一种风能浓缩与产热机组的设计探讨

王娜娜++林美娜

摘 要：本文针对现有风能制热系统、原理、方法中存在的实际应用效率低下和无法实现直接用热的问题，提出一种风能浓缩与产热的机组及其运行方法。解决了现有的风能制热方法存在的工程应用效率低下以及无法直接实现产热的问题。

关键词：风能浓缩与产热 产热部件 能量浓缩器 相变材料

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0006-02

在风力资源丰富的地区，许多设备采用风能发电、提水、研磨稻谷等。然而，风能制热由于无法像发电那样易于传输而没有受到足够的重视。实际上，相比风能发电，风能制热的效率更高，结构也更简单。但是现有的风能制热系统存在严重的不足，主要表现在：实际效率低下；无法实现直接用热。

现有的风能制热系统实际效率低下的主要原因是由风能本身的特点决定的：能流密度低；间歇性；不稳定。无法直接用热的主要原因是产热效率低下。因此，如何将能流密度不高的风能加以浓缩后利用，是目前风能制热的主要课题。笔者提供一种风能浓缩与产热的机组[1]，机组采用独特的运行方法，适用于我国西北、东南沿海等多风地区。在西北地区，可以为牧民提供生活、畜牧用热水；在东南沿海，不仅可以用于生活热水，更适于水产养殖，水产低温烘干等用热水。

1 一种风能浓缩与产热的机组

风能浓缩与产热机组的原理图如图1所示，机组主要由迎风叶片、产热部件（阻尼管）[2]、能量浓缩器（蓄能换热器）[3]、油压泵和其它管路配件、支架灯组成。

机组的油压泵直接由转动的迎风叶片驱动；产热部件采用特制的阻尼管，可由铜、硬铝或不锈钢制成，外包保温层，产热部件局部示意图见图2；能量浓缩器包括金属外壳、底座、制热油管路、取热介质管路、相变材料填充空间、带有相变材料注入孔和排空口的顶板、外保温层，能量浓缩器局部示意图见图3。顶板和底座采用上下平行设置。迎风叶片安装在支架杆的上端，支架杆下端传动连接油压泵，油压泵由底座固定于地面。产热部件安装在油压泵压出端，两者之间由管道连接。能量浓缩器安装在产热部件下游并由管路连接。产热部件及其下游管路以及能量浓缩器的金属外壳必须确保保温效果良好，防止热损失。制热流体管路与取热介质管路在金属外壳内部呈正三角形叉排，管路与金属外壳之间的空间由填充相变材料，充注口一般采用机械密封。

能量浓缩器中制热管内的循环工质，应采用比热容小于1.8的低粘度微膨胀牛顿流体，例如蓖麻油。要求该流体对大多数金属材料无腐蚀性；无毒；应用温度范围内物理化学性质稳定，无相变；燃点高；闪点高；爆炸极限高。

取热管内的循环工质，可以是水，以直接提供热水；也可以是其它工质，例如制冷剂。如此一来，能量浓缩器就可充当制冷循环中的蒸发器，作为低位热源使用。

2 一种用于风能浓缩与产热的方法

风能浓缩与产热的机组的运行方法，主要包括如下步骤：

用于制热的流体首先在油压泵的驱动下通过制热部件，完成“风能→机械能→压力能→动能→热能”的能量转化过程；从制热部件流出的高温制热流体，进入能量浓缩器，将制热流体的热能部分传递给相变材料；从能量浓缩器流出的低温制热流体，被吸回油压泵的吸入端，至此制热流体完成一个循环。风能驱动迎风叶片转动，通过传动装置驱动油压泵进行工作，使制热流体在系统中不断循环。热能品位被不断提升，实现能量在能量浓缩器3的浓缩。需要用热时，取热介质流过能量浓缩器，将相变材料蓄存的能量取出。

3 结论

（1）现有的风能制热技术原理是摩擦制热，其缺点是效率低，设备磨损严重。例如搅拌液体式、金属摩擦式。本风能浓缩与产热机组的制热原理是依据流体动力学能量守恒方程。避免了固体—液体、固体—固体的产热缺陷。充分利用流体自身的特质，把流体的压力能逐步转化为流体的热能，以温度的形式表现出来，从原理上取得了进步。

（2）由于省去了搅拌叶片、摩擦金属块，节省了设备损耗、更新的费用。本文提供的这种风能浓缩与产热的机组，系统结构简单，使用寿命长，且可实现自动控制。

（3）由于产热原理的进步以及能量浓缩器的使用，不但提高风能的利用效率，也提高了风能制热系统的实际使用效率，避免了风能自身能流密度低，间歇性，不稳定的弊端。

（4）机组的热能源于风能，减少了化石燃料的燃烧，减少了碳排放低碳环保。

参考文献

[1] 王娜娜.一种风能制热机组[P].中国：ZL201320127373.6，2013-07-31.

[2] 王娜娜.一种用于风能制热的产热装置[P].中国：ZL201320127371.7，2013-07-31.

[3] 王娜娜.一种用于风能制热的蓄能换热器[P].中国：ZL201320127349.2，2013-07-31.endprint