建筑能源应用技术-课件 第5章 风能利用技术

第5章风能利用技术02学习目标1了解风力发电的基本原理和风电转换的原理；2熟悉风力发电机的两种类型及风力发电系统；3掌握建筑风能的利用形式和风电一体化建筑设计要点。第5章风能利用技术03本章主要内容•5.1风力发电的原理概述：基本原理、基本理论与风电转换原理。•5.2风力发电机：分类、独立/并网系统及微小型风力发电系统。•5.3建筑风力发电技术：利用形式、建筑风场、安装类型与一体化设计。第5章风能利用技术04风的形成与风能利用风的定义空气相对于地面的水平运动称为风。形成因素风的大小和方向由水平气压梯度、地转偏向力、惯性离心力和摩擦力共同决定。环流尺度按尺度可分为大气环流、季风环流和局地环流。利用形式风车提水、风帆助航、风力致热和风力发电，都是把风的动能转化为其他能量。先理解风的来源，再讨论风能转换设备。绪论：第5章风能利用技术055.1风力发电的原理概述风力发电机首先把风的动能转化为风轮轴的机械能，再由发电机转化为电能。本节从能量关系、贝茨极限和功率曲线建立基本认识。本节学习路径：基本原理→基本理论→风电转换原理第5章风能利用技术06风力发电的能量转换链风的动能风轮旋转机械能传动与发电机电能输出风轮在风力作用下旋转，把空气的动能转变为风轮轴的机械能；发电机再把机械能转换为电能。这是后续全部设备和公式共同描述的主线。沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。第5章风能利用技术5.1.1风力发电的基本原理5.1风力发电的原理概述07风力发电机的基本组成：风轮直接与来流作用，提取风能并产生转矩。发电机把风轮轴的机械能转换成电能。调向器（尾翼）使风轮适应来流方向变化。塔架支承机组并把风轮提升到适宜高度。限速安全机构在不利风况下限制转速，保护机组。储能装置调节风能间歇性带来的供电波动。风力发电机是风电系统的核心。5.1.1风力发电的基本原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术08风的动能、体积与质量E=1/2·m·v²（5.1）V=vA（5.2）m=ρvA（5.3）•E为质量m、风速v的空气所含动能。•时间内通过横截面积A的空气体积与风速成正比。•空气质量由密度ρ、风速v和横截面积A共同决定。把式（5.2）和式（5.3）代入动能关系，就能得到风功率公式。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术09来流中的风功率：P=1/2·ρAv³（5.4）•风功率与空气密度ρ成正比。•风功率与叶轮扫风面积A成正比。•风功率与风速v的三次方成正比，因此风速变化对可利用功率影响最显著。公式描述来流所含功率，不代表风机能够全部提取。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术10风速三次方效应：风速×1风功率为基准值P。风速×2风功率变为2³P，即8P。风速×3风功率变为3³P，即27P。工程含义选址、轮毂高度和建筑导流对发电潜力影响很大。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术11贝茨通道与风机前后流场图5.1贝茨通道（S代表风力发电机的叶轮面）•自由风经过风机后，流体横截面增大，风速降低。•风机前后空气所含能量之差，就是叶轮提取的机械能。•若出口风速降为零，则没有流体通过风机，因此不可能把全部风能提取出来。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术12风机前后的能量与连续关系：P=1/2·ρ(A₁v₁³−A₂v₂³)（5.5）ρA₁v₁=ρA₂v₂（5.6）P=1/2·ρv₁A₁(v₁²−v₂²)（5.7）•v₁、A₁分别表示风机前的风速与横截面积。•v₂、A₂分别表示风机后的风速与横截面积。•连续方程说明稳定流动中质量流率保持一致。结合图5.1：风速降低、流管扩张、风机获得机械能。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术13贝茨定律与贝茨极限：基本结论贝茨定律描述风机能够从风中提取的最大能量。理论上限最大能量为16/27，约59.3%，称为贝茨极限。实际机组考虑叶片外形、装配、变桨和转速等，实际提取量只能达到贝茨极限的75%～80%。理解重点贝茨极限是理想条件下的理论值，不等于实际发电效率。贝茨定律由AlbertBetz于1919年提出。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术14贝茨极限的理想化假设：理想圆盘叶轮面无限薄且不存在轮毂。无限叶片具有无限多叶片且无拖动。轴向流动风吹进和吹出的方向均为风机轴向。不可压缩空气密度恒定，风机与叶轮之间无热量交换。忽略尾流不考虑风机下游尾流效应。适用边界真实风机存在有限叶片、拖动以及机械和电气损失。理想化假设用于建立理论上限，不能直接等同于真实机组。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术15作用力、风轮面风速与机械功率：F=m(v₁−v₂)（5.8）P=Fv′=m(v₁−v₂)v′（5.9）P=1/2·ρA(v₁²−v₂²)(v₁+v₂)（5.10）•F表示风机对风的作用力。•v′表示作用在风机表面的风速，取v′=1/2(v₁+v₂)。•机械功率来自作用力与风轮面风速的乘积。课堂提示：动量变化产生作用力，作用力做功形成风机获得的机械功率。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术16自由风功率与功率系数：P₀=1/2·ρAv₁³（5.11）cP=P/P₀（5.12）•P₀表示相同横截面积下自由风所含功率。•功率系数cP表示风机获得的机械功率占自由风功率的比例。•cP的大小取决于风机进、出口风速的比例关系。功率系数用于衡量风机从来流中提取能量的程度。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术17功率系数与流速比：图5.2风力发电机功率系数与流速比关系图•横轴表示风机出口与入口流速的比例，纵轴表示功率系数cP。•曲线存在最大值，说明既不能让空气毫无减速，也不能让出口风速降为零。•图中最大值与贝茨极限相对应。5.1.2风力发电机的基本理论5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术18风电转换的完整过程：轮毂高度处来流风轮提取动能轴系输出机械能发电机输出电能风电机组输出功率主要取决于轮毂高度处的风速。风速进入不同区间时，机组会停机、变功率运行、额定功率运行或安全切出。沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术19风机输出功率的分段关系：0，v≤vcik₁v³+k₂，vci<v<vrPwt,0，vr≤v<vco0，v≥vco•式（5.13）把风机功率曲线分为四个运行区间。•低于切入风速时不能发电；达到额定风速后维持额定功率；达到切出风速后停机保护。•k₁=Pwt,0/(vr³−vci³)，k₂=−k₁vci³。Pwt=（5.13）5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术20功率曲线中的四个关键量vci切入风速风机开始并网发电的最低风速。vr额定风速风机达到额定功率所对应的风速。vco切出风速达到结构或系统安全上限时的最高运行风速。Pwt,0额定功率风机在额定运行区间的输出功率。先认清变量，再判断风机处于哪个运行区间。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术21额定风速以下的功率表达式：Pwt=k₁v³+k₂（5.14）•当vci<v<vr时，风机功率随风速增大而上升。•当vr≤v<vco时，风机功率达到额定功率Pwt,0。•当v≤vci或v≥vco时，机组停止运转，电能转化率为零。提高可利用风速并达到合理的额定风速，是高效利用风能的关键。5.1.3风电转换的原理5.1风力发电的原理概述第5章风能利用技术来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第5章225.2风力发电机风力发电机按旋转轴方向可分为水平轴和垂直轴两大类；系统按与电网的关系可分为独立运行和并网运行，教材还介绍了微小型风力发电系统。本节学习路径：风机分类→独立/并网系统→微小型系统第5章风能利用技术23风力发电机分类框架水平轴风机旋转轴接近来流方向，通常具有较高功率系数，需要对风。垂直轴风机旋转轴垂直于地面，可接收各方向来风，不需要复杂偏航。叶片数量水平轴风机可分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片。迎风方向水平轴风机还可分为上风向机组和下风向机组。分类依据不同，回答问题时应先说明采用了哪一个分类维度。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术241）水平轴风力发电机图5.3水平轴风力发电机•水平轴风机必须使风轮面向来风方向，通常具有较高功率系数。•当风向变化时，需要机械装置持续调整旋翼方向。•图中可识别叶片、轮毂、机舱和塔架等主要部件。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术25按叶片数量分类图5.4水平轴风机分类•单叶片风机材料少、风阻损失小，但需要配重并存在平衡问题。•双叶片机组也有平衡缺陷；三叶片机组因气动荷载较一致而更稳定。•多叶片叶轮起动较容易，但叶片增多会增加空气动力损失。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术26叶片数、实度与应用选择实度实际叶片面积与叶轮扫风面积之比称为实度。高实度叶轮多叶片与风作用面积大，起动较容易。低实度叶轮叶片少，可能需要外力起动，但气动损失较小。三叶片机组在稳定性、功率和工程应用之间形成较好的平衡，因此商业应用最多。叶片多并不必然意味着输出功率更大。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术27上风向与下风向水平轴风机图5.5上风向与下风向水平轴风机•上风向机组的风先经过叶轮再经过塔架，没有塔影效应，但偏航系统很重要。•下风向机组更加灵活，可不设偏航系统。•下风向叶轮位于塔筒下风侧，塔影可能造成叶片荷载分布不均。1）水平轴风力发电机5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术282）垂直轴风力发电机图5.6小功率的垂直轴风力发电机•旋转轴垂直于地面，能够接收来自各个方向的风。•不需要复杂偏航装置，齿轮箱和发电机可位于底部，维护较方便。•在高湍流环境下适应性较好，低尖速比运行时噪声较小。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术29水平轴与垂直轴风机比较水平轴•通常功率系数较高。•需要面向来风并设置调向装置。•三叶片机组商业应用广泛。垂直轴•可接收各方向来风，维护方便。•高湍流环境适应性较好。•许多机型不能自主起动，效率较低。课堂提示：城市建筑应用中仍需同时评估湍流、噪声、起动与结构条件。5.2.1风力发电机的分类5.2风力发电机第5章风能利用技术30风力发电系统的两类运行方式：独立运行系统又称离网运行；通过储能或多能源互补维持稳定供电。并网运行系统风机与电网并联，输出电压和频率受电网约束。共同任务都需要完成发电、控制、功率变换和安全保护。选择依据是否具备电网、负荷可靠性要求、储能条件和系统规模。先判断系统与电网的关系，再分析设备配置。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术31独立运行系统：图5.7独立运行系统框图•风能具有不稳定性，单靠风机难以持续提供可靠电能。•可利用蓄电池稳定输出，或与光伏、柴油发电等互补运行。•系统通过整流、控制、储能和逆变，把不稳定风电转为适合负载的电能。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术32独立运行系统的组成（1）风力发电机组由风力机、发电机和控制部件组成。耗能负载持续大风时消耗机组发出的多余电能。蓄电池组若干蓄电池组成的储能装置，用于储能和稳压。能量关系风机供电优先满足负载，富余电能进入储能或耗能负载。对应图5.7逐项识别设备。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术33独立运行系统的组成（2）控制器控制充电与过放保护，调节、分配输入输出功率并执行监控。逆变器把直流电转换为交流电。整流器把风机产生的交流电转换为直流电，供充电或控制回路使用。系统协同控制器连接发电、储能、负载和保护，是运行协调中心。整流是交流变直流，逆变是直流变交流。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术34独立运行系统的优点与局限优点•不需要燃料，污染少。•结构坚固、扩充灵活。•可自主供电，适合非集中电网。局限•为连续稳定供电需要储能，增加成本。•需要定期维护检修。•系统效率不高，技术相对复杂。离网系统以设备与储能投入换取供电自主性。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术35并网运行系统的基本流程风轮与发电机并网控制电压、频率满足要求接入电网并网风机按风力大小自动输出电能。只有当风力发电机的电压和频率与电网一致时才能并网；风速过低不能输出电能时，系统应从电网解列。课堂提示：沿箭头说明能量或信息如何逐级转换。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术36同步发电机与异步发电机并网同步发电机•可提供自身励磁电流。•可改善电网功率因数。•成本高，并网控制复杂。异步发电机•结构简单、成本低。•并网控制容易。•需要从电网吸收无功功率，可并接电容器改善。课堂提示：两类机组都必须满足并网与解列控制要求。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术37独立运行与并网运行比较独立运行•依靠储能或多能源互补稳定供电。•适合无电网或分散负荷。•系统自治但维护和成本较高。并网运行•电压和频率由电网决定。•低风速时解列，高风速也需安全控制。•在有电网地区通常较合适。系统选择取决于电网条件和供电目标。5.2.2风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术38微小型风力发电系统组成图5.8微小型风力发电系统组成图•直流风力发电机经控制器寻找最佳功率点。•电能可直接经变换器调压，也可先进入储能装置再供给变换器。•输出调整为适合无线传感网络或嵌入式系统负载的电压。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电39发电机与控制器风力发电机包括风力机和发电机；教材所述系统采用永磁无刷直流发电机。采用原因兼具结构简单、运行可靠、维护方便、动态特性好、质量轻和体积小等特点。控制器保证蓄电池正常充放电，防止过充和过放。最佳功率点控制叶尖速比，使风机尽量工作在最佳功率点。5.8中的前端发电与控制部分。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术40储能、变换器与负载储能装置抑制风能间歇性和不稳定性，提供连续稳定供电；可采用蓄电池或电容。DC-DC变换器把发电或储能输出调节为各传感器节点需要的电压。变换器类型包括降压型、升压型、升降压复合型和库克DC-DC等。负载可以是无线传感网络节点或嵌入式系统芯片，应按负载特性调节发电。储能解决时间波动，变换器解决电压匹配。5.2.3微小型风力发电系统5.2风力发电第5章风能利用技术415.3建筑风力发电技术建筑环境中的风能既可通过自然通风和排气被动利用，也可通过风力发电主动利用。建筑形体会改变局部风场，因此风机布置必须与建筑设计协同。本节学习路径：利用形式→建筑风场→安装类型→一体化设计第5章风能利用技术42建筑风能的被动与主动利用被动式利用利用自然通风和排气，使建筑适应地域风环境。主动式利用通过风力发电，把地域风能转换为电能。屋顶布置在建筑楼顶放置风机，利用屋顶较大的风速发电。风力集中器在设计阶段利用建筑形体汇聚和强化风力，再布置风机。两类主动利用形式都要先认识建筑周围的局部风场。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术43气流受到建筑物阻挡后的分布图5.9气流受到建筑物阻挡后的分布情况•迎风面气流一部分越过屋顶，一部分沿墙下沉，另一部分绕过建筑两侧。•背风面形成涡旋；高墙下沉气流在近地面形成回流和角流。•建筑形体使不同部位出现加速、分离和涡旋，风机位置不能只按高度判断。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术44建筑周围的局部大风速区：高低建筑间涡旋区风速约为原盛行风速的1.3倍。高建筑两侧角流区风速约为原盛行风速的2.5倍。高墙下穿流区风速可达原盛行风速的3倍。设计含义加速区有利于能量获取，但也可能带来行人风环境、噪声和结构问题。工程设计仍需针对项目核实这些倍数数据。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术45风能利用建筑的基本形式图5.10风能利用建筑的基本形式•风机通常布置在风阻较小的屋顶，或风力被加强的洞口、夹缝等位置。•建筑形体可作为风力集中器，引导来流进入风机。•布置时还需避开不利涡流区，并校核结构、噪声和维护条件。5.3.1建筑风能利用形式5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术46建筑用风机安装类型：建筑边缘、屋顶、底层地面•建筑边缘可同时利用自由来风和建筑形体引导的风。•屋顶风力较大、环境干扰较少，但应避开檐口涡流，并关注噪声和结构影响。•底层地面风资源通常不丰富，如何提高风机产出更具挑战。5.3.2建筑中风力发电机的安装类型5.3建筑风力发电技术第5章风能利用技术