利用小型风力发电系统构建绿色环保小
区
（节能减排大赛国家三等奖）
设计者：王琬1周强2赵书宇 2
指导教师：朱永强 1
摘要
相对于化石燃料而言，风能是可再生能源，同时也是清洁能源，利用风能发电可以实现节能减排。本文主要以泉州市某小区为例，设计规划了一个独立为小区公共设施供电的小型风力发电系统，计算并分析了该设计为小区带来的环保效益和经济效益两方面的双赢。风机和居民区建筑物协调统一的安排设计，增强人们节能环保概念的同时，亦为将来小区的规划建设开辟新思路。
关键词：风能；风力发电机；居民区；节能减排；经济效益
一、研制背景及意义
随着全球能源危机的加剧，可再生的绿色能源的开发势在必行。风能作为一种无污染可再生的清洁能源已越来越受到社会的普遍关注。小型风力发电机因为具有启动风速低、低速性能好、结构紧凑、低噪音、工作范围宽、价格便宜等优点，已深受缺少电力地区人们的喜爱。在边远的农村、牧区，独立的小型风力发电机已得到广泛的应用来满足人们的用电需求。因此，在风力资源丰富的地区，探讨在建筑密集的城市进行风力发电和风能利用，已成为目前国际上的前沿课题。但是，我国的城市建筑中利用风能的研究还刚刚起步，实例工程更是鲜有报道。然而，随着城市建设朝着高科技、绿色环保、和谐的方向发展，风能在城市中的利用已成为我国亟待开发的项目。
二、小型风力发电系统设计理念
选择风能资源丰富地区的居民区，将小型风力发电系统引入其建筑设计中，构建绿色能源小区。根据有关资料中空气动力学集中器湍流模型的数值算例得知，风速是随高度的升高而迅速增大的。同时，两个建筑物之间的夹道风速是来流风的2倍。为了获得较大的风速进行发电，同时节省占地面积，设计将小型风力发电机组安装在小区的居民楼顶和楼间的空地
上，并根据当地实际风能资源统计数据选择风机型号和数目。以下图1为楼顶风机示意图，图2为楼间风机示意图。
图1 楼顶风机示意图
1，2，3—楼顶风机4—居民楼
图2 楼间风机示意图
1—楼间风机2—居民楼
该小型风力发电系统主要用于替代电网为小区中各种喷泉、照明等公共用电设施供电，不仅不会影响小区居民的正常生活，还可缓解电力供应紧张的局面，创造巨大的经济效益和环保效益。小型风力发电系统在实现节能环保的绿色小区的同时，也成为一道亮丽的风景线，并有望成为城市的标志性景观，促进市民对绿色能源和环境保护概念的形象认识。
2.1设计结构流程
将该小型风力发电系统应用于居民区的具体设计思路：首先，统计居民区中所有公共用电负荷年用电量，结合当地风力资源统计数据确定小型风力发电系统总发电量。在可靠满足小区用电需求的基础上，选择合适的风机型号和数目。参考小区的建筑结构规划并考虑其整体的美观效果，最后确定出风机的安装位置。出于安全性的考虑，对于放置在楼间空地上的风机，应选择非主路交叉空地并在其周围加隔离栏。置于楼顶的风机对于一些低空飞行的小型飞机是一种潜在的隐患。因此，在放置风机的位置应设立明显的标志。
小型风力发电系统经济效益和环保效益的计算：结合所选风机的价格和安装费用等，计算出小型风电系统的总投资，对比于传统电网供电所需电费可得出该设计所带来的经济效益。由火电机组排污耗能统计指标，结合小型风力发电系统总发电量，计算得到该小型风电系统的环保效益。图3为设计结构流程图。
图3 设计结构流程图
2.2节能减排的计算
风力发电的环保效益更是火电无法相比的，火力发电厂排放的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等气体和粉尘、污水等对环境造成严重危害。二氧化硫是一种酸性氧化物的有害气体，易溶于水生成亚硫酸，二氧化碳易生成碳酸物，氮氧化物与金属离子可形成亚硝酸盐，这些物质对人体健康有较大影响。有害气体进入大气空间造成污染，使气候变得反常，如有地区
遭受酸雨等自然灾害正是这个原因。粉尘、污水对环境的影响也越来越受到人们的关注。
在不同地区风能资源不同，风速也会不同，风机年平均输出功率为
出
P =ρπ3281qv d
(1)
其中v —平均风速 q —风能利用率
d —风机叶轮直径
ρ —空气密度
设定小区公共设施用电负荷为负荷P ，年耗电量为Q ，由于风机的架设位置有两种选择，设置于楼顶和楼间的风机数目分别为a 、b ，则有如下关系式负荷P =a 1出P +b 2出P ，其中1出P 代表置于楼顶风机的输出功率，2出P 代表置于楼间风机的输出功率。由此可确定在风机使用年限N 内，风机可实现总发电量
1
Q =1000
P n 36524负荷⨯⨯⨯
(2)
式中n —安装的风力发电机总数 负荷P —小区公共设施用电负荷
根据相关污染指标，利用风力发电与由火电厂提供等量电能相比，可减少各项污染物排放量i G =i g 1Q ，其中i g 为单位发电量排出的污染物统计系数。
根据煤耗率的计算公式：
b =t η123
(3) 其中t η —火电机组的热效率
由此可粗略计算出利用风力发电可节约的煤炭消耗量
B =0b 1Q
(4) 式中0b —火电机组煤耗率
1Q —小型风力发电系统总发电量
2.3经济效益的计算
由于小型风力发电机具有投资少、维护费用低的优点，加上风能为“免费”的能源，相对于火力发电，风能发电具有很大的经济效益。
由当地的风能的实际情况，可选择不同额定功率风机的型号为小区的公共设施提供电能。则风电系统应用于小区的总投资为：
总
W =n ⨯(1W +2W )+a a W +b b W
(5) 式中n —安装的风力发电机总数
1W —对应型号的风机价格
2W —对应型号所需的蓄电池的价格
a W —位于楼顶的风机维护费用
b W —位于楼间的风机维护费用
在风力发电机使用年限N 内，小区公共设施总耗电量总Q =NQ ，则用电设施采用电网供电所需费用：
W =0w 总Q
(6)
式中0w —当地电价 小区中加入小型风力发电系统可实现经济效益：
利W =0W -总W =0w NQ -(n ⨯(1
W +2W )+a a W +b b W ) (7)
式中0w —当地电价水平
n —安装的风力发电机总数
1W —对应型号的风机价格
2W —对应型号所需的蓄电池的价格
a W —位于楼顶的风机维护费用
b W —位于楼间的风机维护费用 由以上计算公式可以看出，利用小型风力发电系统构建绿色能源小区实现节能减排的效果以及经济效益的高低与很多因素有关：当地的风能情况、风机的型号、风机安装位置的选择、小区的公共设施的用电负荷、小区的建筑规划等，设计中需综合考虑。
