（ 由逆变器实现此功能）。
由于该 楼 风 力 发 电 机 周 围 独 特 的 结 构 形 状， 外部气流在经过风力发电机吸风口周围和风洞内 部时，会发生复杂和独特的风效应，包括风速的 增大效应和表面压力的变化，这些都会影响风力 发电机安装施工阶段和运营阶段的人员安全和设 备安全。风速增大效应主要是通过计算测试点风 速与参考点风速的比值（ 风速比 !" > #" $ #’ ，其中 #" 是流场中第 " 点吸风口处的平均风速，#’ 是参 考点高 度 处 的 平 均 风 速 ）， 它 反 映 了 由 于 建 筑 物 的存在而引起风洞内风速变化的程度。研究试验 结果表明，吸风口内外最大风速比为 85 ,。由于 风能密度与风速的三次方成正比，而风力发电机 发电量又与风能密度成正比，因此，可以利用建 筑结构形体风洞风速增大效应，提高风洞内风力 发电机的发电效率。
安全系统
" 自动润滑系统：配有压力计及过滤器，可根据 轴承的需要提供准确量的经过过滤的润滑剂
" 风速仪：安装有 %;<2/;2= 专利的机械风速 感 应仪，可以在非常危险的疾风下起动制动系统
风能利用和结构安全性分析
由于该项新技术在高层建筑中没有先例，对 其可能 产 生 的 振 动、附 加 荷 载 及 噪 声 等 尚 不 清 楚，为确保 建 筑 结 构 安 全、 幕 墙 安 全、 施 工 安 全及运 行 安 全，有 必 要 对 发 电 机 风 洞 层 进 行 风 洞实验 研 究，作 为 设 计、施 工 和 使 用 推 广 的 依 据。为此，我 院 委 托 湖 南 大 学 进 行 珠 江 城 项 目 风洞实验研究。
发展迅猛，装机容量每年持续增加超过
’%& ，其原因是人们意识到能源短缺危 机已经来临，过度开发所造成的环境污
关键词! "#$%&’() 可再生能源· 风能· 风力发电机·
风力发电与建筑一体化· 风洞实验· 并网发电·
染已不容忽视。到 ’%%( 年底，全球风力 发电装机容量达 () **$ +,。我国风力 发电起步较晚，始于 ’% 世纪 -% 年代， 发展于 ’% 世纪 .% 年代。到 ’%%- 年底， 我国 风 力 发 电 装 机 容 量 达 ’ (.) +,。 ’%%- 年，《 中华人民共和国可再生能源 法》 正式颁布和实施。随着国家一系 列的法律法规、技术标准及优惠政策的 出台，我 国 风 力 发 电 步 入 了 快 速 增 长 时期。
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浅谈风力发电机在超高层建筑珠江城项目的应用
! !"#$"%%&$"# ’%($#" 方案设计
性阶段。 上述研究成果为风力发电机首次安装在高层
建筑提供了有力的技术支持。
电气系统构成
风力发电电气系统构成如图 # 所示。
图 -. 风力发电机系统图
$ $ 随着风速的变化，风力发电机输出交流电压
" 方案设计 !"#$"%%&$"# ’%($#"
浅谈风力发电机在超高层建筑 珠江城项目的应用
! ! 结合超高层建筑的结构和体形，阐述了通过在建筑上 阳辐射量较多，同时受季风的影响，夏季
设置特定的风洞，选择并安装合适的风力发电机，使其在 海洋暖气流形成高温、高湿且多雨的气
超高层建筑上安全并高效地运行，利用风能产生电能，从 候；冬季北方大陆冷风形成低温、干燥且
$%& ，因此，建筑节能意义重大。 风能是 一 种 可 再 生 的 自 然 洁 净 能
源，利用风能发电不消耗资源、不污染
环境，这是其他常规能源发电（ 如油
电、煤电） 与核电所无法比拟的优点。
华锡锋 ! 高级工程师
从 ’% 世纪 $% 年代开始，国外小容量的 风力发电机组技术日趋成熟，并得到广
泛的推广和应用。目前，风力发电行业
风力发电机的设置和选择
压控制，年内冬季（* 月） 多偏北风和东 北风；春季（/ 月） 风向较零乱，以东南 风偏多；夏季（0 月） 受副热带高压和南 海低压的影响，以偏南风为主；秋季（*% 月） 由夏 季 风 转 为 冬 季 风， 以 偏 北 风 为 主。在平均风速方面，冬、春季节风速较 大，夏季风速较小，但夏季间常有热带气 旋侵袭，风速可急剧增大，形成风力 . 级 以上的大风。由此可见，广州全年风向以 偏南风、东南风、偏北风和东北风为主， 风力资源比较丰富。
" 机械振动：风机系统不会产生任何干扰建筑结 构的振动
Fra Baidu bibliotek
性能
" 保证持续发电风速：4’ - . / " 保证所能够承受的疾风（ 骤风）：0, - . / " 产电的风速范围：+5 0 6 4’ - . / " 单机的年产电量：风机在平均风速为 75 +, - . / 时，在夏季以偏南风、东南风发电，冬季以偏北 风、东北风 发 电 的 情 况 下， 全 年 至 少 能 产 出 88 9%·:的电量 " 电子制动系统：可以手动控制或者自动控制 " 气盘制动系统：在特别高速的骤风下可以设定 为自动或者手动
“ 风能密度”，即
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风力发电机的核心部件是靠风力推动的旋转 叶片，可能会由于周向气动荷载的不均匀性以及 旋转部件固有的周期性运动造成的发电机设备的 振动问题。除了风力发电机本身旋转造成的振动， 洞内风力切过风力发电机形成钝物绕流造成的附 加动态荷载，也可能对安装基底及周围楼层造成 影响。实验研究采用国际通用的计算流体动力学 （?@A） 软件以 及 结 构 有 限 元 分 析（ *BCDC） 软 件进行分析，风力发电机在风速分别为 +, - . /、 4’ - . / 和 0’ - . / 等多工况运行下，得出如下结 论：对附近楼层办公人员的舒适度影响较小；对 附近楼层楼板引起的加速度均较小，不会引起附 近楼层楼板的共振；安装基座及固件均未进入塑
#） 过电压、欠电压保护功能。
为 % & ’%% (，最大电流为 )% *。电源输入至交流
,） 过载保护功能。
变直流控制器后，输出电压为 )% & ’%% ( 的直流
+） 短路保护功能。
电流。直流电流对蓄电池充电，蓄电池既能蓄电，
1） 过热保护功能。
又能保证电压稳定。稳定的电压再进入并网装置
2）防止“ 孤岛效应” 功能：当外部电网失
由于风洞存在空气动力学“ 口哨” 效应，在 气流经过吸风口时，以及风力发电机工作时，都 有可能产生较大的噪声。风速通过狭小地带加速 后，与风力发 电 机 互 相 作 用， 有 可 能 产 生 噪 声。 实验结 果 表 明， 各 风 向 角 在 三 年 重 现 期 风 速 下， 各个风向角下，噪声均小于限值。由于实验计算 采用的 &’ - 高度处三年重现期的风速 &85 & - . /， 相当于较大的台风风速，根据实验报告的计算结 果可以预计珠江城项目在常遇风速条件下，即一 年重现期或者历年最大月平均风速下，本大楼周 围局部最大噪声值不会超过《 中华人民共和国环 境噪声污染防治法》 规定的限值。
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图 .- !"—+* 型垂直轴风力发电机组 )*+* 年 , 月上·建筑电气·
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! 方案设计 !"#$"%%&$"# ’%($#"
表 #% &’—#" 型的垂直轴风力发电机组技术数据
电气参数 外形尺寸
材料
" 额定功率：# $% " 额定电压：&’’ ( " 额定电流：)’ * " 额定风速：+, - . / " 发电机的结构：永磁型 " 重量：约 0 ’’’ $1 " 叶面高度：, " 叶面宽度：+ " 受风面积：&’ -+ " 风机的结构：垂直轴 " 风叶：铝制 " 发电机：钢制 " 紧固盘：+, -- 厚的镀锌钢板 " 噪声级别：无噪声。从风机的 + - 处测得的噪 声小于 &’ 23
图 )- 风力发电机机安装位置
确定了风力发电机的安装位置，接下来需要 解决的问题是如何选择合适的风力发电机。
目前风力发电机按结构形式分为水平轴风力发 电机和垂直轴风力发电机两大类。水平轴风力发电 机的结构特点是：!风轮架设高，直径大，占用面 积大。"风能利用率高，发电量高。#噪声大。$ 起动风速低，可自起动。垂直轴风力发电机的结构 特点是：!可以接受来自任何方向的风，因而当风 向改变时，无需对风，由于不需要调向装置，使其 结构设 计 简 化。" 振 动 小，噪 声 低。# 风 轮 直 径 小，占用面积小。$齿轮箱和发电机可以安装在地 面或楼板上，检修维护方便。通过对 # 类风力发电 机的实地考察和深入对比分析，考虑到全年间风洞
实现此功能）。
机），数据中 心 安 装 有 显 示 软 件， 显 示 出 当 前 风
/） 最 大 功 率 跟 踪 功 能：由 逆 变 器 实 现 此 力发电系统的运行状况。同时，数据中心可通过
功能。
以太网 将 搜 集 到 的 数 据 传 送 给 整 个 大 楼 的 监 控
0）自动运行与关闭功能：实时对外部电网 中心。