風動能轉化成熱能的效率分析及試驗研究*

馬寒陽，李 坤，王文濤，饒章逸，杜 標

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

風動能轉化成熱能的效率分析及試驗研究*

馬寒陽，李 坤，王文濤，饒章逸，杜 標

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

風能是目前世界上利用率增長較快的綠色能源，但相應的設備不成熟。理論分析表明，在風能利用系統的所有形式中，風能直接熱利用系統的綜合效率最高。通過實驗研究階段可以利用電動機模擬風能產生的動能，設計多種轉子類型進行對比試驗，通過實驗分析和數據對比確定最優選的方案。

風能利用;綜合效率;轉子類型

1 引言

全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。風能是目前世界上利用率增長最快的綠色能源，預計到2020年，風能將成為世界第三大能源［1］。但風能利用存在一些限制及弊端:風速不穩定，產生的能量大小不穩定;風能利用受地理位置限制嚴重;風能的轉換效率低;風能是新型能源，相應的使用設備也不是很成熟。目前風能多用于發電、提水、機械驅動等方面。但對于風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，在風能利用系統的所有形式中，風能直接熱利用系統的綜合效率最高。因攪拌流體制熱的中間媒介最少。由于風能的不穩定性，在實驗研究階段可以利用電動機模擬風能產生的動能，設計多種轉子類型進行對比試驗，通過實驗分析和數據對比確定最優選的方案。

2 動能轉化為熱能的應用方案

2.1 研究現狀

根據熱力學知識，由機械能轉換成熱能時理論效率為100%。理想風力機的轉換效率將近60%，實際用的風力機效率一般僅為理想風力機的70%。而通常風力機提水時的效率只有16%左右，發電時的轉換效率30%，而致熱時的轉換效率高者超過40%。因此，利用風能對水等工質加熱，為溫室、畜禽舍、住宅、養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能積極地開展了風力致熱的研究工作并且己經初見成效。1980年前后，日本以及美國歐洲等國家開始研究風能熱利用技術。日本北海道農業試驗場研制的M°D－3型系統熱轉換效率達到了0.35～0.45，水溫可加熱到80℃，取得了接近實用化的成果。由于系統規模小、部件耐久性差、一次性投資較大以及這些國家能源戰略重點的調整等因素，20世紀90年代以后風能熱利用技術發展緩慢［4］。

風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;電熱致熱是利用風力發電，使電流通過電阻絲發熱，來給空氣或水加熱;太陽能－風能聯合致熱是把太陽能和風能致熱結合起來，互相補充。該致熱方式利用率高，工作時間長，互補性好，節能效果比一般系統更明顯［5］。

其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。目前國內西安交通大學、中國農業大學等高校及一些科研院所對風力致熱技術進行研究。中國農業大學風力致熱的研究重點是液體攪拌致熱，西安交通大學的研究則集中在液體擠壓致熱上。1998年，中國農業大學農村能源研究所對攪拌式風力致熱系統進行了實驗性研究，得出了功率吸收方程和壓力方程，為設計攪拌式風力致熱器提供了一定的理論依據。2002年，中國農業大學研制了一套液體攪拌致熱裝置。試驗人員用變頻電機模擬風車的不同轉速，研究發現在保持風車輸入轉速不變的情況下攪拌裝置內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油液體積越大，則致熱效率越高;在保持攪拌桶內液位高度不變的情況下，風車轉速越高，系統的致熱效率越高。在所測定的轉速范圍內，轉速越高，發熱越快。

表1為中國風能分布區占全國面積百分比，從表中數據看出可利用區域占全國總面積的76%，因此對我國風能的利用進行研究是有必要的［6］。

表1 中國風能分布區占全國面積百分比

2.2 動能轉化為熱能的實驗方案

2.2.1 風力制熱的方式的選擇

通過對幾種方式研究和對比并考慮到裝置的易實現性，通過攪拌液體制熱的方案具有效率高，結構簡單，可行性高等特點，因此選用這種方案作為實驗動能轉化為熱能的最終方案。

2.2.2 工質選擇

致熱工質的選擇是風力致熱裝置設計的重要組成部分，關系到致熱裝置的體積和系統的致熱效率。液體攪拌致熱依靠液體的撞擊摩擦將機械能轉化為熱能。牛頓內摩擦定律揭示由于流體的粘滯性，在相互滑動的各層之間會產生剪應力，亦即流體的內摩擦力，由它們把運動傳遞到各相鄰的流體層，使流動較快的層減速，而流動較慢的層加速，形成按一定規律變化的流速分布。從工質在流動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。

從工質傳遞熱量的角度，W=ρQCPΔT為使工質有較小的體積流量Q，小型化致熱裝置則希望工質有較高密度ρ及較高比熱值CP。此外，風力致熱工質的選擇中還應考慮其價格，高溫下性能的穩定性及安全性，即對人體無毒副作用，對裝置材料無腐蝕等因素。

無論從系統的熱容量考慮，還是從摩擦效果來看，液體工質的致熱效果明顯大于氣體工質，可以排除氣體作為致熱工質的選項。水和油是最常見的液體工質。而水在高溫下會產生水蒸氣，氣體的存在會使致熱裝置在運行中出現振動、氣蝕等不穩定現象。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，風力的工質宜選擇油類，但油類價格較高，不易獲取，不易清潔等問題。

在本次試驗中，考慮到材料的易獲取性，清潔性，和實驗的方便性以及實驗裝置的局限性，實驗中以水作為制熱工質。

2.2.3 實驗裝置簡介

動能轉化為熱能的實驗裝置包括25 W可調速電動機一臺;用來模擬風能轉化成的動能，對流體進行攪拌;2.5 L保溫瓶一個;流體的攪拌容器，用來進行攪拌實驗，減少熱能耗散;自制鐵質框架，如圖1所示，用于固定實驗裝置;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 裝置尺寸和結構圖

圖2 金屬線球實物圖

圖3 葉片3×180°實物圖

圖4 葉片5×180°實物圖

圖5 葉片3×120°實物圖

2.2.4 實驗步驟

實驗前的準備工作:首先將實驗器材按圖紙組裝成實驗裝置;然后用溫度計測量室溫并記錄;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。

實驗正式開始:打開電動機轉動一個小時后關機;隨即立馬取出保溫瓶，并用溫度計測量水的溫度，并記錄;然后換一種攪拌扇葉重復上述步驟。

實驗數據分析階段:將所有數據記錄表格;然后分析數據、得出結論。

通過上述步驟，得出的四組實驗數據結果及對比見表2所列。

表2 實驗數據結果

3 數據處理

3.1 效率計算

根據水高平均值H，可計算出水的質量:

式中:d為保溫杯的內徑;ρ為水在常溫下的密度。

經過計算得:

3.2 效率比較分析

(1)η1＜η2，表明當葉輪轉動速度相同時，葉片縱向密度越多，動能轉化成熱能的效率越高。

(2)η1＜η3，表明當葉輪轉動速度相同時，葉片橫向密度越多，動能轉化成熱能的效率越高。

(3)η1＞η4，表明當葉輪轉動速度相同時，槳葉式葉片比不規則的轉子，動能轉化為熱能的效率越高。

4 結論

(1)通過設計實驗得出數據分析，證明通過風能提供的動能直接攪拌流體制熱，可以達到初步利用效率。

(2)風力直接致熱裝置結構簡單、對風質要求低，風況變化的適應性強，蓄能問題便于解決。

(3)不足之處在于受實驗條件所限，只測量了4組數據，所得出的結論十分有限，需進一步改變葉輪、內部流場結構等來增加轉化效率。

［1］ 王世榮.風力致熱技術及其應用［J］.農村能源，2002，102(02): 28－29.

［2］ 嚴家祿，王永青.工程熱力學［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］ 張玉實，范垂文.風力致熱技術［M］.沈陽:沈陽工業大學出版社，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.風能致熱系統研究［J］.遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2001，20(2):228－230.

［6］ 杜白石.風能與熱利用［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

地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助(No.201210361056);安徽省支持本科高校發展能力提升計劃過程裝備與控制工程專業綜合改革試點項目資助

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。