1. Introduction
Towards the end of the 20th century, the worldwide environmental and energy crises have led to increased interest in alternative energy sources. The Korean government has exerted great effort to increase energy supply through new and renewable energy sources under the paradigm of “green growth” (KK, 2008). The agricultural industry, which is significantly affected by energy savings and energy efficiency, has also tried to introduce new and clean energy sources into agricultural buildings (RDA, 2008).
New and renewable energy sources, which substitute energy for petroleum, are classified into eight renewable sources, such as solar, biomass, wind, hydropower, and geothermal, and 3 new sources, such as fuel cells. Wind power systems are an alternative energy source technology that converts the kinetic energy of wind into a useful form, such as electricity or heat, using wind turbines. Compared to other energy sources, wind energy has many advantages. Wind energy is clean and comparatively cheap in terms of energy conversion. It also needs less land for generation and can be combined with farming, thus enabling efficient land use (KEMC, 2008). However, the use of wind power generation is very limited in Korea because wind conditions in Korea are comparatively poor and difficult to be predicted (Oh et al., 2012). Only a few areas are judged to be profitable, even for large-scale wind power systems. The usability of wind power is even more limited for small-scale wind power systems because such systems have difficulties in obtaining a high wind speed at the relatively low altitudes where the wind turbines are installed. High wind speed and stable wind conditions are the fundamental requirements for efficient electricity production; the wind energy available for energy conversion is highly dependent on wind speed. Several studies have tried to produce electricity by installing wind power systems on the roofs of high-rise buildings (Park and Kyung, 2003, Choi and Chang, 2009 and Ledo et al., 2011); however, the use of natural wind still has limitations by instable and low power production.
In contrast to natural wind, artificial wind, such as that generated by ventilation fans, can be a good alternative to the limitations of natural wind. The wind behind the fan is useless for indoor ventilation, but it is very dense and high-speed and is therefore appropriate for wind power generation. Wind power is proportional to the cube of wind speed. Therefore, if the natural wind speed is 3 m s−1 and the artificial wind speed is 10 m s−1, the wind power from the artificial wind is approximately 37 times higher than that of the natural wind. In addition, the ventilation fan flow facilitates year-round power generation because ventilation fans for livestock buildings operate year-round to release harmful gases from buildings and to control indoor thermal conditions. Furthermore, it has the advantages of saving on manufacturing costs for unnecessary parts, such as the yaw, pitch controller and gearbox which are used to effectively extract mechanical energy from the variable wind speed and direction, as well as convenient power regulation due to the consistent wind speed and direction generated by the ventilation fan. According to the June 2012 survey by Statistics Korea (KOSIS, 2012), approximately 3700 households work in poultry farming, and, on average, they each hold a few livestock houses. Each house has about one dozen ventilation fans, so, in total, there are tens of thousands of fans that are potential sources for wind power generation. An application to swine farming would give rise to a more than twofold increase of the possible wind power sources. Reutilization of ventilation flows can therefore be an effective plan to reduce the energy burden of livestock farm holders in the context of the global energy crisis.
However, one problem that arises in ventilation fan flow use for wind power generation is the additional pressure load to the ventilation fan. Wind turbines may increase the electricity consumption of the fan or decrease the flow rate through the fan. Hong et al., 2012a and Hong et al., 2012b investigated the decrease of ventilation fan performance for two different-sized rigid walls. According to their experiments, the large barrier wall, which was four times the size of the ventilation fan, reduced fan performance by 5–21%; the small barrier wall, of the same size as the ventilation fan, reduced fan performance by 2–14% at a distance of 0.5–2 m from the fan. In addition, drag coefficient of flat rigid plate normal to airstream ranges from 1.28 to 1.9 or over 2 due to strong negative pressure at the rear of the plate (Lasher, 2001, Igarashi and Terachi, 2002 and Cengel and Turner, 2004), while drag coefficient of a lift-based wind turbine ranges from 0.7 to 1.0 by the formula CD ≈ 7/Vhub ( Frohboese and Schmuck, 2010) when the wind speed at the height of wind turbine hub is assumed 7–10 m s−1. Therefore the drag coefficient for lift-based wind turbines is simply estimated to be 37–78% that of a rigid wall because of its air penetrability. In general, a lift-based wind turbine receives low drag force and axial thrust force from the wind compared to drag-based wind turbines, and it is therefore expected to exert a low reverse load on the ventilation fan for wind power generation.
One of the major factors for the efficient reutilization of the ventilation fan flow may be the proper design of the blades of the wind turbine. The ventilation fan flow has very complex eddies and vortexes, and its velocity varies along the radial direction. In the long view, a constantly rotating fan produces a well-regulated flow pattern that shows a formulated radial distribution of velocity. Unlike natural wind, which has a uniform velocity distribution, new designs for the wind turbine and its blades are required for ventilation fan flow.
In this study, a small-scale wind power system was developed to produce electricity by reutilizing the ventilation flow of a 50-in. fan, a size typically used in livestock buildings in Korea. The new blades of the wind turbine were designed to be properly adapted to complex wind flows generated by the ventilation fan. The wind power system was evaluated and tested in a field application.
1. บทนำในตอนท้ายของศตวรรษ 20 วิกฤตสิ่งแวดล้อมและพลังงานทั่วโลกได้นำไปสู่การเพิ่มสนใจในแหล่งพลังงานทางเลือก รัฐบาลเกาหลีได้นั่นเองความพยายามที่ดีในการเพิ่มพลังงาน โดยแหล่งพลังงานใหม่ และหมุนเวียนภายใต้กระบวนทัศน์ "สีเขียวเจริญเติบโต" (เคเค 2008) นอกจากนี้อุตสาหกรรมเกษตร ซึ่งเป็นอย่างมากได้รับผลกระทบ โดยการประหยัดพลังงานและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ได้พยายามแนะนำแหล่งพลังงาน สะอาดเป็นอาคารเกษตร (RDA, 2008)แหล่งพลังงานใหม่ และหมุนเวียน การทดแทนพลังงานปิโตรเลียม จะแบ่งเป็น 8 แหล่งทดแทน เช่นพลังงานแสงอาทิตย์ ชีวมวล ลม ไฟฟ้า และความร้อนใต้พิภพ และ 3 แหล่งใหม่ เช่นเซลล์เชื้อเพลิง ระบบพลังงานลมเทคโนโลยีการแหล่งพลังงานทดแทนที่แปลงพลังงานจลน์ของลมให้เป็นประโยชน์แบบ เช่นไฟฟ้าหรือความร้อน การใช้กังหันลม ได้ เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานอื่น ๆ พลังงานลมมีข้อดีมากมาย พลังงานลมมีความสะอาด และราคาถูกดีอย่างหนึ่งในการแปลงพลังงาน มันยังต้องน้อยที่ดินสร้าง และสามารถใช้ร่วมกับการทำฟาร์ม การเปิดใช้งานการใช้ที่ดินอย่างมีประสิทธิภาพ (KEMC, 2008) อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานไฟฟ้าจากลมเป็นมากจำกัดในเกาหลีเนื่องจากสภาพลมในเกาหลีดีอย่างหนึ่งที่ยากจน และยากที่จะทำนาย (Oh et al., 2012) เฉพาะบางพื้นที่ถูกตัดสินให้มีกำไร แม้สำหรับระบบพลังงานลมขนาดใหญ่ ใช้พลังงานลมจะจำกัดมากสำหรับระบบพลังงานลมที่ระบุได้เนื่องจากระบบมีปัญหาในการรับความเร็วลมสูงที่ระดับค่อนข้างต่ำซึ่งการติดตั้งกังหันลม ความเร็วลมสูงและลมคงเงื่อนไขเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการผลิตไฟฟ้ามีประสิทธิภาพ พลังงานลมที่ใช้สำหรับแปลงพลังงานจะสูงขึ้นอยู่กับความเร็วลม หลายการศึกษาได้พยายามในการผลิตไฟฟ้า ด้วยระบบพลังงานลมติดตั้งบนหลังคาของอาคารสูง (พาร์ค และ Kyung, 2003, Choi และ ช้าง 2009 และ Ledo et al., 2011); อย่างไรก็ตาม การใช้ลมธรรมชาติยังคงมีขีดจำกัด โดยผลิตพลังงาน instable และต่ำIn contrast to natural wind, artificial wind, such as that generated by ventilation fans, can be a good alternative to the limitations of natural wind. The wind behind the fan is useless for indoor ventilation, but it is very dense and high-speed and is therefore appropriate for wind power generation. Wind power is proportional to the cube of wind speed. Therefore, if the natural wind speed is 3 m s−1 and the artificial wind speed is 10 m s−1, the wind power from the artificial wind is approximately 37 times higher than that of the natural wind. In addition, the ventilation fan flow facilitates year-round power generation because ventilation fans for livestock buildings operate year-round to release harmful gases from buildings and to control indoor thermal conditions. Furthermore, it has the advantages of saving on manufacturing costs for unnecessary parts, such as the yaw, pitch controller and gearbox which are used to effectively extract mechanical energy from the variable wind speed and direction, as well as convenient power regulation due to the consistent wind speed and direction generated by the ventilation fan. According to the June 2012 survey by Statistics Korea (KOSIS, 2012), approximately 3700 households work in poultry farming, and, on average, they each hold a few livestock houses. Each house has about one dozen ventilation fans, so, in total, there are tens of thousands of fans that are potential sources for wind power generation. An application to swine farming would give rise to a more than twofold increase of the possible wind power sources. Reutilization of ventilation flows can therefore be an effective plan to reduce the energy burden of livestock farm holders in the context of the global energy crisis.อย่างไรก็ตาม ปัญหาหนึ่งที่เกิดขึ้นใช้กระแสพัดลมระบายอากาศสำหรับการผลิตพลังงานลม ได้โหลดแรงดันเพิ่มเติมกับพัดลมระบายอากาศ กังหันลมอาจเพิ่มปริมาณการใช้ไฟฟ้าของพัดลม หรือลดอัตราการไหลผ่านพัดลม Hong et al., 2012a และ Hong et al., 2012b ตรวจสอบลดลงประสิทธิภาพพัดลมระบายอากาศสำหรับสองผนังแข็งขนาดแตกต่างกัน ตามการทดลองของพวกเขา กำแพงอุปสรรคใหญ่ ซึ่งเป็นครั้งที่สี่ขนาดของพัดลมระบายอากาศ ลดลงประสิทธิภาพการทำงานของพัดลม 5 – 21% ผนังกั้นขนาดเล็ก ขนาดเป็นพัดลมระบายอากาศ ลดลงประสิทธิภาพการทำงานของพัดลม 2 – 14% ในระยะทาง 0.5-2 เมตรจากพัดลม นอกจากนี้ ลากสัมประสิทธิ์ของแผ่นแบนแข็งปกติช่วง airstream จากถึง 1.28 1.9 หรือมากกว่าเนื่องจากความดันลบที่แข็งแกร่งที่ด้านหลังของแผ่น (Lasher, 2001, Igarashi และ Terachi, 2002 และ Cengel และ Turner, 2004), ในขณะที่ลากสัมประสิทธิ์ของเป็นระยะช่วงกังหันลมยกขึ้นจาก 0.7 1.0 โดยสูตรซี≈ 7/Vhub (Frohboese และ Schmuck , 2010) เมื่อความเร็วลมที่ศูนย์กลางกังหันลมสันนิษฐาน s−1 7 – 10 เมตร ดังนั้น สัมประสิทธิ์ลากสำหรับกังหันลมที่ใช้ยกคือเพียงประมาณ 37-78% ของผนังแข็งเนื่องจาก penetrability ของอากาศ ทั่วไป กังหันลมยกขึ้นรับแรงลากต่ำและแกนกระตุกแรงจากลมเมื่อเทียบกับกังหันลมที่ใช้ลาก และดังนั้นคาดว่าจะโหลดกลับต่ำพัดลมระบายอากาศสำหรับการผลิตพลังงานลมปัจจัยสำคัญสำหรับ reutilization มีประสิทธิภาพของการไหลของพัดลมระบายอากาศอย่างใดอย่างหนึ่งอาจจะออกแบบใบพัดของกังหันลมเหมาะสม การไหลของพัดลมระบายอากาศมีมาก eddies คอมเพล็กซ์ และ vortexes และความเร็วแตกต่างกันไปตามทิศทางรัศมี ในมุมมองยาว พัดลมหมุนตลอดเวลาก่อให้เกิดรูปแบบห้องควบคุมกระแสที่แสดงการกระจายรัศมี formulated ของความเร็ว ซึ่งแตกต่างจากลมธรรมชาติ ซึ่งมีการกระจายความเร็วสม่ำเสมอ ออกแบบใหม่สำหรับกังหันลมและใบมีดของจำเป็นสำหรับขั้นตอนพัดลมระบายอากาศในการศึกษานี้ ระบบพลังงานลมที่ระบุได้รับการพัฒนาในการผลิตไฟฟ้า โดย reutilizing การไหลระบายของแฟนค่ะ 50 ขนาดที่ใช้ในปศุสัตว์อาคารในเกาหลี ใบมีดใหม่ของกังหันลมออกแบบมาให้ถูกปรับให้กระแสลมซับซ้อนสร้าง โดยพัดลมระบายอากาศ ระบบพลังงานลมที่ประเมิน และทดสอบในเขตข้อมูลโปรแกรมประยุกต์
การแปล กรุณารอสักครู่..