加大風力致熱及其儲能技術的研發(fā)力度

王祖明 王祖敏 王文蔚

1.中國人壽江蘇省海安支公司

2.南京東華汽車裝備有限公司

3.江蘇省海安縣政協(xié)

20世紀80年代的中后期，歐美日加等國對風能利用的另一項重大技術——風力致熱及其儲能開始研究，并取得一些成果，有的成果已經(jīng)進入試驗、示范和實用階段。我國西安交通大學、沈陽工業(yè)大學、中國農業(yè)大學、中國農業(yè)機械化研究院、呼和浩特畜牧機械研究所等單位，對風力致熱及其儲能的原理和裝置進行了比較系統(tǒng)的研究，取得了一批可喜的成果[1]。

1 加大風力致熱的研究力度

1.1 風力致熱技術優(yōu)勢顯而易見

在風力發(fā)電、風力提水已經(jīng)廣泛應用的今天，為什么還要投入人力、財力研究開發(fā)風力致熱及其儲能技術？首先是因為風力致熱的能量轉換效率高（見表1），其次是風力致熱能夠容忍風能的隨機性、間歇性和波動性，對風況變化的適應性強，儲熱問題簡單容易解決，風力致熱及其儲能裝置結構簡單成本較低。另外，致熱器的功率和轉速的關系特性與風力機風輪和轉速的關系特性比較接近，容易實現(xiàn)比較合理的匹配。

表1 不同風能利用裝置的變換、儲存效率及裝置總效率的比較表[2]單位：%

風力致熱的優(yōu)點顯而易見，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，對熱能的需求越來越多，開發(fā)風力致熱技術應用于生活供暖及農業(yè)生產等，具有廣闊的發(fā)展前景。

該表的數(shù)據(jù)來源于：蘇亞欣等編著的《新能源與可再生能源概論》187頁（化學工業(yè)出版社2006年3月出版）；王士榮等編著的《風力提水與風力致熱》168頁（科學出版社2012年1月出版）：“系統(tǒng)總效率一般可達30%左右，比間接致熱裝置的總效率高。”李華山等撰寫的調研報告《我國風力致熱技術研究進展》（太陽能雜志2009年第9期）：“通常風力提水時的效率只有16%左右，發(fā)電時的轉換效率為30%，而風力致熱的轉換效率可以達到40%”。來自3處的數(shù)據(jù)有所不同，可能是由于實驗方法不同等原因引起，但并不妨礙風力致熱裝置總效率高的結論。

根據(jù)熱力學定律，由高品位能量到低品位能量的轉換，其理論轉換效率可達100%，所以風力機的機械能轉換成熱能，其理論轉換效率可達100%。

1.2 用熱項目發(fā)展前景廣闊

在日常生活中的供暖及農林牧副漁業(yè)生產及其加工過程中，以熱的形式加以利用的能量很多，約占總消耗能量的60%以上。尤其在高緯度地區(qū)的秋冬和初春季節(jié)，需用的熱能更多。在高緯度地區(qū)的秋冬和初春季節(jié)往往是風力比較旺盛的時期，把風能轉換成熱能加以利用，能充分利用這些豐富的風力資源。

據(jù)不完全統(tǒng)計農村利用熱能的總量已經(jīng)達到農村能源消費總量的60%以上。我國農村能源消費總量接近全社會能源消費總量的10%，也就是農村利用熱能的總量約為全社會能源消費總量的6%。2013年我國全社會能源消費總量為36億t標煤，其中農村熱能消費2.16億t標煤，這是一個不小的數(shù)字。可見，利用風力致熱可以節(jié)省大量化石燃料，可以減少大量CO2等溫室氣體和有害物質的排放，對緩解能源和環(huán)境壓力意義重大。

1.3 我國風能可利用資源多

風能是空氣的動能，是指風所負載的能量，風能的大小決定于風速和空氣的密度。但風作為一種能量資源來開發(fā)利用，必須具備3-20m/s風速，相當于3～9級風力。低于3 m/s時，它的能量太小，沒有利用價值；風速大于20 m/s時，對設備的破壞性大，很難利用。風能功率密度在50 W/㎡左右時，一般不能利用。我國可利用的風力資源區(qū)域占全國國土面積的76%，所以在我國風能利用的潛力巨大，前景廣闊。特別是我國的三北（東北、華北、西北）地區(qū)風力資源豐富。風能功率密度在200～300 W/㎡以上，有的地方可達500 W/㎡以上。可利用小時數(shù)在5 000 h以上，有的地區(qū)可達7 000 h以上。我國沿海及其島嶼風力資源也十分豐富，年有效風能功率密度在200 W/㎡以上，有的地區(qū)可達500 W/㎡以上，可利用小時數(shù)約在7 000～8 000 h。風力資源十分豐富，應加大開發(fā)利用的力度。

2 風力致熱及其儲能技術

2.1 風力致熱

風力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱4種。另外還有液體耦合器式致熱、電熱致熱、壓縮空氣致熱、熱泵等致熱方式。目前研究較多的液體攪拌致熱和液體擠壓致熱技術簡介如下。

（1）液體攪拌致熱。液體攪拌致熱是在風力機的轉軸上裝一個攪拌轉子，轉子上有葉片，將攪拌轉子置于裝滿液體的攪拌罐內，罐的內壁上也裝有葉片為定子。當風力機帶動轉子葉片轉動時，轉子攪拌液體，液體在轉子葉片、定子葉片及容器壁之間形成渦流；并不斷撞擊、摩擦，將機械能轉化為熱能，提高液體溫度。當罐內的液體達到所需溫度時，用冷的液體將熱的液體送入熱水容器中儲存?zhèn)溆茫瑥亩玫剿璧臒崮堋Ｒ后w攪拌致熱器容易制造，無易磨損件，對載熱介質無嚴格要求，可以用普通的水作為介質。在整個工作過程中，將投入的能量全部轉換為熱能，能很好地與風力機輸出功率特性相匹配，功率系數(shù)大。

（2）液體擠壓致熱。這是一種利用油壓泵和阻尼孔相配合獲得能量的方式。風力機驅動油壓泵旋轉，把機械能轉換為油的壓力能，使獲得壓力能的油從狹小的阻尼孔高速噴出，高速噴出的油與尾流管中的低速油相沖擊。油液高速通過阻尼孔時，由于分子間互相沖擊，摩擦而加速分子運動，油液的動能變成熱能，油溫上升。由于是液體間的沖擊和摩擦，故致熱器不存在磨損和燒損等問題，因此，液體擠壓致熱器的可靠性較高，使用壽命較長。

2.2 儲能技術

風力致熱的原動力來自風，其致熱量完全取決于當?shù)禺敃r的風況。而風力資源有季節(jié)性變化，分布不均勻。風力致熱器的年有效利用時間由自然規(guī)律決定，在風速過大、過小或無風的情況下都不能工作。風速小的時候，可能出現(xiàn)致熱功率不足的問題。風速過大時，可能導致設備損壞。因此要想將風力致熱產生的熱能大規(guī)模應用于生活供暖和農業(yè)生產，就必須進行熱能的儲存，以備風力致熱器不能正常工作或無風時使用。此外，風能與太陽能聯(lián)合致熱可以解決風力分布不均勻的問題，減少風力致熱系統(tǒng)儲熱裝置的投資。

風能和太陽能雖然取之不盡、用之不竭、清潔、可再生，但這都是自然過程形成的能量，具有隨機性、間歇性和波動性。由于風能實質是由太陽能生成的，它們之間就具有了天然的互補性[4]。特別是我國的三北地區(qū)，冬春兩季風力大，夏秋兩季太陽輻射強。風能和太陽能聯(lián)合應用與致熱，基本上可以克服由于風能的季節(jié)性變化而造成的能量不均衡的缺陷，利用率高，工作時間長，節(jié)能效果比一般系統(tǒng)更顯著。

熱能儲存主要有顯熱儲存、潛熱儲存和化學儲存3種方式[3]。

顯熱儲存是所有熱能儲存方式中原理最簡單、技術最成熟、材料來源最豐富、成本最低廉的一種。顯熱儲存又可以分為液體顯熱儲存和固體顯熱儲存兩類。

液體顯熱儲存的多種材料中，水是最常用的，常用于低溫儲熱。

固體顯熱儲存的材料有巖石、土壤、氧化鎂、氧化鋁、鐵等，它們都可以作高溫顯熱儲存材料。

潛熱儲存也稱相變儲存，物質從固態(tài)轉為液態(tài)，由液態(tài)轉為氣態(tài)，或由固態(tài)直接轉為氣態(tài)時，吸收相變熱，逆過程時，則釋放相變熱。

化學儲存是利用化學反應熱的儲熱方式。化學儲存的熱能可以存放很長時間，幾乎沒有熱量散失。

顯熱儲存和有些低溫潛熱儲存方式在技術上比較成熟，已達到了實用地步。中、高溫潛熱儲存技術尚待完善，而化學儲存技術基本上還處于實驗室研究階段。

3 國內外風力致熱裝置研發(fā)概況[3]

丹麥皇家農牧大學研制的液體攪拌致熱裝置，風輪直徑為6 m，當轉速為400 r/min時,致熱器吸收功率為4～10kW。試驗表明，當致熱器內的水量為135 L時,當?shù)啬昶骄L速在6 m/s左右的情況下，全年可產出25 000 kWh的能量。

美國愛荷華州的一家農場安裝了1套液體攪拌致熱裝置，為雞舍供暖，儲熱水箱容積為2 270 L,換熱總功率為78 kW,其中32%由風力致熱裝置提供，其他熱量及無風天時，由電網(wǎng)提供熱能。

愛荷華州大學為當?shù)剞r村設計的液體攪拌致熱裝置輸出功率為500 kW，為農戶供應熱水可滿足70%左右熱水供應。

美國馬薩諸塞大學建造了一種風能與太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)，風力發(fā)電機的風輪直徑為10 m，在42 km/h的風速下，能產生37 kW功率。晴天，太陽能熱水器將來自風力致熱裝置的溫水再加熱，被加熱的水儲存在地下室的水泥儲水罐內，需要時用泵將熱水送至校區(qū)熱水供應處使用。

日本津島廠制造的是液體擠壓致熱裝置，該裝置有風力機、致熱器和儲熱設備，風輪直徑為10 m，在平均風速為5～6 m/s時，經(jīng)過10 h運行，能將3m3的水從15℃提升到40～50℃。產品已在北海道農場使用，為蔬菜溫室供暖。在青森縣車力村為冬季的花卉溫室供暖。在無風的天氣，用鍋爐燒稻殼產生熱風與熱水供暖，風力致熱裝置與燒稻殼的鍋爐聯(lián)合運行，保證了1 000 m2溫室溫度不低于15℃。日本秋田縣有一套壓縮空氣風力致熱裝置為溫室供暖，風輪直徑為14 m，風輪額定轉速為87 r/min，平均輸出功率為22 kW，當室外氣溫為-5℃時，140 m2的溫室的溫度不低于15℃。

日本小松制造廠生產的液體攪拌致熱裝置，安裝在靜岡縣大仁鎮(zhèn)，風輪直徑為15 m，額定風速為8 m/s時，此刻風輪轉速為72 r/min，輸出功率為25 kW。用于鰻魚養(yǎng)殖，取得較好的經(jīng)濟效益。

英國風能資源公司研制的風力致熱裝置，風輪直徑為3 m、5 m、7m、18 m等4種，風輪直徑為18 m，用于2 000 m2的溫室供暖效果良好。

荷蘭一種風力機風輪直徑為16.5 m的液體攪拌致熱裝置，其工作介質是水，運行時水溫可升至80～90℃。該風力致熱裝置每年生產的熱能相當于12 000 m3天然氣燃燒后產生的熱量。

據(jù)荷蘭有關部門統(tǒng)計，在冬季給溫室供暖的能量，若30%由風力致熱提供，則每年可節(jié)省天然氣4億m3，可以推斷，荷蘭的風力致熱系統(tǒng)每年大概應產出近20億kWh的能量供給溫室采暖。

沈陽工業(yè)大學研制的液體擠壓致熱裝置，風力機風輪直徑為16 m，額定網(wǎng)速為8 m/s,塔高18 m，風輪軸與傳動軸的增速比為3:1，風力機的額定輸出功率為20 kW，致熱器為油壓阻尼式，工作介質為30號液壓油，儲熱器采用氯化石蠟為儲熱介質，容積為1.25 m3，總儲能量為3.0×105 kJ，換熱能力為4.18×104 kJ/h。

目前，中國農大、西安交大、中國農機研究院、呼和浩特畜牧機械研究所等高校和科研單位的風力致熱裝置主要用于牛奶保鮮及為奶牛場供應熱水，干燥玉米棒、人參等，為沼氣池增溫和給浴室供應熱水，風能與太陽能聯(lián)合致熱為室內供暖，風能和太陽能聯(lián)合致熱進行海水淡化等。

4 我國與發(fā)達國家差距不大，可以做出更多貢獻

歐美等發(fā)達國家對風力致熱的研究，開始于20世紀80年代的中期，但是國外有關風力致熱的較詳細原理及技術報道較少。沈陽工業(yè)大學熱能研究所于1985年研制了一臺20 kW的油壓式風力致熱系統(tǒng)[1]。1990年吳書遠等通過理論研究推導出了風力機與致熱器之間在額定工況下達到最佳匹配的理論公式，并指出無論風速如何變化，風力致熱器總可以較好地吸收風能；風力機與致熱器的最佳匹配條件，可以作為液壓式致熱元件設計的參考公式。并研制出一種致熱的關鍵元件——多級節(jié)流孔板。1998年，中國農業(yè)大學能源研究所對攪拌式風力致熱系統(tǒng)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數(shù)據(jù)，還給出了攪拌式風力致熱器的設計方法及相應的計算機設計程序[1]。西安交大、中國農機研究院、呼和浩特畜牧機械研究所等單位都對風力致熱進行了研究開發(fā)、試驗、示范。

[1]李華山,馮曉東,劉通調研報告《我國風力致熱技術研究進展》，太陽能雜志社.2008.9

[2]蘇亞欣,毛玉如,趙敬德《新能源與可再生能源概論》，化學工業(yè)出版社.2006.3

[3]王世榮,沈德昌,劉國喜《風力提水與風力致熱》，科學出版社.2012.1

[4]吳佳梁,曾贛生,余鐵輝等《風光互補與儲能系統(tǒng)》，化學工業(yè)出版社.2012.5