受环境影响下的新能源优化利用策略

受环境影响下的新能源优化利用策略

李宇钊

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：随着能源与环境问题已成为可持续发展面临的主要问题,日益引起国际社会的广泛关注。其中风能、太阳能等作为重要的可再生能源,其具有清洁、安全、无污染、储量丰富的特点,受到世界各国的普遍重视。随着新能源的开发和利用,太阳能及风能发电技术逐渐成熟,取得了显著的进步。但是在日常生活中风能发电技术的应用却没有得到广泛的应用，例如有效的从自然环境中自动获取风能，具有较大不稳定性，太阳能的发电局限性，另一方面新能源的利用率及设计存在值得优化的问题。

关键词：新能源，风能发电，太阳能，利用率

1引言

现代社会全球能源、环境危机的日益加剧，可再生、绿色能源如太阳能、风能的开发势在必行。目前社会上的太阳能产品主要是以光伏发电为主，其主要产品和装置分别有：太阳能热水器、太阳能面板，太阳能采暖系统等，其中太阳能面板作为太阳能光伏产品用途最为广泛，包括民用、公共设备以及工业使用等。在低矮房屋和多层建筑等一些民用住宅安装太阳能面板发电供应自身使用成为民用的主要用途；公共设备当中，以太阳能面板发电供路灯照明最为常见。风能的主要利用途径通常是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

以上所述的绿色能源是值得提倡使用和发展的，对于太阳能的利用：如果在原有结构上新增一些太阳能产品可能会对原有结构的风场产生影响，对于风能的利用：由于风能具有较高的随机性和不确定性，在使用风力发电系统时，由于风能的不确定性，会使得风能发电效率受到很大影响。现在就分别通过对以下用途的分析对本项目的研究意义加以说明。

2太阳能面板对低矮房屋的风场影响

低层建筑是指建筑高度小于等于10米，且建筑层数小于等于3层的建筑，由低层建筑组成的建筑群可称为低矮房屋建筑群。在我国荷载规范中，低矮房屋建筑群的地貌类型为B类，梯度风高度为350m。

基于现有建筑物的初始设计条件下，在低矮房屋的屋顶上增加太阳能面板会对现有建筑物风场造成以下影响：

2.1坡屋顶上增加太阳能面板

（1）可能改变了现有建筑物的坡度角，根据国家现有规范，典型的单坡和双坡屋顶的迎风面坡度角的增加会使迎风面一侧坡屋顶的体形系数增加，最终会加大结构的风荷载，若风荷载超过初始设计的最大值，结构就可能产生破坏；

（2）太阳能面板与坡屋顶之间的空隙会使处在迎风面的坡屋顶产生较大的负压；

（3）可能使结构在迎风面的分离点上移，改变现有结构的风场特点。

2.2平屋顶上增加太阳能面板

（1）大面积的太阳能面板会给结构增加了一个坡屋顶效应，“坡屋顶”的存在会大大增加结构的迎风面积，最终会加大结构的风荷载，风荷载的大小还取决于太阳能面板的坡度及覆盖范围；

（2）太阳能面板与坡屋顶之间的空隙会使平屋顶产生很大的吸力；

综上所述，在现有结构上增加太阳能面板虽然产生一定的效益，但同时也存在一定的风险，若初始设计没有考虑到后期使用过程中增加太阳能面板时，在强风的作用下就可能产生很大的破坏，会造成不可估计的损失，因此本项目对太阳能面板对现有风场的影响的研究可以分析结构流场特性和用来评估结构的安全性与及能为未来的低矮房屋抗风设计提供有价值的参考依据。

3太阳能面板对路灯稳定性的影响

路灯装置上增加太阳面板发电供其自身照明使用无疑是充分利用太阳能的体现，它能为社会省下大量的公共资金，但是与无太阳能面板的路灯相比，有太阳能面板的路灯在风的作用下受到的荷载相应也比较大，太阳能面板的存在对路灯结构产生的影响主要有：

（1）太阳能面板增加了整体结构的迎风面积，增加了结构的风荷载。特别是路灯装置的截面主要以圆形为主，而圆截面结构对风很敏感，增加结构的风荷载，可能会使结构产生更加大的振动，甚至会引起共振，造成结构产生严重的破坏；

（2）增加太阳能面板可能会改变结构的固有频率，结构各阶振型响应会发生变化，由于太阳能面板的存在使上部结构的迎风面积增加，可能使结构的扭转效应加剧，不利于结构的稳定；

（3）太阳能面板可能会改变结构的尾流效应，旋涡脱落频率受到影响，雷诺数受到影响。

4风能采集器的优化设计对风能利用率的影响

在使用风力发电系统时，由于风能的不确定性，会使得风能发电效率受到很大影响。通过实验模拟分析物体风致响应的振动特点和规律，研究相应的风能采集器，提高利用风致振动的发电效率，继而提高风能利用率。

4.1国外研究方面：

(1)美国科罗拉多州立大学和和美国可再生能源研究室合作开发了相应的风能发电仿真软件。

(2)加拿大Saskatchewan大学的RajeshKarki等人就独立小型风/光发电系统的可靠性及成本计算方法进行研究。

4.2国内的研究方面：

(1)华南农业大学的文晟，李晟华等人为实现从自然环境中自动获取清洁能源,并给无线传感器和通讯模块供电,基于涡激振动及共振声学放大原理,设计了一种压电自发电装置。

(2)合肥工业大学的茹美琴等人根据负载、风电机组、风/光资源和光伏电池的成本与功率等对一套风/光混合发电系统进行了优化设计，节约了一次性投资费用，提供了优化设计经验。

(3)华南理工大学的杨苹等人开发了一种新型的风/光互补发电系统，其研制了太阳能逆变器极值调节方式和新型无刷双馈发电机，并研究了如何实现最优功率传输及能量管理系统等等研究。

5结语

综上所述，在现有路灯上增加太阳能面板，节省公共资源的同时，还可能带来一定的风险，严重的时候可能引起杆件倒塌，危及公共安全，本项目的研究可以评估原有路灯结构新增太阳能面板后的安全性能，也能为以后设计带太阳面板的路灯提供有价值的参考依据。对于风能发电效率方面却发现很少有学者基于风载荷涡激振动原理发电的研究。因此，有必要依据风能采集器的风振响应特性进行风能发电体统的改进和发电效率优化的研究。并以此为基础合理推广风能发电形式的多样化具有十分重要的社会经济价值。

参考文献：

1.ChowdhuryMohammad,HoriaHangan(2016),“Anumericalapproachtotheinvestigationofwindloadingonanarrayofgroundmountedsolarphotovoltaic(PV)panels”,JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics153:60-70.

2.GregoryA.Kopp,SteveFarquhar,MurrayJ.Morrison(2012),“Aerodynamicmechanismsforwindloadsontilted,roof-mounted,solararrays”,JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics111:40-52.

3.AyodejiAbiola-Ogedengbe,HoriaHangan,KamranSiddiqui(2015),“Experimentalinvestigationofwindeffectsonastandalonephotovoltaic(PV)module”,RenewableEnergy78:657-665