渦流法在風力致熱上的應(yīng)用

陳垂燦，陳家權(quán)，劉曉紅

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

根據(jù)熱力學第二定律，其他形式的能轉(zhuǎn)變成熱能，其效率能達到100%[1]。理想風力機的轉(zhuǎn)換效率接近60%，實際應(yīng)用的風力機效率一般僅為理想風力機效率的70%。通常風力機提水時的效率只有16%左右，發(fā)電時的轉(zhuǎn)換效率為30%，而風力致熱的轉(zhuǎn)換效率可以達到40%[2]。風能熱利用系統(tǒng)中熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備的熱轉(zhuǎn)換形式主要有利用固體與固體的摩擦，固體與液體的摩擦，氣體與氣體或者氣體和固體摩擦方式，液壓泵和通氣孔組合方式還有利用渦電流法致熱方式。

風能轉(zhuǎn)變成熱能具有能量轉(zhuǎn)化損失小的優(yōu)勢，隨著緯度的升高，寒冷地區(qū)的冬季風越強，因此把冬季的風能轉(zhuǎn)變成熱能以獲取暖或加溫等熱能源的設(shè)備是最好的節(jié)能方法之一[3]。

1 渦流風力致熱法的工作原理及影響因素

渦流風力法致熱是通過風力機的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子，將相應(yīng)的永磁體安裝在轉(zhuǎn)子軸上，永磁體隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場，定子處在旋轉(zhuǎn)的磁場中切割磁力線，產(chǎn)生渦電流，并在定子中產(chǎn)生電阻熱。

根據(jù)加熱的機理，其熱功率P由以下幾個因素決定，由于[4]

由畢奧薩伐爾定律可知B邑i，因此，當轉(zhuǎn)速一定時，熱功率P與穿過金屬導體的磁感應(yīng)強度B的平方成正比。根據(jù)電磁感應(yīng)加熱的機理可知：

渦流的熱功率與渦流加熱板的磁導率的平方成正比，鐵的磁導率高于銅和鋁的磁導率，因此加熱板選用磁導率高的鐵磁質(zhì)材料。

渦流致熱是利用導體切割磁力線，形成渦電流而產(chǎn)生熱的一種致熱方式。由于渦流的趨膚效應(yīng)，加熱板的表面積要大一些，同時為了減少氣隙的磁阻，加熱板最好為平面。

在實際應(yīng)用中，風速是不確定的，但在一定的時間范圍內(nèi)（1耀2 h），可以認為風的輸入功率是穩(wěn)定的。由于風速的不穩(wěn)定性致熱裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)子速度必然也不斷變化，在輸入功率一定的情況，致熱裝置內(nèi)轉(zhuǎn)子的負載變化和轉(zhuǎn)子的速度是成反比的，為了獲取高的轉(zhuǎn)速，必須盡量減少轉(zhuǎn)子的負載。在負載一定的情況下，轉(zhuǎn)速與功率成正比。

轉(zhuǎn)子的負載主要由轉(zhuǎn)子盤和附在轉(zhuǎn)子盤上的永磁體所決定。

在永磁體中，磁能積BH是衡量磁體所儲存能量大小的重要參數(shù)之一[5]。B為磁通密度，H為對應(yīng)的磁場強度。

令氣隙體積 Vg=SgLg

磁體體積 Vm=SmLm

所以磁路的體積效率：

這表明，在永磁體提供的磁能積一定的條件下，要獲取更大的氣隙磁能，必須使氣隙體積盡量小。因此在表面積Sg一定時，氣隙間隙Lg越小，所獲取的氣隙能量越大。

2 實驗裝置分析

為實驗的方便，采用調(diào)速電機模擬風力機在不同工況下的輸出特性。該系統(tǒng)在試驗時采用了與風力提水的垂直軸風車具有相同特性的變頻電機，通過改變變頻器輸入電流的頻率，改變調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速，從而模擬風車在各種不同轉(zhuǎn)速的工況。溫度的采集方式采用非接觸式紅外測溫儀進行測量。

在試驗中選用厚度為啄=6 mm的45#鋼板，尺寸為r=150 mm的圓板，永磁體的排列分布方式參照盤式電機的分布，選用6對磁極布局。如圖1所示。傳動軸1由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)子盤2固定在轉(zhuǎn)軸1上隨著傳動軸一起轉(zhuǎn)動。釹鐵硼永磁體3按照圖1左圖所示布局鑲裝在轉(zhuǎn)子盤2上，磁鐵極性是相異的，發(fā)熱盤4選取金屬鐵板與轉(zhuǎn)子盤相對。

圖1 渦電流致熱器

3 實驗測得的致熱規(guī)律

在固定的磁極陣列，提供的磁能積一定的情況下，由實驗測得在加熱板與磁極的間隙為4 mm時，轉(zhuǎn)速不同的情況下，鐵板的溫升情況。

根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速在相同的間距下產(chǎn)生的熱量比較可以看出，溫度隨著時間的增加而上升，且上升的幅度越來越小，如圖2所示。由于散熱的效果，加熱板產(chǎn)生的熱量Q升將趨近于散熱的損耗熱量Q損，最后加熱板的溫度將趨近于一個穩(wěn)定值。

在轉(zhuǎn)速相同的情況下，調(diào)節(jié)不同的間隙溫度的變化如圖3所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下溫度隨時間變化曲線

圖3 不同間隙下溫度隨時間變化曲線

由圖2、圖3可知，轉(zhuǎn)速越高，間隙越小，溫度上升越快，最后能達到的溫度也越高。因此要得到較好的發(fā)熱量，必須調(diào)節(jié)合理的間隙，并在一定的轉(zhuǎn)速條件下運行[6-7]。

根據(jù)實驗可以得到如下結(jié)論：

1）在同一間隙下,轉(zhuǎn)速越高,則溫度系數(shù)越高,即系統(tǒng)的發(fā)熱越快。致熱裝置的加熱板溫度越高,溫度系數(shù)越低,發(fā)熱越慢。

2）在同一轉(zhuǎn)速下,致熱裝置內(nèi)間隙越小,溫度系數(shù)越高,發(fā)熱越快。

3）在等功率輸入的情況下,選取合適的永磁體體積，并調(diào)整間隙達到一定的距離,可使致熱裝置的溫度系數(shù)最高,熱效率達到最大。

4 渦流風力致熱的熱功率計算

根據(jù)加熱板溫升20益的情況來計算功率的轉(zhuǎn)換效率。

加熱板上升20益所需要的能量

由于風速的不穩(wěn)定性，因此通過模擬的分析，需要計算在不同轉(zhuǎn)速下功率的輸出特性。在本次實驗中轉(zhuǎn)子速度由電機通過變頻器調(diào)速，計算轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動輸出功率由轉(zhuǎn)盤的負載所決定。

式中，T為轉(zhuǎn)矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。加熱板在轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下，溫升為20益所需要的時間為20 min。

則輸出的平均功率約為

其中轉(zhuǎn)矩

式中，R為轉(zhuǎn)矩半徑，m。

同樣計算方法，得出轉(zhuǎn)速在400 r/min的情況下，上升20益所需要的時間為9.5 min，其熱效率為26.3%；500 r/min的情況下，上升20益所需時間為4 min，其熱功率為49.8%。

不同轉(zhuǎn)速條件下的熱功率變化規(guī)律如圖4所示。

5 結(jié)論

此加熱方式由垂直軸的風力機驅(qū)動帶有磁體陣列的轉(zhuǎn)子盤，轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生變化的磁場，處在變化磁場中的金屬板產(chǎn)生渦流熱，由此將風能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?jīng)過實驗驗證，金屬發(fā)熱板的渦流熱功率P隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加而升高，與加熱板的磁導率的平方成正比[8]。

圖4 實驗所測得在不同轉(zhuǎn)速下的熱功率

渦流風力致熱法的發(fā)熱量大小在負載一定，永磁體所提供磁能積一定的情況下，風力機輸入的功率P越大，獲得的轉(zhuǎn)速n越大，所獲得的熱效率越高。通過提高轉(zhuǎn)速，可以提高系統(tǒng)的風能利用效率，但由于致熱需要較多的能量，因此風力致熱系統(tǒng)必須采用具有較高額定轉(zhuǎn)速的風車，需要選取高磁能積的永磁材料，設(shè)計合理的磁路提供高的氣隙磁密。

[1]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，125-130.

[2]王元凱.風輪機及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].可再生能源，1988，12（6）：22.

[3]牛山泉，劉薇，李巖.風能技術(shù)[M].北京：科學出版社，89-93.

[4]王曉遠，李娟，齊立曉，等.盤式永磁同步電機永磁體內(nèi)渦流的有限元分析[J].微電機，2007，40（1）：101-104.

[5]王以真.實用磁路設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，45-47.

[6]齊瑞貴，李景春，李蕾.風能致熱系統(tǒng)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2001，20（2）：228-230.

[7]陳陽生，林友仰.永磁電機氣隙磁密的分析計算[J].中國電機工程學報，1994，14（5）：l7 .

[8]吳書遠，范垂文，夏國惠.風力致熱裝置[J].農(nóng)村能源，1992，16（1）：16-18.