渦流法在風力致熱上的應用

陳垂燦，陳家權，劉曉紅

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

根據熱力學第二定律，其他形式的能轉變成熱能，其效率能達到100%[1]。理想風力機的轉換效率接近60%，實際應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，發電時的轉換效率為30%，而風力致熱的轉換效率可以達到40%[2]。風能熱利用系統中熱能轉換設備的熱轉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。

風能轉變成熱能具有能量轉化損失小的優勢，隨著緯度的升高，寒冷地區的冬季風越強，因此把冬季的風能轉變成熱能以獲取暖或加溫等熱能源的設備是最好的節能方法之一[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軸驅動轉子，將相應的永磁體安裝在轉子軸上，永磁體隨著轉子轉動產生旋轉變化的磁場，定子處在旋轉的磁場中切割磁力線，產生渦電流，并在定子中產生電阻熱。

根據加熱的機理，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，當轉速一定時，熱功率P與穿過金屬導體的磁感應強度B的平方成正比。根據電磁感應加熱的機理可知：

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材料。

渦流致熱是利用導體切割磁力線，形成渦電流而產生熱的一種致熱方式。由于渦流的趨膚效應，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。

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

轉子的負載主要由轉子盤和附在轉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之一[5]。B為磁通密度，H為對應的磁場強度。

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，采用調速電機模擬風力機在不同工況下的輸出特性。該系統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，改變調速電機的轉速，從而模擬風車在各種不同轉速的工況。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由電機驅動，轉子盤2固定在轉軸1上隨著傳動軸一起轉動。釹鐵硼永磁體3按照圖1左圖所示布局鑲裝在轉子盤2上，磁鐵極性是相異的，發熱盤4選取金屬鐵板與轉子盤相對。

圖1 渦電流致熱器

3 實驗測得的致熱規律

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，轉速不同的情況下，鐵板的溫升情況。

根據不同的轉速在相同的間距下產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定值。

在轉速相同的情況下，調節不同的間隙溫度的變化如圖3所示。

圖2 不同轉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熱量，必須調節合理的間隙，并在一定的轉速條件下運行[6-7]。

根據實驗可以得到如下結論：

1）在同一間隙下,轉速越高,則溫度系數越高,即系統的發熱越快。致熱裝置的加熱板溫度越高,溫度系數越低,發熱越慢。

2）在同一轉速下,致熱裝置內間隙越小,溫度系數越高,發熱越快。

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

4 渦流風力致熱的熱功率計算

根據加熱板溫升20益的情況來計算功率的轉換效率。

加熱板上升20益所需要的能量

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

式中，T為轉矩，N·m；n為轉速，r/min。加熱板在轉速為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

其中轉矩

式中，R為轉矩半徑，m。

同樣計算方法，得出轉速在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%。

不同轉速條件下的熱功率變化規律如圖4所示。

5 結論

此加熱方式由垂直軸的風力機驅動帶有磁體陣列的轉子盤，轉子盤旋轉產生變化的磁場，處在變化磁場中的金屬板產生渦流熱，由此將風能直接轉變為熱能。經過實驗驗證，金屬發熱板的渦流熱功率P隨轉子轉速增加而升高，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速下的熱功率

渦流風力致熱法的發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，獲得的轉速n越大，所獲得的熱效率越高。通過提高轉速，可以提高系統的風能利用效率，但由于致熱需要較多的能量，因此風力致熱系統必須采用具有較高額定轉速的風車，需要選取高磁能積的永磁材料，設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.風輪機及其在農業中的應用[J].可再生能源，1988，12（6）：22.

[3]牛山泉，劉薇，李巖.風能技術[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.實用磁路設計[M].北京：國防工業出版社，45-47.

[6]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.

[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].農村能源，1992，16（1）：16-18.