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科學指導
能源(2017)321–Procedia 142 327
第九應(yīng)用能源國際會議,ICAE 2017,21-2017年8月24日,英國加的夫
風振式能量收割機(WIFEH)建筑一體化的研究
Angelo I. Aquinoa,*, John Kaiser Calautitb, Ben Richard Hughesa
英國謝菲爾德大學機械工程系
英國諾丁漢大學建筑與建筑環(huán)境系
摘要
在這個現(xiàn)代時代,低能設(shè)備無處不在,尤其是在考慮它們在建筑環(huán)境中的應(yīng)用時。本研究探討了建筑整合與能源整合的可能性。 風力誘發(fā)顫振能收割機(WIFEH)的處理能力,這是一種微型發(fā)電機,旨在為低功率應(yīng)用提供能源。本工作進行了實驗研究。 f風洞內(nèi)的WIFEH模型和與WIFEH系統(tǒng)集成的建筑物的計算流體力學(CFD)模型研究。實驗對不同風作用下的WIFEH進行了研究。 風洞風速在2.3至10米/秒之間變化,以測量設(shè)備的感應(yīng)電壓產(chǎn)生能力。的wifeh能夠產(chǎn)生3伏的電壓有效值、峰-峰值電壓 當氣流為2.3 m/s時,壽命為8.72 V,短路電流為1mA.。隨著風速增加到5m/s,以及隨后的膜片保留,rms和峰值電壓也隨之增加。 短路電流也分別增加到4.88 V、18.2 V和3.75 mA。仿真中采用坡屋頂式建筑模型,從文獻中獲得的27?間距。用于計算流體力學 將WIFEH集成到一座建筑中,由于該地區(qū)的流量最大化,建筑物屋頂?shù)捻敳慨a(chǎn)生了最高的功率輸出。這個位置專業(yè) 介紹了45°進近角下最大功率輸出,在裝置位置為6.2 m/s的加速風作用下,估計產(chǎn)生了62.4 mW功率。的方法和結(jié)果 這項工作可有助于進一步研究世界城市發(fā)展綜合方案在城市環(huán)境中的整合。
?2017年作者。由Elsevier有限公司出版。
由第九國際應(yīng)用能源會議科學委員會負責的同行評審。
關(guān)鍵詞:氣流;氣動彈性顫振;建筑物;計算流體力學;模擬;風;風帶
1. 介紹
目前,建筑占發(fā)達國家總能耗的20-#number0#,超過了工業(yè)和運輸部門的消費[1]。最重要的進步 發(fā)展風能
1876-6102。?2017年作者。由Elsevier有限公司出版。由第九國際應(yīng)用能源會議科學委員會負責的同行評審。10.1016/j.egypro.2017.12.05 一
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在建筑物中收獲是顯而易見的--使發(fā)電廠更接近電力用戶。由于能源創(chuàng)造手段的共享和向公眾傳播,更高的能源效率 預(yù)計,隨著對能源公司的依賴減少,碳足跡減少,經(jīng)濟得到全面刺激[2]。此外,分布式發(fā)電將成為一種新的發(fā)電方式。 減少電網(wǎng)的負荷,依賴柴油發(fā)電機(在停電時)和輸電費用。
一種新的和正在出現(xiàn)的替代通常渦輪機是風致顫振能收割機。在這個瞬息萬變的世界里,低能發(fā)電設(shè)備越來越受到人們的關(guān)注。 離子由于其與自助式微型設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在集成,特別是在城市環(huán)境中。這些微型發(fā)電機產(chǎn)生的功率足以 聯(lián)合國發(fā)光二極管,獨立無線傳感器節(jié)點和小型液晶顯示器[3]-[5]。與以渦輪為基礎(chǔ)的發(fā)電機不同,WIFEH是一種小型、輕便、經(jīng)濟的直接混合器。 不需要任何齒輪、轉(zhuǎn)子或軸承的Sion能量收割機。風向張緊的薄膜或帶周圍流動,使薄膜顫振,啟動連接的永磁體。 相對于一組線圈振動。這種運動導致電流在線圈中流動,從而產(chǎn)生電力[6]-[8]。
2.文獻綜述與目標
在低能風能治理方面,最開始的技術(shù)之一是被認為是“顫振型”能源收割機。這些裝置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風渦輪機。 由于沒有組件移動部件,ES具有一定的優(yōu)勢,從而降低了生產(chǎn)成本,延長了系統(tǒng)壽命。同樣重要的是要注意到基于顫振的風力機。 Gy甚至可以設(shè)計成適應(yīng)高度波動的風速和變化方向[9]。
為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的使用壽命,人們對適合其規(guī)模的替代電源進行了不斷的研究。WSN技術(shù) 目前部署在毫瓦和微波功率范圍[10]。對于小型能源收割機來說,這是一個吸引人和有利可圖的利基,尤其是w型。 e現(xiàn)被視為WIFEH。該風力收割機利用氣動彈性顫振將風能中的動能轉(zhuǎn)化為電能。
本文討論了WIFEH能源治理潛力的評價問題。通過對收割機樣機的試驗研究,對其進行了評價。 內(nèi)部風洞;和(Ii)通過CFD分析,有關(guān)外部條件和收割機位置對收割機發(fā)電能力的影響。實驗分析將評估建造的 WIFEH樣機在不同風洞風速作用下的性能。cfd分析將研究各種外部條件和設(shè)備位置對性能的影響。 世界衛(wèi)生組織的成就。模擬將使用一個27度高的山墻屋頂式建筑模型[11]。大氣邊界層(ABL)流將用于模擬入射風。
3. WIFEH樣機風洞試驗運行評價
為了表征不同風速對收割機性能的影響,在風洞內(nèi)搭建了樣機并進行了試驗。樣機在風洞風洞中進行了測試。 W速度,使測量RMS電壓,峰值電壓和短路電流產(chǎn)生的收割機響應(yīng)于不同的風速。W的示意圖 ifeh是圖1)而顯示原型示意圖在圖1中描繪的定位是B)。
在低速閉環(huán)風管風洞內(nèi),對單線圈、8層1.5 mm厚、10 mm直徑磁鐵的WIFEH原型進行了初步試驗研究。 詳見[12]。風洞有一個尺寸為0.5、0.5和1米的試驗段(見圖2)。風洞中的流動在試驗測試之前就有了特征。 e試驗段的不均勻性和湍流強度分別為0.6%和0.49%,符合推薦準則[12]。
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為了進行數(shù)據(jù)采集,該系統(tǒng)連接到位于風洞外的Tektronix TBS1052B數(shù)字存儲示波器。風洞內(nèi)的風速與風洞m的風速是不同的。 2.3 m/s至最大值為(I)8m/s,不進行帶重扣;(Ii)10m/s,帶重新拉緊。應(yīng)該注意的是
重新調(diào)整,皮帶的性能沒有改善超過8m/s。在不進行膜保留的情況下,觀察到了自持續(xù)但不穩(wěn)定的振蕩,導致電壓信號不正常。 headings標題( heading的名詞復(fù)數(shù) )
Retensioner
a)
Flutter
Flutter
Coil
500 mmb)
membrane
Magnet
Flutter
membrane
WIFEH
prototype
500 mm
1000 m
洞試驗段原型
圖1。一個示意圖)四(4線圈安排)wifeh B)一wifeh風
圖2。(一)的閉環(huán)風洞側(cè)視圖(B)wifeh原型一個線圈配置顯示顫振運動在2.3米/秒
電壓波形的相關(guān)屬性,如最大值、峰峰值、均方根(RMS)的電壓和頻率可以在示波器的7英寸WVGA TFT彩色顯示器即時觀察。該儀器有3%個垂直(電壓)測量精度,允許用戶看到所有信號的細節(jié)。測量了連續(xù)不間斷生產(chǎn)的波形在示波器的液晶顯示器顯示和記錄連接到示波器的USB存儲設(shè)備。
用于風洞試驗的wifeh模型構(gòu)建部分使用3D打印。銅線用于制造導電線圈銅漆包線40號(標準線規(guī))直徑0.125毫米。圓形殼體三維使用HP Designjet 3D打印機打印。外殼外徑為54。
阿曼達內(nèi)徑(孔直徑為12.5毫米),20毫米的間距和內(nèi)外厚度為12毫米的繞組線圈。大約2500匝的線圈產(chǎn)生線圈。線圈的內(nèi)阻測量為1150歐姆。相比之下,線圈用于設(shè)備中的傳感器從S. Frayne了38 AWG搪瓷線約25歐姆[ 13約150匝,電阻]。
交流電壓波形產(chǎn)生的wifeh系統(tǒng)在受到一個恒定的2.3米/秒的氣流是在圖3所示,這是一個)形成了有規(guī)律的正弦波形。這第一次試驗相當于風洞的初始和最小流速。測量為3 V RMS電壓的均方根電壓是可變電壓源如wifeh有效值。最大電壓讀數(shù)為3.84 V,峰值電壓為8.72 V。
沒有事先保留膜,風洞氣流速度增加到5米/秒,觀察和記錄,如圖3中B所示是再交流電壓信號)。波形與前一種情況不一樣,我們可以觀察到鋸齒波信號與鋸齒波信號相似的更多轉(zhuǎn)折點,信號的負峰值減小。5米/秒風速記錄有效值為4.16 V,峰值至峰值18.4 V,最大值為8.8 V。
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該wifeh膜然后retensioned同時保持風洞氣流速度為5米/秒的收割機系統(tǒng)當進行一個恒定的氣流再次被記錄的交流電壓波形。再次觀察到有小峰和主峰的正弦規(guī)律。這風條件下,微型發(fā)電機產(chǎn)生的電壓4.88 V和9.20 V,最大峰峰值是18.2 V,如圖4所示的一個)。
圖3)的風致顫振能量采集器的開路電壓(wifeh)無膜保留一個)在2.3米/秒的流速B)在5米/秒的流速
4的風致顫振能量收割機開路電壓圖4(wifeh)膜保留5 m/s流速下
1米/秒的氣流速度也有兩例增加:(I)和(II)不帶保留帶保留,從2.3米/秒的開路電壓和短路電流進行每個增量后用數(shù)字萬用表,觀察??梢哉f,在不帶保留的最大開路電壓和短路電流均為6米/秒的氣流速度,超越有兩變量顯著下降。這是由于觀察到,除了氣流速度之外,與較低風速的情況相比,傳送帶開始表現(xiàn)出不太穩(wěn)定的振蕩。這種不穩(wěn)定的顫振極大地影響了磁體線圈的相對動態(tài)定位,從而影響了導線圈的感應(yīng)電壓和電流。因此,氣流速度和開路電壓或短路電流之間的關(guān)系沒有觀察到是線性的(見圖5)。However, with retensioning of the belt the linear relationship between airflow and voltage / current resume. 這種趨勢甚至持續(xù)到10米/秒的氣流速度。
圖5電輸出性能的無保留wifeh不同流速下:(一)開路電壓短路電流(B)
4.計算流體動力學(CFD)的wifeh融入建筑的分析
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該wifeh集成到一個系統(tǒng)建設(shè)為藍本,通過ANSYS Fluent CFD模擬的氣流模式,在建筑內(nèi)部和周圍的能量收割機速度大小和分布。這是為了使能源收割機在整個過程中的位置優(yōu)化。
各種建筑剖面。這項調(diào)查模擬了一個溫和的微風,這是第3類在博福特風力規(guī)模。流采用標準k-–?湍流模型模擬,這是在建筑物周圍風[ 11 ]流研究的一個行之有效的方法,–[ 14 ] [ 16 ]。
圖6)顯示一側(cè)面橫截面計算域內(nèi)代表圍繞建設(shè)綜合wifeh氣流分布的速度分布。圖的左側(cè)顯示了米/秒氣流速度的刻度。流體域中的等高線圖是彩色編碼的,與CFD彩色地圖有關(guān),范圍從0到5.9米/秒。而在wifeh設(shè)備R1的速度分布的觀點,R2和R3上的圖所示。結(jié)果表明,屋頂?shù)男螤詈徒嵌葘ifeh的性能有顯著的影響。在圖中,很清楚的是,在屋頂背風處定位設(shè)備會導致由于這個地區(qū)風速低而產(chǎn)生的能量很少。然而,應(yīng)該注意到,其他風向角的情況并非如此,例如,風向是相反的方向。因此,在建筑物安裝設(shè)備時,位置測量、風評估和詳細建模是非常重要的。在風速(嗯)4.7米/秒和0°風向,R1中的氣流速度最高,而最低的是4.5米/ s的R2觀察wifeh位于屋頂?shù)闹醒搿?
圖6 B)顯示一個視圖截面計算域內(nèi)代表圍繞建設(shè)綜合wifeh氣流分布的速度分布。進場風廓線從該區(qū)域的右側(cè)進入,氣流在接近建筑物時減慢,并在拐角處加速。而在wifeh設(shè)備F1-F3和S1-S3速度分布的觀點是在圖表頂部和右側(cè)所示。在風速(嗯)4.7米/秒和0°風向,在F1和F3的氣流速度最高,而最低的是5.4m/s S2、F2觀察wifeh位于氣流回流區(qū)。圖7比較了位于三個位置F3、S3和R3的設(shè)備在各種室外風速下的估計輸出。在這三個地點中,在30°風向下,R3的輸出量最高,介于2.5到15.2 V之間,而F3的輸出量最低。
圖6。(a)建筑物B橫斷面?zhèn)让嬉晥D的速度幅度輪廓)建筑物的橫斷面俯視圖
Estimated Power Output (mW)
300
200
100
0
4
6
8
F3
10
室外風速(米/秒)
R3
S3
圖7。各種室外風速的影響(嗯)對F3的位置wifeh估計輸出,S3和R3
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5. 結(jié)束
風致顫振能收割機具有成本低、模塊化好等優(yōu)點,在建筑環(huán)境中具有很高的應(yīng)用價值。隨著氣流速度的增加,明渠的氣流速度也隨之增加- 由WIFEH產(chǎn)生的電路電壓和短路電流。用數(shù)字示波器觀測到正弦波電壓信號,風洞風速為2.3 m/s。 5米/秒,皮帶重新固定。5m/s風量時,無帶扣帶時,波形變差。記錄的有效電壓分別為3.0 V和4.88 V,最大值為o。 F分別為3.84 V和9.20 V,風洞風速分別為2.3 m/s和5m/s。
在對WIFEH建筑位置的模擬方面,該建筑屋頂?shù)捻旤c提供了最大的功率產(chǎn)量,該位置的產(chǎn)量最大,45度的最高。 風相對于建筑物的接近。因此,WIFEH裝置的優(yōu)化安裝可以優(yōu)先考慮建筑物的屋頂和后緣,以獲得最高的po。 可承受的發(fā)電,取決于風的條件,而不是前沿或表面中心。
對wifehs數(shù)組可以為進一步擴大潛在的系統(tǒng)組裝的可能性。結(jié)果說明使用詳細的CFD分析評價系統(tǒng)的意義 e及其周圍環(huán)境。詳細的速度分布結(jié)果表明,CFD能夠評價建筑物周圍設(shè)備的最佳定位。建模過程和 本工作提供的數(shù)據(jù)可供工程師和研究人員進一步研究WIFEH在城市環(huán)境中的整合。
感謝
我們要感謝英國文化協(xié)會(DOST-Newton基金編號209559487)為這項研究提供的資金。
參考
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