風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能的效率分析及試驗(yàn)研究*

馬寒陽，李 坤，王文濤，饒章逸，杜 標(biāo)

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能的效率分析及試驗(yàn)研究*

馬寒陽，李 坤，王文濤，饒章逸，杜 標(biāo)

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

風(fēng)能是目前世界上利用率增長較快的綠色能源，但相應(yīng)的設(shè)備不成熟。理論分析表明，在風(fēng)能利用系統(tǒng)的所有形式中，風(fēng)能直接熱利用系統(tǒng)的綜合效率最高。通過實(shí)驗(yàn)研究階段可以利用電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)能產(chǎn)生的動(dòng)能，設(shè)計(jì)多種轉(zhuǎn)子類型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)對(duì)比確定最優(yōu)選的方案。

風(fēng)能利用;綜合效率;轉(zhuǎn)子類型

1 引言

全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)能是目前世界上利用率增長最快的綠色能源，預(yù)計(jì)到2020年，風(fēng)能將成為世界第三大能源［1］。但風(fēng)能利用存在一些限制及弊端:風(fēng)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生的能量大小不穩(wěn)定;風(fēng)能利用受地理位置限制嚴(yán)重;風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率低;風(fēng)能是新型能源，相應(yīng)的使用設(shè)備也不是很成熟。目前風(fēng)能多用于發(fā)電、提水、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等方面。但對(duì)于風(fēng)能直接制熱并加以利用方面的研究與分析還很少［2－3］。

理論分析表明，在風(fēng)能利用系統(tǒng)的所有形式中，風(fēng)能直接熱利用系統(tǒng)的綜合效率最高。因攪拌流體制熱的中間媒介最少。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)研究階段可以利用電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)能產(chǎn)生的動(dòng)能，設(shè)計(jì)多種轉(zhuǎn)子類型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)對(duì)比確定最優(yōu)選的方案。

2 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的應(yīng)用方案

2.1 研究現(xiàn)狀

根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能時(shí)理論效率為100%。理想風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率將近60%，實(shí)際用的風(fēng)力機(jī)效率一般僅為理想風(fēng)力機(jī)的70%。而通常風(fēng)力機(jī)提水時(shí)的效率只有16%左右，發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率30%，而致熱時(shí)的轉(zhuǎn)換效率高者超過40%。因此，利用風(fēng)能對(duì)水等工質(zhì)加熱，為溫室、畜禽舍、住宅、養(yǎng)殖和一些低溫工藝等采暖、供熱是很理想的。近年來，日本、美國和歐洲等國為更有效地利用風(fēng)能積極地開展了風(fēng)力致熱的研究工作并且己經(jīng)初見成效。1980年前后，日本以及美國歐洲等國家開始研究風(fēng)能熱利用技術(shù)。日本北海道農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場研制的M°D－3型系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了0.35～0.45，水溫可加熱到80℃，取得了接近實(shí)用化的成果。由于系統(tǒng)規(guī)模小、部件耐久性差、一次性投資較大以及這些國家能源戰(zhàn)略重點(diǎn)的調(diào)整等因素，20世紀(jì)90年代以后風(fēng)能熱利用技術(shù)發(fā)展緩慢［4］。

風(fēng)力致熱主要有液壓式致熱、壓縮空氣致熱、固體摩擦致熱、其他類型的致熱(包括:渦電流致熱;電熱致熱是利用風(fēng)力發(fā)電，使電流通過電阻絲發(fā)熱，來給空氣或水加熱;太陽能－風(fēng)能聯(lián)合致熱是把太陽能和風(fēng)能致熱結(jié)合起來，互相補(bǔ)充。該致熱方式利用率高，工作時(shí)間長，互補(bǔ)性好，節(jié)能效果比一般系統(tǒng)更明顯［5］。

其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。目前國內(nèi)西安交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校及一些科研院所對(duì)風(fēng)力致熱技術(shù)進(jìn)行研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)力致熱的研究重點(diǎn)是液體攪拌致熱，西安交通大學(xué)的研究則集中在液體擠壓致熱上。1998年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)村能源研究所對(duì)攪拌式風(fēng)力致熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究，得出了功率吸收方程和壓力方程，為設(shè)計(jì)攪拌式風(fēng)力致熱器提供了一定的理論依據(jù)。2002年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一套液體攪拌致熱裝置。試驗(yàn)人員用變頻電機(jī)模擬風(fēng)車的不同轉(zhuǎn)速，研究發(fā)現(xiàn)在保持風(fēng)車輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下攪拌裝置內(nèi)油液的溫度越低油液的溫度升高越快，致熱的效率越高攪拌桶內(nèi)油液體積越大，則致熱效率越高;在保持?jǐn)嚢柰皟?nèi)液位高度不變的情況下，風(fēng)車轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)的致熱效率越高。在所測定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱越快。

表1為中國風(fēng)能分布區(qū)占全國面積百分比，從表中數(shù)據(jù)看出可利用區(qū)域占全國總面積的76%，因此對(duì)我國風(fēng)能的利用進(jìn)行研究是有必要的［6］。

表1 中國風(fēng)能分布區(qū)占全國面積百分比

2.2 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 風(fēng)力制熱的方式的選擇

通過對(duì)幾種方式研究和對(duì)比并考慮到裝置的易實(shí)現(xiàn)性，通過攪拌液體制熱的方案具有效率高，結(jié)構(gòu)簡單，可行性高等特點(diǎn)，因此選用這種方案作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的最終方案。

2.2.2 工質(zhì)選擇

致熱工質(zhì)的選擇是風(fēng)力致熱裝置設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到致熱裝置的體積和系統(tǒng)的致熱效率。液體攪拌致熱依靠液體的撞擊摩擦將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。牛頓內(nèi)摩擦定律揭示由于流體的粘滯性，在相互滑動(dòng)的各層之間會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，亦即流體的內(nèi)摩擦力，由它們把運(yùn)動(dòng)傳遞到各相鄰的流體層，使流動(dòng)較快的層減速，而流動(dòng)較慢的層加速，形成按一定規(guī)律變化的流速分布。從工質(zhì)在流動(dòng)過程中摩擦生熱的角度考慮，高粘性的液體流較低粘性的液體更合適。

從工質(zhì)傳遞熱量的角度，W=ρQCPΔT為使工質(zhì)有較小的體積流量Q，小型化致熱裝置則希望工質(zhì)有較高密度ρ及較高比熱值CP。此外，風(fēng)力致熱工質(zhì)的選擇中還應(yīng)考慮其價(jià)格，高溫下性能的穩(wěn)定性及安全性，即對(duì)人體無毒副作用，對(duì)裝置材料無腐蝕等因素。

無論從系統(tǒng)的熱容量考慮，還是從摩擦效果來看，液體工質(zhì)的致熱效果明顯大于氣體工質(zhì)，可以排除氣體作為致熱工質(zhì)的選項(xiàng)。水和油是最常見的液體工質(zhì)。而水在高溫下會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，氣體的存在會(huì)使致熱裝置在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)、氣蝕等不穩(wěn)定現(xiàn)象。另外，和油相比水的粘性也比油小得多。因此，從致熱角度出發(fā)，風(fēng)力的工質(zhì)宜選擇油類，但油類價(jià)格較高，不易獲取，不易清潔等問題。

在本次試驗(yàn)中，考慮到材料的易獲取性，清潔性，和實(shí)驗(yàn)的方便性以及實(shí)驗(yàn)裝置的局限性，實(shí)驗(yàn)中以水作為制熱工質(zhì)。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的實(shí)驗(yàn)裝置包括25 W可調(diào)速電動(dòng)機(jī)一臺(tái);用來模擬風(fēng)能轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能，對(duì)流體進(jìn)行攪拌;2.5 L保溫瓶一個(gè);流體的攪拌容器，用來進(jìn)行攪拌實(shí)驗(yàn)，減少熱能耗散;自制鐵質(zhì)框架，如圖1所示，用于固定實(shí)驗(yàn)裝置;攪拌扇葉，共有4種，分別為3×180°的葉輪;5×180°的葉輪;3×120°的葉輪;以及自制的金屬線球，如圖2～5所示。

圖1 裝置尺寸和結(jié)構(gòu)圖

圖2 金屬線球?qū)嵨飯D

圖3 葉片3×180°實(shí)物圖

圖4 葉片5×180°實(shí)物圖

圖5 葉片3×120°實(shí)物圖

2.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作:首先將實(shí)驗(yàn)器材按圖紙組裝成實(shí)驗(yàn)裝置;然后用溫度計(jì)測量室溫并記錄;接著將室溫的水倒入保溫瓶中;再選擇一種攪拌扇葉，按裝配圖裝好。

實(shí)驗(yàn)正式開始:打開電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小時(shí)后關(guān)機(jī);隨即立馬取出保溫瓶，并用溫度計(jì)測量水的溫度，并記錄;然后換一種攪拌扇葉重復(fù)上述步驟。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析階段:將所有數(shù)據(jù)記錄表格;然后分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。

通過上述步驟，得出的四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及對(duì)比見表2所列。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 效率計(jì)算

根據(jù)水高平均值H，可計(jì)算出水的質(zhì)量:

式中:d為保溫杯的內(nèi)徑;ρ為水在常溫下的密度。

經(jīng)過計(jì)算得:

3.2 效率比較分析

(1)η1＜η2，表明當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同時(shí)，葉片縱向密度越多，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能的效率越高。

(2)η1＜η3，表明當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同時(shí)，葉片橫向密度越多，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能的效率越高。

(3)η1＞η4，表明當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同時(shí)，槳葉式葉片比不規(guī)則的轉(zhuǎn)子，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率越高。

4 結(jié)論

(1)通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)分析，證明通過風(fēng)能提供的動(dòng)能直接攪拌流體制熱，可以達(dá)到初步利用效率。

(2)風(fēng)力直接致熱裝置結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)風(fēng)質(zhì)要求低，風(fēng)況變化的適應(yīng)性強(qiáng)，蓄能問題便于解決。

(3)不足之處在于受實(shí)驗(yàn)條件所限，只測量了4組數(shù)據(jù)，所得出的結(jié)論十分有限，需進(jìn)一步改變?nèi)~輪、內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)等來增加轉(zhuǎn)化效率。

［1］ 王世榮.風(fēng)力致熱技術(shù)及其應(yīng)用［J］.農(nóng)村能源，2002，102(02): 28－29.

［2］ 嚴(yán)家祿，王永青.工程熱力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］ 張玉實(shí)，范垂文.風(fēng)力致熱技術(shù)［M］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［4］ European Wind Energy Association and Greenpeace.Wind force，a blueprint to achieve 12%of the world's electricity from wind power by 2020［M］.Belgium:European Wind Energy Association，2001.

［5］ 齊瑞貴，李景春，李 蕾.風(fēng)能致熱系統(tǒng)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，20(2):228－230.

［6］ 杜白石.風(fēng)能與熱利用［M］.西安:西安地圖出版社，1997.

Efficiency Analysis and Experimental Study of the Wind－kinetic Energy Converted into Heat Energy

MA Han－yang，LIKun，WANG Wen－tao，RAO Zhang－yi，Du Biao
(School of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui232001，China)

Wind power of which is the green energy the utilization rate is fastest growing in the world，but the corresponding equipment is not very mature.Theoretical analysis shows that in all the forms of wind energy utilization system，the comprehensive efficiency of directly heat utilization system is highest.Through the kinetic experimental research stage，the wind power is generated by the motor，various type of rotor are designed to test comparison，after test analysis and data contrast，the optimal scheme is determined.

wind power utilization;overall efficiency;rotor type

X24;TB21

A

1007－4414(2013)05－0001－03

2013－07－24

地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(No.201210361056);安徽省支持本科高校發(fā)展能力提升計(jì)劃過程裝備與控制工程專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目資助

馬寒陽(1992－)，男，安徽宿州人，在讀本科，研究方向:過程裝備及控制工程專業(yè)。