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能源（2017）321–Procedia 142 327
第九應(yīng)用能源國(guó)際會(huì)議，ICAE 2017，21-2017年8月24日，英國(guó)加的夫
風(fēng)振式能量收割機(jī)(WIFEH)建筑一體化的研究
Angelo I. Aquinoa,*, John Kaiser Calautitb, Ben Richard Hughesa
英國(guó)謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程系
英國(guó)諾丁漢大學(xué)建筑與建筑環(huán)境系
摘要
在這個(gè)現(xiàn)代時(shí)代，低能設(shè)備無(wú)處不在，尤其是在考慮它們?cè)诮ㄖh(huán)境中的應(yīng)用時(shí)。本研究探討了建筑整合與能源整合的可能性。 風(fēng)力誘發(fā)顫振能收割機(jī)(WIFEH)的處理能力，這是一種微型發(fā)電機(jī)，旨在為低功率應(yīng)用提供能源。本工作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 f風(fēng)洞內(nèi)的WIFEH模型和與WIFEH系統(tǒng)集成的建筑物的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型研究。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同風(fēng)作用下的WIFEH進(jìn)行了研究。 風(fēng)洞風(fēng)速在2.3至10米/秒之間變化，以測(cè)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(dāng)氣流為2.3 m/s時(shí)，壽命為8.72 V，短路電流為1mA.。隨著風(fēng)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(xiàn)中獲得的27?間距。用于計(jì)算流體力學(xué) 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(gè)位置專業(yè) 介紹了45°進(jìn)近角下最大功率輸出，在裝置位置為6.2 m/s的加速風(fēng)作用下，估計(jì)產(chǎn)生了62.4 mW功率。的方法和結(jié)果 這項(xiàng)工作可有助于進(jìn)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(guó)際應(yīng)用能源會(huì)議科學(xué)委員會(huì)負(fù)責(zé)的同行評(píng)審。
關(guān)鍵詞：氣流；氣動(dòng)彈性顫振；建筑物；計(jì)算流體力學(xué)；模擬；風(fēng)；風(fēng)帶
1. 介紹
目前，建筑占發(fā)達(dá)國(guó)家總能耗的20-#number0#，超過(guò)了工業(yè)和運(yùn)輸部門(mén)的消費(fèi)[1]。最重要的進(jìn)步 發(fā)展風(fēng)能
1876-6102。?2017年作者。由Elsevier有限公司出版。由第九國(guó)際應(yīng)用能源會(huì)議科學(xué)委員會(huì)負(fù)責(zé)的同行評(píng)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(jiàn)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(jì)，隨著對(duì)能源公司的依賴減少，碳足跡減少，經(jīng)濟(jì)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(fù)荷，依賴柴油發(fā)電機(jī)(在停電時(shí))和輸電費(fèi)用。
一種新的和正在出現(xiàn)的替代通常渦輪機(jī)是風(fēng)致顫振能收割機(jī)。在這個(gè)瞬息萬(wàn)變的世界里，低能發(fā)電設(shè)備越來(lái)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(wú)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(jī)產(chǎn)生的功率足以 聯(lián)合國(guó)發(fā)光二極管，獨(dú)立無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和小型液晶顯示器[3]-[5]。與以渦輪為基礎(chǔ)的發(fā)電機(jī)不同，WIFEH是一種小型、輕便、經(jīng)濟(jì)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(jī)。風(fēng)向張緊的薄膜或帶周圍流動(dòng)，使薄膜顫振，啟動(dòng)連接的永磁體。 相對(duì)于一組線圈振動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電流在線圈中流動(dòng)，從而產(chǎn)生電力[6]-[8]。
2.文獻(xiàn)綜述與目標(biāo)
在低能風(fēng)能治理方面，最開(kāi)始的技術(shù)之一是被認(rèn)為是“顫振型”能源收割機(jī)。這些裝置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)渦輪機(jī)。 由于沒(méi)有組件移動(dòng)部件，ES具有一定的優(yōu)勢(shì)，從而降低了生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命。同樣重要的是要注意到基于顫振的風(fēng)力機(jī)。 Gy甚至可以設(shè)計(jì)成適應(yīng)高度波動(dòng)的風(fēng)速和變化方向[9]。
為了提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的使用壽命，人們對(duì)適合其規(guī)模的替代電源進(jìn)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(duì)于小型能源收割機(jī)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)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(fēng)力收割機(jī)利用氣動(dòng)彈性顫振將風(fēng)能中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
本文討論了WIFEH能源治理潛力的評(píng)價(jià)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)收割機(jī)樣機(jī)的試驗(yàn)研究，對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 內(nèi)部風(fēng)洞；和(Ii)通過(guò)CFD分析，有關(guān)外部條件和收割機(jī)位置對(duì)收割機(jī)發(fā)電能力的影響。實(shí)驗(yàn)分析將評(píng)估建造的 WIFEH樣機(jī)在不同風(fēng)洞風(fēng)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(duì)性能的影響。 世界衛(wèi)生組織的成就。模擬將使用一個(gè)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(fēng)。
3. WIFEH樣機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行評(píng)價(jià)
為了表征不同風(fēng)速對(duì)收割機(jī)性能的影響，在風(fēng)洞內(nèi)搭建了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。樣機(jī)在風(fēng)洞風(fēng)洞中進(jìn)行了測(cè)試。 W速度，使測(cè)量RMS電壓，峰值電壓和短路電流產(chǎn)生的收割機(jī)響應(yīng)于不同的風(fēng)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(fēng)管風(fēng)洞內(nèi)，對(duì)單線圈、8層1.5 mm厚、10 mm直徑磁鐵的WIFEH原型進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。 詳見(jiàn)[12]。風(fēng)洞有一個(gè)尺寸為0.5、0.5和1米的試驗(yàn)段(見(jiàn)圖2)。風(fēng)洞中的流動(dòng)在試驗(yàn)測(cè)試之前就有了特征。 e試驗(yàn)段的不均勻性和湍流強(qiáng)度分別為0.6%和0.49%，符合推薦準(zhǔn)則[12]。
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為了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)連接到位于風(fēng)洞外的Tektronix TBS1052B數(shù)字存儲(chǔ)示波器。風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速與風(fēng)洞m的風(fēng)速是不同的。 2.3 m/s至最大值為(I)8m/s，不進(jìn)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(méi)有改善超過(guò)8m/s。在不進(jìn)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(dǎo)致電壓信號(hào)不正常。 headings標(biāo)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(yàn)段原型
圖1。一個(gè)示意圖）四（4線圈安排）wifeh B）一wifeh風(fēng)
圖2。（一）的閉環(huán)風(fēng)洞側(cè)視圖（B）wifeh原型一個(gè)線圈配置顯示顫振運(yùn)動(dòng)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(shí)觀察。該儀器有3%個(gè)垂直（電壓）測(cè)量精度，允許用戶看到所有信號(hào)的細(xì)節(jié)。測(cè)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(chǔ)設(shè)備。
用于風(fēng)洞試驗(yàn)的wifeh模型構(gòu)建部分使用3D打印。銅線用于制造導(dǎo)電線圈銅漆包線40號(hào)（標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)）直徑0.125毫米。圓形殼體三維使用HP Designjet 3D打印機(jī)打印。外殼外徑為54。
阿曼達(dá)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(cè)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(gè)恒定的2.3米/秒的氣流是在圖3所示，這是一個(gè)）形成了有規(guī)律的正弦波形。這第一次試驗(yàn)相當(dāng)于風(fēng)洞的初始和最小流速。測(cè)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(méi)有事先保留膜，風(fēng)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(hào)）。波形與前一種情況不一樣，我們可以觀察到鋸齒波信號(hào)與鋸齒波信號(hào)相似的更多轉(zhuǎn)折點(diǎn)，信號(hào)的負(fù)峰值減小。5米/秒風(fēng)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(shí)保持風(fēng)洞氣流速度為5米/秒的收割機(jī)系統(tǒng)當(dāng)進(jìn)行一個(gè)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(fēng)條件下，微型發(fā)電機(jī)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(gè)）。
圖3）的風(fēng)致顫振能量采集器的開(kāi)路電壓（wifeh）無(wú)膜保留一個(gè)）在2.3米/秒的流速B）在5米/秒的流速
4的風(fēng)致顫振能量收割機(jī)開(kāi)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(kāi)路電壓和短路電流進(jìn)行每個(gè)增量后用數(shù)字萬(wàn)用表，觀察?？梢哉f(shuō)，在不帶保留的最大開(kāi)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(fēng)速的情況相比，傳送帶開(kāi)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(duì)動(dòng)態(tài)定位，從而影響了導(dǎo)線圈的感應(yīng)電壓和電流。因此，氣流速度和開(kāi)路電壓或短路電流之間的關(guān)系沒(méi)有觀察到是線性的（見(jiàn)圖5）。However, with retensioning of the belt the linear relationship between airflow and voltage / current resume. 這種趨勢(shì)甚至持續(xù)到10米/秒的氣流速度。
圖5電輸出性能的無(wú)保留wifeh不同流速下：（一）開(kāi)路電壓短路電流（B）
4.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的wifeh融入建筑的分析
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該wifeh集成到一個(gè)系統(tǒng)建設(shè)為藍(lán)本，通過(guò)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(jī)速度大小和分布。這是為了使能源收割機(jī)在整個(gè)過(guò)程中的位置優(yōu)化。
各種建筑剖面。這項(xiàng)調(diào)查模擬了一個(gè)溫和的微風(fēng)，這是第3類在博福特風(fēng)力規(guī)模。流采用標(biāo)準(zhǔn)k-–?湍流模型模擬，這是在建筑物周圍風(fēng)[ 11 ]流研究的一個(gè)行之有效的方法，–[ 14 ] [ 16 ]。
圖6）顯示一側(cè)面橫截面計(jì)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(diǎn)，R2和R3上的圖所示。結(jié)果表明，屋頂?shù)男螤詈徒嵌葘?duì)wifeh的性能有顯著的影響。在圖中，很清楚的是，在屋頂背風(fēng)處定位設(shè)備會(huì)導(dǎo)致由于這個(gè)地區(qū)風(fēng)速低而產(chǎn)生的能量很少。然而，應(yīng)該注意到，其他風(fēng)向角的情況并非如此，例如，風(fēng)向是相反的方向。因此，在建筑物安裝設(shè)備時(shí)，位置測(cè)量、風(fēng)評(píng)估和詳細(xì)建模是非常重要的。在風(fēng)速（嗯）4.7米/秒和0°風(fēng)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(gè)視圖截面計(jì)算域內(nèi)代表圍繞建設(shè)綜合wifeh氣流分布的速度分布。進(jìn)場(chǎng)風(fēng)廓線從該區(qū)域的右側(cè)進(jìn)入，氣流在接近建筑物時(shí)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(diǎn)是在圖表頂部和右側(cè)所示。在風(fēng)速（嗯）4.7米/秒和0°風(fēng)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(gè)位置F3、S3和R3的設(shè)備在各種室外風(fēng)速下的估計(jì)輸出。在這三個(gè)地點(diǎn)中，在30°風(fēng)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(fēng)速(米/秒)
R3
S3
圖7。各種室外風(fēng)速的影響（嗯）對(duì)F3的位置wifeh估計(jì)輸出，S3和R3
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5. 結(jié)束
風(fēng)致顫振能收割機(jī)具有成本低、模塊化好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑環(huán)境中具有很高的應(yīng)用價(jià)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(cè)到正弦波電壓信號(hào)，風(fēng)洞風(fēng)速為2.3 m/s。 5米/秒，皮帶重新固定。5m/s風(fēng)量時(shí)，無(wú)帶扣帶時(shí)，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(fēng)洞風(fēng)速分別為2.3 m/s和5m/s。
在對(duì)WIFEH建筑位置的模擬方面，該建筑屋頂?shù)捻旤c(diǎn)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(fēng)相對(duì)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(fēng)的條件，而不是前沿或表面中心。
對(duì)wifehs數(shù)組可以為進(jìn)一步擴(kuò)大潛在的系統(tǒng)組裝的可能性。結(jié)果說(shuō)明使用詳細(xì)的CFD分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的意義 e及其周圍環(huán)境。詳細(xì)的速度分布結(jié)果表明，CFD能夠評(píng)價(jià)建筑物周圍設(shè)備的最佳定位。建模過(guò)程和 本工作提供的數(shù)據(jù)可供工程師和研究人員進(jìn)一步研究WIFEH在城市環(huán)境中的整合。
感謝
我們要感謝英國(guó)文化協(xié)會(huì)(DOST-Newton基金編號(hào)209559487)為這項(xiàng)研究提供的資金。
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[16] Kaiser，J.，Aquino，A.I.，Shahzad，S.，SNM，D.和Richard，B.，“低能冷卻風(fēng)捕器的熱舒適性和室內(nèi)空氣質(zhì)量分析”，第二卷。0，第3-8頁(yè)，2016年。
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