基于Matlab/Simulink的液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)仿真研究

張曉明,劉曉暢,李洪波

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;2.遼寧省高速公路實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110179)

在能源轉(zhuǎn)型的重要時(shí)期,風(fēng)能作為一種清潔可再生能源,得到越來越廣泛的關(guān)注。我國風(fēng)能資源十分豐富,其中,處于河北北部的張家口市風(fēng)速較大,年平均風(fēng)速可達(dá)6～7 m/s。張家口市最近的幾十年,風(fēng)力發(fā)電量急劇增加,然而風(fēng)力發(fā)電比例的增加也帶來“棄風(fēng)限電”問題,即由于安全控制,電網(wǎng)接入管理等原因?qū)е嘛L(fēng)電不投入電網(wǎng),風(fēng)電機(jī)關(guān)閉的現(xiàn)象[1]。更好地解決“棄風(fēng)限電”,設(shè)計(jì)合理的風(fēng)能利用規(guī)則和機(jī)制十分有必要。開發(fā)風(fēng)力致熱、風(fēng)力提水、風(fēng)能制氫等其他風(fēng)資源利用途徑,可以提高風(fēng)能的利用率,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砝每梢詾槭覂?nèi)供暖提供一種途徑。R.Melissa等[2]對(duì)一種液體攪拌式致熱裝置進(jìn)行研究,為擁有奶牛場(chǎng)的百頭奶牛提供清洗用溫水,冬季也可為牛舍供暖。W.GUNKEL等[3-4]也制造了擠壓液體式風(fēng)力致熱裝置在北海道農(nóng)場(chǎng)使用,為蔬菜溫室大棚供暖。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能其效率可達(dá)到100%,轉(zhuǎn)化效率非常高,并且風(fēng)能直接致熱的多數(shù)致熱器對(duì)風(fēng)的質(zhì)量要求不高,可在風(fēng)速很寬的范圍內(nèi)正常工作[5]。所以,將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成熱能進(jìn)行利用時(shí),這種直接致熱的方式是非常高效的。筆者通過建立液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)的仿真模型,得到了該系統(tǒng)的致熱效率。

1 液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)原理與組成

相比于通過風(fēng)能發(fā)電間接致熱的形式,風(fēng)力直接致熱具有系統(tǒng)總效率高,致熱設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)功率與轉(zhuǎn)速的匹配,對(duì)風(fēng)速有較好的適應(yīng)能力。常用的風(fēng)能直接致熱的裝置有攪拌液體致熱裝置、液壓式致熱裝置、固體摩擦式致熱裝置及壓縮空氣致熱裝置[6-8]。液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)不會(huì)像攪拌液體致熱系統(tǒng)一樣會(huì)產(chǎn)生“空穴”引起構(gòu)件腐蝕,也不會(huì)像固體摩擦致熱系統(tǒng)一樣易導(dǎo)致部件的磨損。所以,筆者將對(duì)可靠性和壽命更高的液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)作為研究對(duì)象。

液壓式風(fēng)力致熱也稱為油壓阻尼孔致熱,通過液體工質(zhì)在風(fēng)力機(jī)、液壓泵、阻尼孔(節(jié)流閥)、換熱器的能量轉(zhuǎn)換,獲得較高溫度的水做室內(nèi)供熱介質(zhì),系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Hydraulic wind—heating system

首先風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能獲得能量,風(fēng)機(jī)獲得的能量以機(jī)械能的方式傳遞給液壓泵。液壓泵中的工質(zhì)選用等壓比熱容小、較高黏度、較高密度的油類。液壓泵將從風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能。之后壓力能通過致熱器,即阻尼孔將油所獲得的壓力能轉(zhuǎn)換為高速噴出的工質(zhì)動(dòng)能。在阻尼孔的輸出端,動(dòng)能通過高速油與低速油的摩擦碰撞轉(zhuǎn)化成熱能使油的溫度升高,最后通過換熱器完成致熱工質(zhì)與水的換熱。

2 液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)建模

2.1 復(fù)合風(fēng)速模型

風(fēng)是空氣流動(dòng)的結(jié)果,在地球上主要表現(xiàn)為大氣環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流和局地環(huán)流。地球上風(fēng)能資源的分布存在差異,同一氣候地區(qū)其小范圍的風(fēng)能資源由于自然地理?xiàng)l件的影響也存在差異。在一個(gè)特定的位置上,一天不同的時(shí)間段風(fēng)速也會(huì)存在有很大的差異。因此,風(fēng)速具有明顯的隨機(jī)性和波動(dòng)性。在風(fēng)力致熱系統(tǒng)中,風(fēng)速作為動(dòng)力源為風(fēng)輪提供能量具有獨(dú)立性,因此建立與實(shí)際風(fēng)速情況接近的風(fēng)速模型是風(fēng)力致熱系統(tǒng)仿真模型建立的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。筆者將使用在風(fēng)速研究中較廣泛應(yīng)用的復(fù)合風(fēng)速模型。

復(fù)合風(fēng)速模型即將實(shí)際組合風(fēng)速分解為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)來模擬實(shí)際風(fēng)況[9]。

ν=νb+νg+νr+νn.

(1)

式中:ν為實(shí)際組合風(fēng)速,m/s;νb為基本風(fēng)速,m/s;νg為陣風(fēng)風(fēng)速,m/s;νr為漸變風(fēng)風(fēng)速,m/s;νn為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速,m/s。

(1)基本風(fēng)

基本風(fēng)可以反映風(fēng)場(chǎng)整體平均風(fēng)速的變化情況,并且風(fēng)力機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速的大小主要是由基本風(fēng)決定的,基本風(fēng)在模型中會(huì)持續(xù)存在,一般將其視為一個(gè)常數(shù)。常數(shù)K與風(fēng)場(chǎng)所在位置有關(guān),通?？捎娠L(fēng)場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得的Weibull分布參數(shù)來近似描述[10]。

νb=K.

(2)

(2)陣 風(fēng)

陣風(fēng)描述風(fēng)速突變情況下的風(fēng)速特點(diǎn),其數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)為余弦特性,數(shù)學(xué)模型為

νg=

(3)

式中:Gmax為最大陣風(fēng)風(fēng)速,m/s;T1g為陣風(fēng)開始時(shí)刻,s;Tg為陣風(fēng)持續(xù)周期,s;t為時(shí)間,s。

(3)漸變風(fēng)

漸變風(fēng)描述風(fēng)的漸變特性,可以將漸變風(fēng)按照不同時(shí)間段的線性變化分為初始階段、漸變段和持續(xù)階段。漸變風(fēng)由零逐漸增大,升高至最大值后保持一段時(shí)間,其數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中:Rmax為最大漸變風(fēng)風(fēng)風(fēng)速,m/s,若Rmax>0,表示風(fēng)速線性增加,若Rmax<0,則風(fēng)速線性減小;T1r為漸變風(fēng)風(fēng)開始時(shí)刻,s;T2r為漸變風(fēng)風(fēng)結(jié)束時(shí)刻,s;Tr為漸變風(fēng)保持時(shí)長(zhǎng),s。

(4)隨機(jī)風(fēng)

隨機(jī)風(fēng)表示的是特定高度上風(fēng)速變化的隨機(jī)性,又稱為噪聲風(fēng)。其數(shù)學(xué)模型的定義式為[11]

vn=NmaxRam(-1,1)cos(ωvt+φv).

(5)

式中:Nmax為隨機(jī)風(fēng)的最大風(fēng)速,m/ s;Ram(-1,1)為-1和1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù);ωv為風(fēng)速波動(dòng)的平均距離即振幅,rad/s,一般的取值為 0.5～2π;φv為0～2π均勻分布的隨機(jī)變量。

將各個(gè)風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型結(jié)合,附上風(fēng)速條件即可得到對(duì)應(yīng)的組合風(fēng)速的模型和仿真結(jié)果。風(fēng)速條件以風(fēng)能資源豐富的河北省內(nèi)陸地區(qū)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)量結(jié)果[12]為基礎(chǔ)設(shè)置,河北省內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)速的日變化普遍在清晨后達(dá)到一日的最小值、午后達(dá)到一日的最大值,呈現(xiàn)出午后大、早晨小的單峰型特征。內(nèi)陸冬季最大風(fēng)速時(shí)間為16:00后,最小風(fēng)速時(shí)間為8:00左右。模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置:基本風(fēng)設(shè)為常數(shù)值4.5 m/s,陣風(fēng)從上午10:00即模型中的36 000 s發(fā)生后持續(xù)作用在仿真全過程中,漸變風(fēng)約從14:00即模型中的50 405 s開始作用,10 s后達(dá)到最大值,再保持5 s,以此為漸變風(fēng)的一個(gè)循環(huán)周期,循環(huán)5 min,陣風(fēng)及漸變風(fēng)的最大值都設(shè)定為1 m/ s,整體的仿真時(shí)間為 86 400 s。圖2為搭建的一個(gè)周期內(nèi)漸變風(fēng)風(fēng)速模型。圖3為以張家口地區(qū)風(fēng)速情況為基本信息搭建的組合風(fēng)速仿真模型。該組合風(fēng)速模型可以實(shí)現(xiàn)四種基本風(fēng)速的任意組合,可模擬多個(gè)過程且簡(jiǎn)單方便。

圖2 一個(gè)循環(huán)周期的漸變風(fēng)風(fēng)速模型Fig.2 Gradual wind speed model in one cycle

圖3 組合風(fēng)速仿真模型Fig.3 Simulation model of combined wind speed

2.2 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力致熱系統(tǒng)的動(dòng)力源,將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。先是利用風(fēng)輪捕捉和吸收風(fēng)的動(dòng)能,然后將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,并由風(fēng)輪軸輸送到傳動(dòng)裝置,再經(jīng)傳動(dòng)裝置送給做功裝置來完成發(fā)電、提水、致熱等過程。根據(jù)風(fēng)輪軸與地面的相對(duì)位置和風(fēng)輪葉片工作原理,可將風(fēng)力機(jī)分為水平軸升力型和垂直軸阻力型兩大類,筆者以應(yīng)用較普遍的水平軸升力型風(fēng)力機(jī)為模型建模。

風(fēng)輪的特性參數(shù)主要包括風(fēng)輪的功率、葉尖速度比及風(fēng)能利用系數(shù)。

(1)風(fēng)輪的功率

將風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并由風(fēng)輪軸輸出的功率稱為風(fēng)輪功率。

(6)

式中:P為風(fēng)輪功率即輸出功率,W;P′為1 s內(nèi)流向風(fēng)輪的空氣所具有的動(dòng)能,W;CP為風(fēng)能利用系數(shù),風(fēng)能利用系數(shù)存在一個(gè)最大值,貝茲極限證明了理想風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593,工程上的最大值一般不大于0.5[13];ρ為風(fēng)輪所在地區(qū)空氣密度,kg/m2;R為風(fēng)輪半徑,m;V為風(fēng)速,m/s。

由式(6)可以知風(fēng)輪功率與風(fēng)輪的葉片數(shù)并無直接關(guān)系,風(fēng)輪功率與風(fēng)能利用系數(shù)成正比。因此當(dāng)風(fēng)輪大小一定,風(fēng)速一定時(shí),應(yīng)盡可能提高風(fēng)能利用系數(shù),增加風(fēng)輪功率。

(2)葉尖速度比

風(fēng)輪的葉尖速度比簡(jiǎn)稱尖速比λ,表示風(fēng)輪葉片葉尖線速度與來流風(fēng)速之比。

(7)

式中:ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,r/min。

風(fēng)輪在相應(yīng)的最佳尖速比λopt工作時(shí),具有最大的風(fēng)能利用系數(shù)。若λopt<3,稱為低速風(fēng)輪,反之則稱為高速風(fēng)輪。

(3)風(fēng)能利用系數(shù)

來流風(fēng)速通過風(fēng)輪時(shí)會(huì)受到風(fēng)輪葉片阻擋被向外擠壓,繞過風(fēng)輪空氣能量未能被利用,只有通過風(fēng)輪截面的氣流可釋放所攜帶的部分動(dòng)能,空氣流束能量分配如圖4所示。

圖4 風(fēng)輪前后空氣流束能量分配示意圖

風(fēng)能利用系數(shù)CP就是用來表示風(fēng)輪從通過的空氣動(dòng)能中被捕獲利用轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部分。風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性可以由生產(chǎn)廠家得到參數(shù)關(guān)系表格,但是為了便于Simulink的執(zhí)行,特性參數(shù)即風(fēng)能利用系數(shù)[14]可以看作是與葉尖速λ與葉輪槳距角β有關(guān)的參數(shù)。其中,葉輪槳距角為葉片的翼型的弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角。

(8)

(9)

式中:當(dāng)β為0時(shí),C1=0.517 6,C2=116,C3=0.4,C4=5,C5=-21,C6=0.006 8。

由式(8)計(jì)算可得,當(dāng)β恒定時(shí),即使是在不同的風(fēng)速下,只要能夠保持風(fēng)力機(jī)在最佳葉尖速比λ下運(yùn)行,就可以保證風(fēng)力機(jī)達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax(λopt,β)。經(jīng)計(jì)算:當(dāng)β為0時(shí),λ、Cp關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)力機(jī)性能曲線Fig.5 Performance curve of the wind turbine

在最佳葉尖速比λ=8.1下運(yùn)行,風(fēng)力機(jī)可達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax約為0.48。

風(fēng)輪的功率、轉(zhuǎn)矩、風(fēng)能利用系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)等與葉尖速比或轉(zhuǎn)速的關(guān)系稱為風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。風(fēng)輪功率不僅可以用式(6)表示,還可表示為

P=T·ω.

(10)

式(6)與式(10)并列可得:

(11)

式中:CT為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù),反映了風(fēng)輪的起動(dòng)性能,轉(zhuǎn)矩系數(shù)越大風(fēng)力機(jī)越容易起動(dòng)。

利用式(6)、(7)、(11)可建立風(fēng)力機(jī)的仿真模型如圖6所示。

圖6 風(fēng)力機(jī)仿真模型Fig.6 Simulation model of wind turbine

2.3 致熱系統(tǒng)模型

致熱系統(tǒng)包括液壓泵、致熱器、換熱器3個(gè)設(shè)備,液壓泵用來為液壓油提供動(dòng)力,致熱器與換熱器為主要的產(chǎn)熱及換熱設(shè)備。致熱工質(zhì)選擇了黏度較高、黏性較大的液壓油,液壓油在運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力較大,易產(chǎn)生更多的熱量,可以吸收更多的機(jī)械能。另外液壓油的比熱容較小,可以使溫度快速升高。良好的防腐蝕性及高溫穩(wěn)定的抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)說明液壓油作為致熱工質(zhì)是較為合適。液壓油的安全工作溫度為40～85 ℃[15],溫度過低時(shí),液壓油黏度增加,流動(dòng)性變差甚至結(jié)塊,使系統(tǒng)效率下降;超過90 ℃時(shí),液壓油易積碳變質(zhì),造成其油膜強(qiáng)度減弱使黏度發(fā)生變化,導(dǎo)致摩擦力急劇增加,加速零件的窘損。

2.3.1 致熱器模型

在致熱器節(jié)流孔大小不變的情況下,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[16-19]擬合得到風(fēng)力機(jī)經(jīng)增速機(jī)構(gòu)后即液壓泵的轉(zhuǎn)速n′與致熱器致熱效率η的關(guān)系近似于對(duì)數(shù)關(guān)系式為

(12)

液壓泵和致熱器能量轉(zhuǎn)換過程的數(shù)學(xué)方程:

(13)

式中:Q為流量,mL/min;n′為液壓泵的轉(zhuǎn)速,r/min;PH為致熱器功率,kW;M為加熱液壓油質(zhì)量,kg;ΔT為致熱器進(jìn)出口液壓油溫差,℃;cp1為液壓油定壓比熱容,J/(kg·K);η為致熱器致熱效率,%;

設(shè)計(jì)加熱的液壓油油箱體積為4 m3,液壓油質(zhì)量3 440 kg。為滿足液壓油的安全工作溫度需設(shè)定加熱至80 ℃后保持相對(duì)恒溫狀態(tài)。根據(jù)式(13),可建立致熱器仿真模型。

2.3.2 基于PID控制的換熱器模型

采用PID控制算法利用SIMULINK工具構(gòu)建殼管換熱器系統(tǒng)仿真模型。管殼式換熱器具有易于制造、生產(chǎn)成本較低、處理量較大,能夠承受高壓、高溫的優(yōu)點(diǎn),換熱器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 換熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Heat exchanger structure diagram

冷熱流體通過管壁實(shí)現(xiàn)熱交換,冷水從換熱器上部接管2流入,在管程內(nèi)流動(dòng)的熱油對(duì)冷水進(jìn)行加熱,冷水被加熱至所需值后從下方接管1流出。其中,熱油從接管3流入,接管4流出。在理想情況下,不考慮散熱情況時(shí)換熱器的基本熱量方程:

(14)

在工業(yè)生產(chǎn)中,傳熱設(shè)備的運(yùn)行工況必須不斷調(diào)節(jié)來與生產(chǎn)負(fù)荷變化相匹配。所以換熱系統(tǒng)是一種大慣性、大時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng),很難建立數(shù)學(xué)模型描述具體傳熱過程中的溫度變化,只能以加熱介質(zhì)流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)。在工程實(shí)際中,應(yīng)用最廣泛的換熱器控制規(guī)律為比例、積分和微分控制,簡(jiǎn)稱PID控制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 PID control system structure diagram

PID 控制的關(guān)鍵在于參數(shù)kp、ki、kd的鑒定選擇,換熱器作為典型的熱工系統(tǒng),要達(dá)到快速升溫、超調(diào)小和穩(wěn)定保溫的技術(shù)要求。最終得到以下一組參數(shù),kp=2.3,ki=0.092,kd=15可得到符合要求的控制性能。筆者控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)采用低階近似的一階滯后環(huán)節(jié)來近似描述并結(jié)合Cohn-Coon[17]公式得:

(15)

式中:K為放大系數(shù);T為時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)式(14)換熱器的數(shù)學(xué)方程及對(duì)PID控制系統(tǒng)的構(gòu)建,就可以建立的換熱器水溫控制仿真模型。

將建立的組合風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、致熱器模型及換熱器模型4個(gè)子系統(tǒng)模塊進(jìn)行模塊化封裝得到最后的液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)模型(見圖9)。其中kopt為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與主導(dǎo)風(fēng)速之間的最佳比例系數(shù),最佳比例系數(shù)的確定可以使風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax(λ,β)達(dá)到最佳。

圖9 液壓式風(fēng)力致熱仿真模型Fig.9 Simulation model of hydraulic wind-heating system

3 仿真結(jié)果

通過Matlab/Simulink建立了液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)仿真模型,仿真模型設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 液壓式風(fēng)能致熱模型參數(shù)Table 1 Parameter of hydraulic wind-heating model

建立的組合風(fēng)速模型可得到24 h內(nèi)的風(fēng)速仿真曲線(見圖10)。上午風(fēng)速較平穩(wěn),

圖10 組合風(fēng)速仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of combined wind speed

在平均風(fēng)速左右波動(dòng),從13:00開始風(fēng)速逐漸增加,在17:00達(dá)到最大值6.5 m/s后風(fēng)速呈衰減趨勢(shì)。24 h內(nèi)的風(fēng)速變化與張家口市一天內(nèi)實(shí)際風(fēng)速變化特征相吻合,呈單峰型。貼合實(shí)際的模型建立也為風(fēng)能致熱系統(tǒng)的模型建立提供了良好的基礎(chǔ)。

在仿真模型中調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度與主導(dǎo)風(fēng)速之間的比例系數(shù)為0.81,可實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能捕獲,此時(shí)λ與Cp的仿真結(jié)果與式(8)計(jì)算的結(jié)果基本一致,即在最佳葉尖速比λ=8.1下運(yùn)行,風(fēng)力機(jī)達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax約為0.48。風(fēng)力機(jī)輸出功率如圖11所示。風(fēng)力機(jī)的輸出功率能夠很好地跟蹤風(fēng)速的變化,風(fēng)速的瞬時(shí)變化對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率影響較大,在實(shí)際中可以依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定范圍內(nèi)風(fēng)速的捕獲,使風(fēng)力機(jī)的輸出功率保持穩(wěn)定。

圖11 風(fēng)力機(jī)參數(shù)與風(fēng)速關(guān)系

設(shè)置初始油溫為10 ℃,經(jīng)致熱器后液壓油的溫度變化情況如圖12所示。經(jīng)過約17 h可將4 m3的液壓油加熱至安全工作溫度下的最高溫度80 ℃,且單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化與風(fēng)機(jī)功率變化一致,12:00之后溫度變化開始加快。

圖12 致熱器內(nèi)液壓油溫度變化

換熱器水溫控制仿真曲線及相對(duì)應(yīng)的液壓油溫度變化如圖13所示。設(shè)定冷流體入口溫度7 ℃,分別設(shè)定冷流體出口溫度為18 ℃、19 ℃和20 ℃,得到相應(yīng)的熱流體溫度變化,當(dāng)設(shè)置冷流體出口溫度為20 ℃時(shí),存在熱流體溫度低于冷流體溫度情況,這顯然不合理。所以,在筆者設(shè)計(jì)參數(shù)下,換熱器可使初溫為7℃的冷流體最高換熱至19 ℃。

圖13 換熱器內(nèi)溫度變化Fig.13 The temperature change in the heat exchanger

4 結(jié) 論

(1)建立的組合風(fēng)速模型在24 h內(nèi)的風(fēng)速變化與實(shí)際風(fēng)速變化特征相吻合,該模型可應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)速仿真中,準(zhǔn)確度較高。

(2)為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大功率的風(fēng)能捕獲,需要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度與主導(dǎo)風(fēng)速之間的比例系數(shù)使變速風(fēng)力機(jī)保持在最佳葉尖速比的情況下運(yùn)行。最佳比例系數(shù)可在建立的風(fēng)力機(jī)仿真模型中輸入各參數(shù)后確定,筆者所建立的風(fēng)力機(jī)模型最佳比例系數(shù)為0.81。

(3)建立的風(fēng)力致熱系統(tǒng)仿真模型,可以更直觀地反映液壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)各部件的參數(shù)關(guān)系及產(chǎn)生的致熱效果。在風(fēng)機(jī)最大輸出功率為30 kW時(shí),系統(tǒng)平均致熱功率為7.8 kW,最大致熱效率為55.8%。該數(shù)據(jù)可為風(fēng)力致熱系統(tǒng)在供熱中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。