涡流法在风力致热上的应用

陈垂灿，陈家权，刘晓红

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

根据热力学第二定律，其他形式的能转变成热能，其效率能达到100%[1]。理想风力机的转换效率接近60%，实际应用的风力机效率一般仅为理想风力机效率的70%。通常风力机提水时的效率只有16%左右，发电时的转换效率为30%，而风力致热的转换效率可以达到40%[2]。风能热利用系统中热能转换设备的热转换形式主要有利用固体与固体的摩擦，固体与液体的摩擦，气体与气体或者气体和固体摩擦方式，液压泵和通气孔组合方式还有利用涡电流法致热方式。

风能转变成热能具有能量转化损失小的优势，随着纬度的升高，寒冷地区的冬季风越强，因此把冬季的风能转变成热能以获取暖或加温等热能源的设备是最好的节能方法之一[3]。

1 涡流风力致热法的工作原理及影响因素

涡流风力法致热是通过风力机的转轴驱动转子，将相应的永磁体安装在转子轴上，永磁体随着转子转动产生旋转变化的磁场，定子处在旋转的磁场中切割磁力线，产生涡电流，并在定子中产生电阻热。

根据加热的机理，其热功率P由以下几个因素决定，由于[4]

由毕奥萨伐尔定律可知B邑i，因此，当转速一定时，热功率P与穿过金属导体的磁感应强度B的平方成正比。根据电磁感应加热的机理可知：

涡流的热功率与涡流加热板的磁导率的平方成正比，铁的磁导率高于铜和铝的磁导率，因此加热板选用磁导率高的铁磁质材料。

涡流致热是利用导体切割磁力线，形成涡电流而产生热的一种致热方式。由于涡流的趋肤效应，加热板的表面积要大一些，同时为了减少气隙的磁阻，加热板最好为平面。

在实际应用中，风速是不确定的，但在一定的时间范围内（1耀2 h），可以认为风的输入功率是稳定的。由于风速的不稳定性致热装置内的转子速度必然也不断变化，在输入功率一定的情况，致热装置内转子的负载变化和转子的速度是成反比的，为了获取高的转速，必须尽量减少转子的负载。在负载一定的情况下，转速与功率成正比。

转子的负载主要由转子盘和附在转子盘上的永磁体所决定。

在永磁体中，磁能积BH是衡量磁体所储存能量大小的重要参数之一[5]。B为磁通密度，H为对应的磁场强度。

令气隙体积 Vg=SgLg

磁体体积 Vm=SmLm

所以磁路的体积效率：

这表明，在永磁体提供的磁能积一定的条件下，要获取更大的气隙磁能，必须使气隙体积尽量小。因此在表面积Sg一定时，气隙间隙Lg越小，所获取的气隙能量越大。

2 实验装置分析

为实验的方便，采用调速电机模拟风力机在不同工况下的输出特性。该系统在试验时采用了与风力提水的垂直轴风车具有相同特性的变频电机，通过改变变频器输入电流的频率，改变调速电机的转速，从而模拟风车在各种不同转速的工况。温度的采集方式采用非接触式红外测温仪进行测量。

在试验中选用厚度为啄=6 mm的45#钢板，尺寸为r=150 mm的圆板，永磁体的排列分布方式参照盘式电机的分布，选用6对磁极布局。如图1所示。传动轴1由电机驱动，转子盘2固定在转轴1上随着传动轴一起转动。钕铁硼永磁体3按照图1左图所示布局镶装在转子盘2上，磁铁极性是相异的，发热盘4选取金属铁板与转子盘相对。

图1 涡电流致热器

3 实验测得的致热规律

在固定的磁极阵列，提供的磁能积一定的情况下，由实验测得在加热板与磁极的间隙为4 mm时，转速不同的情况下，铁板的温升情况。

根据不同的转速在相同的间距下产生的热量比较可以看出，温度随着时间的增加而上升，且上升的幅度越来越小，如图2所示。由于散热的效果，加热板产生的热量Q升将趋近于散热的损耗热量Q损，最后加热板的温度将趋近于一个稳定值。

在转速相同的情况下，调节不同的间隙温度的变化如图3所示。

图2 不同转速下温度随时间变化曲线

图3 不同间隙下温度随时间变化曲线

由图2、图3可知，转速越高，间隙越小，温度上升越快，最后能达到的温度也越高。因此要得到较好的发热量，必须调节合理的间隙，并在一定的转速条件下运行[6-7]。

根据实验可以得到如下结论：

1）在同一间隙下,转速越高,则温度系数越高,即系统的发热越快。致热装置的加热板温度越高,温度系数越低,发热越慢。

2）在同一转速下,致热装置内间隙越小,温度系数越高,发热越快。

3）在等功率输入的情况下,选取合适的永磁体体积，并调整间隙达到一定的距离,可使致热装置的温度系数最高,热效率达到最大。

4 涡流风力致热的热功率计算

根据加热板温升20益的情况来计算功率的转换效率。

加热板上升20益所需要的能量

由于风速的不稳定性，因此通过模拟的分析，需要计算在不同转速下功率的输出特性。在本次实验中转子速度由电机通过变频器调速，计算转盘的转动输出功率由转盘的负载所决定。

式中，T为转矩，N·m；n为转速，r/min。加热板在转速为300 r/min的条件下，温升为20益所需要的时间为20 min。

则输出的平均功率约为

其中转矩

式中，R为转矩半径，m。

同样计算方法，得出转速在400 r/min的情况下，上升20益所需要的时间为9.5 min，其热效率为26.3%；500 r/min的情况下，上升20益所需时间为4 min，其热功率为49.8%。

不同转速条件下的热功率变化规律如图4所示。

5 结论

此加热方式由垂直轴的风力机驱动带有磁体阵列的转子盘，转子盘旋转产生变化的磁场，处在变化磁场中的金属板产生涡流热，由此将风能直接转变为热能。经过实验验证，金属发热板的涡流热功率P随转子转速增加而升高，与加热板的磁导率的平方成正比[8]。

图4 实验所测得在不同转速下的热功率

涡流风力致热法的发热量大小在负载一定，永磁体所提供磁能积一定的情况下，风力机输入的功率P越大，获得的转速n越大，所获得的热效率越高。通过提高转速，可以提高系统的风能利用效率，但由于致热需要较多的能量，因此风力致热系统必须采用具有较高额定转速的风车，需要选取高磁能积的永磁材料，设计合理的磁路提供高的气隙磁密。

[1]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，125-130.

[2]王元凯.风轮机及其在农业中的应用[J].可再生能源，1988，12（6）：22.

[3]牛山泉，刘薇，李岩.风能技术[M].北京：科学出版社，89-93.

[4]王晓远，李娟，齐立晓，等.盘式永磁同步电机永磁体内涡流的有限元分析[J].微电机，2007，40（1）：101-104.

[5]王以真.实用磁路设计[M].北京：国防工业出版社，45-47.

[6]齐瑞贵，李景春，李蕾.风能致热系统研究[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2001，20（2）：228-230.

[7]陈阳生，林友仰.永磁电机气隙磁密的分析计算[J].中国电机工程学报，1994，14（5）：l7 .

[8]吴书远，范垂文，夏国惠.风力致热装置[J].农村能源，1992，16（1）：16-18.