بهینه یابی مکان میکروتوربین در بلوک‌های ساختمانی کم ارتفاع برای استفاده از انرژی پایدار باد (نمونه موردی شهر قزوین)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه معماری، دانشکده معماری و هنر، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

10.22059/jes.2022.346825.1008346

چکیده

با توجه به مزایای استفاده از انرژی پاک باد و نظر به تأثیرات منفی محیطی مزارع بادی و توربین‌های بزرگ و اتلاف انرژی در مرحله انتقال برق، توربین‌های کوچکی با قابلیت بهره‌برداری از انرژی باد در محل تقاضا ساخته شده‌اند. این میکروتوربین‌ها در مقیاس‌های کوچک و بین ساختمان‌ها قابل استفاده است؛ لیکن در شرایط عادی سرعت باد در محیط شهری و به‌ویژه در ارتفاع پایین، حداقل سرعت مورد نیاز توربین‌ها را برآورده نمی‌کند. ازآنجاکه توان تولیدی توربین‌ها با مکعب سرعت باد رابطه مستقیم دارد؛ قرارگیری توربین در مکانی با حداکثر سرعت باد ضروری است. هدف این مقاله ایجاد کانالی برای تشدید جریان هوا و شناسایی مکان بهینه قرارگیری میکروتوربین در بین و بر روی بام ساختمان‌های کم‌ارتفاع است؛ به‌طوری‌که با تقویت سرعت باد، نیاز میکروتوربین برای عملکرد مناسب برطرف گردد. این مطالعه با مقایسه سرعت باد در سه کانال 6، 12 و 18 متری بین ساختمان‌ها بعنوان معابر استاندارد شهری، در غرب شهر قزوین با پتانسیل باد نسبتاً خوب و همچنین سه نقطه بر روی محور میانی بام ساختمان از طریق شبیه‌سازی CFD و ایجاد پروفایل سه‌بعدی، افزایش سرعت باد در تمامی موارد را نمایش می دهد. حداکثر تشدید سرعت باد در کانال 6 متری تا 43% مشاهده شده که گزینه بهینه از موارد مطالعه شده برای استفاده از انرژی تجدید پذیر باد می‌باشد. همچنین در بین موقعیت‌های روی بام، نقطه بادگیر ابتدای ساختمان با افزایش 17% شدت باد در فاصله 3 متری روی سقف، بعنوان گزینه عملی اولویت دوم معرفی شده است.

کلیدواژه‌ها

مراجع

  1. Abe, K., & Ohya, Y. (2004). An investigation of flow fields around flanged diffusers using CFD. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 92(3–4), 315–330. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2003.12.003.
  2. Abohela, I., Hamza, N., & Dudek, S. (2013). Effect of roof shape, wind direction, building height and urban configuration on the energy yield and positioning of roof mounted wind turbines. Renewable Energy, 50, 1106–1118. https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.08.068.
  3. Alamdari, P., Nematollahi, O., & Alemrajabi, A. (2019). Investigating the potential of wind energy in Qazvin province for the construction of a wind power plant. 5th Conference and Exhibition on Environmental Engineering.
  4. Anderson, D. ., Whale, J., Livingston, P. ., & CHAN, D. (2008). Rooftop Wind Resource Assessment using a Three-Dimensional Ultrasonic Anemometer (p. 7). Murdoch University.
  5. Ayhan, D., & Sağlam, Ş. (2012). A technical review of building-mounted wind power systems and a sample simulation model. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 1040–1049. https://doi.org/ 10.1016/ j.rser. 2011.09.028.
  6. Bataineh, K., & Alrabee, A. (2018). Improving the energy efficiency of the residential buildings in Jordan. Buildings, 8(7), 1–16. https://doi.org/10.3390/buildings8070085.
  7. Biglari, M., Assareh, E., Nedaei, M., & Poultangari, I. (2014). Feasibility study and economic evaluation of wind energy in north of Khuzestan province : case study of shush-tar. Iranian Journal of Energy, 17(1).
  8. Blackmore, P. (2008). Siting Micro-Wind Turbines on House Roofs. BRE Press.
  9. Bobrova, D. (2015). Building-integrated wind turbines in the aspect of architectural shaping. Procedia Engineering, 117(1), 404–410. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.185.
  10. Cace, J., Horst, E., Syngellakis, K., Niel, M., Clement, P., Heppener, R., & Peirano, E. (2007). Urban wind turbines - guidlines for small wind turbines in the built environment. 1–41.
  11. Calautit, K., Aquino, A., Calautit, J. K., Nejat, P., Jomehzadeh, F., & Hughes, B. R. (2018). A review of numerical modelling of multi-scale wind turbines and their environment. Computation, 6(1), 1–37. https://doi.org/ 10.3390/ computation6010024.
  12. Chang, R.-D., Zuo, J., Zhao, Z.-Y., Zillante, G., Gan, X.-L., & Soebarto, V. (2017). Evolving theories of sustainability and firms: History, future directions and implications for renewable energy research. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 72, 48–56. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.029.
  13. Cho, K. P., Jeong, S. H., & Sari, D. P. (2011). Harvesting wind energy from aerodynamic design for building integrated wind turbines. International Journal of Technology, 2(3), 189–198. https://doi.org/10.14716/ ijtech. v2i3.1056.
  14. Dabiri, J. O. (2011). Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 3(4). https://doi.org/ 10.1063/ 1.3608170.
  15. Dutton, Andrew & Halliday, Jim & Blanch, MJ. (2005). The Feasibility of Building-Mounted/Integrated Wind Turbines (BUWTs): Achieving their potential for carbon emission reductions. Final Report of Carbon Trust Contract 2002-07-028-1-6.
  16. Farsi, S., & Nazari, M. (2018). Optimal Height for a Wind Tower on a Building in Yazd. Iranian Journal of Energy, 20(4), 101-112.
  17. Heo, Y. G., Choi, N. J., Choi, K. H., Ji, H. S., & Kim, K. C. (2016). CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine. Energy and Buildings, 129, 162–173. https://doi.org/ 10.1016/ j.enbuild.2016.08.004.
  18. Jafari, S. A. H., & Kosasih, B. (2014). Flow analysis of shrouded small wind turbine with a simple frustum diffuser with computational fluid dynamics simulations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 125, 102–110. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2013.12.001.
  19. Jahangiri, M., Aghaei, E., & Zamani, M. (2012). Investigating renewable wind energy potential in Qazvin province, case study: Shoorje station. 2nd Conference on Environmental Planning and Management.
  20. KC, A., Whale, J., & Urmee, T. (2019). Urban wind conditions and small wind turbines in the built environment: A review. Renewable Energy, 131, 268–283. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.050.
  21. Ledo, L., Kosasih, P. B., & Cooper, P. (2011). Roof mounting site analysis for micro-wind turbines. Renewable Energy, 36(5), 1379–1391. https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.10.030.
  22. Lee, K. Y., Tsao, S. H., Tzeng, C. W., & Lin, H. J. (2018). Influence of the vertical wind and wind direction on the power output of a small vertical-axis wind turbine installed on the rooftop of a building. Applied Energy, 209(May), 383–391. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.185.
  23. Lu, L., & Ip, K. Y. (2009). Investigation on the feasibility and enhancement methods of wind power utilization in high-rise buildings of Hong Kong. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(2), 450–461. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.11.013.
  24. Lu, L., & Sun, K. (2014). Wind power evaluation and utilization over a reference high-rise building in urban area. Energy and Buildings, 68, 339–350. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.09.029.
  25. Minh Bui, D., & Melis, W. J. C. (2013). Micro Wind Turbines for Energy Gathering in Build Up Areas. International Journal of Sustainable Energy Development, 2(2), 105–114. https://doi.org/10.20533/ ijsed.2046. 3707.2013.0016.
  26. Minner, K. (2010). Marina + Beach Towers / Oppenheim Architecture + Design. Archdaily.Com. https://www.archdaily.com/ 87669/marina- beach- towers- oppenheim- architecture- design? ad_ medium= bookmark- recommendation & ad_name=iframe-modal.
  27. Nasarullah Chaudhry, H., Kaiser Calautit, J., & Richard Hughes, B. (2014). The Influence of Structural Morphology on the Efficiency of Building Integrated Wind Turbines (BIWT). AIMS Energy, 2(3), 219–236. https://doi.org/10.3934/energy.2014.3.219.
  28. Padmanabhan, K. K. (2013). Study on increasing wind power in buildings using TRIZ Tool in urban areas. Energy and Buildings, 61, 344–348. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.11.038.
  29. Park, J., Jung, H. J., Lee, S. W., & Park, J. (2015). A new building-integrated wind turbine system utilizing the building. Energies, 8(10), 11846–11870. https://doi.org/10.3390/en81011846.
  30. Rafailidis, S. (1997). Influence of building areal density and roof shape on the wind characteristics above a town. Boundary-Layer Meteorology, 85(2), 255–271. https://doi.org/10.1023/A:1000426316328.
  31. Ramin, H., & Karimi, H. (2020). Optimum envelope design toward zero energy buildings in Iran. E3S Web of Conferences, 172, 16004. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017216004.
  32. Sari, D. P. (2015). Measurement of the Influence of Roof Pitch to Increasing Wind Power Density. Energy Procedia, 65, 42–47. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.01.029.
  33. Toja-Silva, F., Lopez-Garcia, O., Peralta, C., Navarro, J., & Cruz, I. (2016). An empirical–heuristic optimization of the building-roof geometry for urban wind energy exploitation on high-rise buildings. Applied Energy, 164, 769–794. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.11.095.
  34. Wang, B., Cot, L. D., Adolphe, L., & Geoffroy, S. (2017). Estimation of wind energy of a building with canopy roof. In Sustainable Cities and Society (Vol. 35). Elsevier B.V. https://doi.org/10.1016/j.scs.2017.08.026.
  35. Wang B, Cot LD, Adolphe L, Geoffroy S, Morchain J. (2015). Estimation of wind energy over roof of two perpendicular buildings. In Energy and Buildings. 88:57-67. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.11.072.
  36. Wang, C., & Prinn, R. G. (2010). Potential climatic impacts and reliability of very large-scale wind farms. Atmospheric Chemistry and Physics, 10(4), 2053–2061. https://doi.org/10.5194/acp-10-2053-2010.
  37. Yang, A. S., Su, Y. M., Wen, C. Y., Juan, Y. H., Wang, W. S., & Cheng, C. H. (2016). Estimation of wind power generation in dense urban area. Applied Energy, 171. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.03.007.
  38. Zhou, H., Lu, Y., Liu, X., Chang, R., & Wang, B. (2017). Harvesting wind energy in low-rise residential buildings: Design and optimization of building forms. Journal of Cleaner Production, 167, 306–316. https://doi.org/ 10.1016/j.jclepro.2017.08.166.
محیط شناسی
دوره 48، شماره 4
بهمن 1401
صفحه 461-479

فایل ها

اشتراک گذاری

ارجاع به این مقاله

آمار