一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法技术

本发明专利技术涉及一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法，通过根据从城市气象站获取得测风数据修正获取得目标建筑物群周围实时风速，从而准确的计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据，模拟建立出符合城市风流场特征的风速剖面，进而对小型风力机在城市强扰动环境内建筑物群顶面的安装位置精准定位，避免了在城市强扰动环境内安装的顶面或侧面的风力机出现不能运行、零输出功、甚至损坏的现象，保证了风力机的安全运行和正常功率的输出。

A Microscopic Location Method for Small Wind Turbines on the Top of Buildings in Urban Strong Disturbance Environment

【技术实现步骤摘要】
一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法
本专利技术涉及一种风能应用工程设计
，具体涉及一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法。
技术介绍
全球温室气体排放量的急剧增加促使了世界各国对新能源的开发与利用。而风能因其清洁性、安全性及存在的广泛性受到了所有国家的青睐，成为了最具发展前景的可再生能源。当前，几乎所有风能应用都来源于大、中型风力发电场。而这些风电场往往建在偏远地区或海上，将电能输送到城市，不可避免将产生能源损失和构建运输路线的电缆费用。实际上，城市环境内也存在着大量的、可被利用的风资源。近几年，随着具有能源利用率高、污染物排放量低、对传统能源依靠少及促进国民经济发展等特征的城市分布式供能概念的提出，很对研究者已对城市风能的应用开展了研究。目前，城市风能应用的主要形式是将小型风力机与城市建筑物相结合，即将风力机安装于建筑物顶面或侧面。这种应用方式虽然可将风力机所产生电能直接用于建筑物本身，避免电能的远途输送，有效降低用电成本，但是，城市环境内的风流场受地表复杂粗糙元的影响，呈现低风速、强湍流的特征，这使得安装于建筑物顶面或侧面的风力机极易出现不能运行、零输出功、甚至损坏的现象，从而无法保证风力机的安全运行和输出正常功率。
技术实现思路
基于此，有必要针对在城市强扰动环境内安装于建筑物顶面或侧面的风力机出现不能运行、零输出功、甚至损坏的现象，无法保证风力机的安全运行和输出正常功率的问题，提出一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法。根据专利技术实施例的第一方面，提供一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法，其特征在于，该方法包括：获取城市气象站测风数据，其中，所述测风数据包括目标建筑物群所在城区内年平均风速和摩擦速度；获取目标建筑物群周围实时风速；根据所述测风数据修正所述目标建筑物群周围实时风速，并计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据；根据所述目标建筑物周围长期季节性风速数据建立城市风流场特征的风速剖面；基于计算流体力学方法对目标建筑物群周围和顶面风流场特征进行数值模拟计算，并得出目标建筑物群顶面上方的湍流强度值和多个风速值，其中，所述多个风速值为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的风速值，其中，所述多个湍流强度值为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的湍流强度值，其中，湍流强度计算公式如下：其中，k为湍动能，可由数值模拟计算得到；U(Z)为参考风速，可取建筑物群平均高度处的风速；依据所述多个湍流强度值和风速值确定小型风力机的安装位置；风轮最低点处的湍流强度满足下式：I＞16-18％；其中，风轮最低点处的风速值满足下式：U/U0≥0.97，其中，U为建筑物周围或顶面风力机某一高度处风速，U0为未受干扰的入口处同等高度处的风速。在其中一个实施例中，根据权利要求1所述的城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法，其特征在于：所述摩擦速度由以下公式计算：其中，κ为卡门常数，κ≈0.41；U*为摩擦速度；Z为距离地面的高度；U(Z)为Z高度对应的风速；Zd和Z0为气动参数，由建筑物群密度所决定。在其中一个实施例中，所述多个风速值为3-5个高度位置进行测量得到的风速值。在其中一个实施例中，所述多个风速值的测量周期为1-3个月。在其中一个实施例中，计算所述目标建筑物群周围长期季节性风速数据采用的方法为测量-关联-预测方法。在其中一个实施例中，所述城市风流场特征的风速剖面为指数风速剖面或对数风速剖面。在其中一个实施例中，所述基于计算流体力学方法对目标建筑物群周围和顶面风流场特征进行数值模拟计算包括：根据实际城市环境内风向的随机变化性，对360°范围内16个风向进行数值模拟计算，其中，规定正北方向为0°，风向间隔角为22.5°。在其中一个实施例中，所述目标建筑物群周围实时风速测量设备包括风杯式风速风向仪和超声波风速风向仪。在其中一个实施例中，所述目标建筑物群顶面上方的湍流强度值可用于初步确定风力机的最小安装高度；在其中一个实施例中，所述目标建筑物群顶面上方的风速值的数量取决于所选取的预安装位置的数量，根据实际安装风力机数量要求，可增加或减少预安装位置的数量。本专利技术实施例提供的城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机的微观选址方法，通过根据从城市气象站获取得测风数据修正获取得目标建筑物群周围实时风速，从而准确的计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据，模拟建立出符合城市风流场特征的风速剖面，进而对小型风力机在城市强扰动环境内建筑物群顶面的安装位置精准定位，避免了在城市强扰动环境内安装的顶面的风力机出现不能运行、零输出功、甚至损坏的现象，保证了风力机的安全运行和正常功率的输出。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1为本专利技术一示例性实施例示提出的一种城市强扰动环境内风力机微观选址方法流程图；图2为本专利技术另一示例性实施例提供的一种城市强扰动环境内风力机微观选址方法流程图；图3为本专利技术一示例性实施例示出的一种入流风速剖面示意图；图4为本专利技术一示例性实施例示出的一种建筑物群CFD计算风向示意图；图5为本专利技术一示例性实施例示出的一种建筑物群顶面预安装位置的湍流强度分布曲线示意图；图6为本专利技术一示例性实施例示出的一种建筑物群顶面预安装位置的风速分布曲线示意图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本专利技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。如图1所示为本专利技术一示例性实施例提供的一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法包括如下步骤：在步骤101中，获取城市气象站测风数据。在本实施例中，所述测风数据包括目标建筑物群所在城区内年平均风速和摩擦速度，该摩擦速度由以下公式计算：其中，κ为卡门常数，κ≈0.41；U*为摩擦速度；Z为距离地面的高度；U(Z)为Z高度对应的风速；Zd和Z0为气动参数，由建筑物群密度所决定。在步骤102中，获取目标建筑物群周围实时风速。在本实施例中，目标建筑物群周围实时风速测量设备包括风杯式风速风向仪和超声波风速风向仪，当然，本专利技术对此测风设备并不进行限制，任何可以获得目标建筑物群周围实时风速的测风设备都在本专利技术的保护范围内。需要说明的是，步骤101和步骤102并没有执行的先后顺序，即，步骤101可以先于步骤102完成，也可以后于步骤102完成，也可以同时完成，排序只是为了更清楚的描述方案。在步骤103中，根据所述测风数据修正所述目标建筑物群周围实时风速，并计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据。在本实施例中，计算所述目标建筑物群周围长期季节性风速数据采用的方法为测量-关联-预测方法。在步骤104中，根据所述目标建筑物周围长期季节性风速数据建立城市风流场特征的风速剖面。在本实施例中，所述城市风流场特征的风速剖面为指数风速剖面或对数风速剖面。在步骤105中，基于计算流体力学方法对目标建筑物群顶面风流场特征进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法，其特征在于，该方法包括：获取城市气象站测风数据，其中，所述测风数据包括目标建筑物群所在城区内年平均风速和摩擦速度；获取目标建筑物群周围实时风速；根据所述测风数据修正所述目标建筑物群周围实时风速，并计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据；根据所述目标建筑物周围长期季节性风速数据建立城市风流场特征的风速剖面；基于计算流体力学方法对目标建筑物群顶面风流场特征进行数值模拟计算，并得出目标建筑物群顶面上方的湍流强度值和风速值，其中，所述多个风速值为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的风速值，其中，所述多个湍流强度为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的湍流强度值，其中，湍流强度计算公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法，其特征在于，该方法包括：获取城市气象站测风数据，其中，所述测风数据包括目标建筑物群所在城区内年平均风速和摩擦速度；获取目标建筑物群周围实时风速；根据所述测风数据修正所述目标建筑物群周围实时风速，并计算出目标建筑物群周围长期季节性风速数据；根据所述目标建筑物周围长期季节性风速数据建立城市风流场特征的风速剖面；基于计算流体力学方法对目标建筑物群顶面风流场特征进行数值模拟计算，并得出目标建筑物群顶面上方的湍流强度值和风速值，其中，所述多个风速值为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的风速值，其中，所述多个湍流强度为目标建筑物群顶面上方多个位置不同高度对应的湍流强度值，其中，湍流强度计算公式如下：其中，k为湍动能，可由数值模拟计算得到；U(Z)为参考风速，可取建筑物群平均高度处的风速；依据所述多个湍流强度值和风速值确定小型风力机的安装位置；其中，风轮最低点处的湍流强度满足下式：I＞0.16-0.18；其中，风轮最低点处的风速值满足下式：U/U0≥0.97，其中，U为建筑物周围或顶面风力机某一高度处风速，U0为未受干扰的入口处同等高度处的风速。2.根据权利要求1所述的城市强扰动环境内建筑物群顶面小型风力机微观选址方法，其特征在于：所述摩擦速度由以下公式计算：其中，κ为卡门常数，κ≈0.41；U*为摩擦速度；Z为距离地面的高度；U(Z)为Z高度对应的风速；Zd和Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯亚丽，王鑫厅，汪建文，王强，王猛，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15