一種風能濃縮與產熱機組的設計探討

王娜娜++林美娜

摘 要：本文針對現有風能制熱系統、原理、方法中存在的實際應用效率低下和無法實現直接用熱的問題，提出一種風能濃縮與產熱的機組及其運行方法。解決了現有的風能制熱方法存在的工程應用效率低下以及無法直接實現產熱的問題。

關鍵詞：風能濃縮與產熱 產熱部件 能量濃縮器 相變材料

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0006-02

在風力資源豐富的地區，許多設備采用風能發電、提水、研磨稻谷等。然而，風能制熱由于無法像發電那樣易于傳輸而沒有受到足夠的重視。實際上，相比風能發電，風能制熱的效率更高，結構也更簡單。但是現有的風能制熱系統存在嚴重的不足，主要表現在：實際效率低下；無法實現直接用熱。

現有的風能制熱系統實際效率低下的主要原因是由風能本身的特點決定的：能流密度低；間歇性；不穩定。無法直接用熱的主要原因是產熱效率低下。因此，如何將能流密度不高的風能加以濃縮后利用，是目前風能制熱的主要課題。筆者提供一種風能濃縮與產熱的機組[1]，機組采用獨特的運行方法，適用于我國西北、東南沿海等多風地區。在西北地區，可以為牧民提供生活、畜牧用熱水；在東南沿海，不僅可以用于生活熱水，更適于水產養殖，水產低溫烘干等用熱水。

1 一種風能濃縮與產熱的機組

風能濃縮與產熱機組的原理圖如圖1所示，機組主要由迎風葉片、產熱部件（阻尼管）[2]、能量濃縮器（蓄能換熱器）[3]、油壓泵和其它管路配件、支架燈組成。

機組的油壓泵直接由轉動的迎風葉片驅動；產熱部件采用特制的阻尼管，可由銅、硬鋁或不銹鋼制成，外包保溫層，產熱部件局部示意圖見圖2；能量濃縮器包括金屬外殼、底座、制熱油管路、取熱介質管路、相變材料填充空間、帶有相變材料注入孔和排空口的頂板、外保溫層，能量濃縮器局部示意圖見圖3。頂板和底座采用上下平行設置。迎風葉片安裝在支架桿的上端，支架桿下端傳動連接油壓泵，油壓泵由底座固定于地面。產熱部件安裝在油壓泵壓出端，兩者之間由管道連接。能量濃縮器安裝在產熱部件下游并由管路連接。產熱部件及其下游管路以及能量濃縮器的金屬外殼必須確保保溫效果良好，防止熱損失。制熱流體管路與取熱介質管路在金屬外殼內部呈正三角形叉排，管路與金屬外殼之間的空間由填充相變材料，充注口一般采用機械密封。

能量濃縮器中制熱管內的循環工質，應采用比熱容小于1.8的低粘度微膨脹牛頓流體，例如蓖麻油。要求該流體對大多數金屬材料無腐蝕性；無毒；應用溫度范圍內物理化學性質穩定，無相變；燃點高；閃點高；爆炸極限高。

取熱管內的循環工質，可以是水，以直接提供熱水；也可以是其它工質，例如制冷劑。如此一來，能量濃縮器就可充當制冷循環中的蒸發器，作為低位熱源使用。

2 一種用于風能濃縮與產熱的方法

風能濃縮與產熱的機組的運行方法，主要包括如下步驟：

用于制熱的流體首先在油壓泵的驅動下通過制熱部件，完成“風能→機械能→壓力能→動能→熱能”的能量轉化過程；從制熱部件流出的高溫制熱流體，進入能量濃縮器，將制熱流體的熱能部分傳遞給相變材料；從能量濃縮器流出的低溫制熱流體，被吸回油壓泵的吸入端，至此制熱流體完成一個循環。風能驅動迎風葉片轉動，通過傳動裝置驅動油壓泵進行工作，使制熱流體在系統中不斷循環。熱能品位被不斷提升，實現能量在能量濃縮器3的濃縮。需要用熱時，取熱介質流過能量濃縮器，將相變材料蓄存的能量取出。

3 結論

（1）現有的風能制熱技術原理是摩擦制熱，其缺點是效率低，設備磨損嚴重。例如攪拌液體式、金屬摩擦式。本風能濃縮與產熱機組的制熱原理是依據流體動力學能量守恒方程。避免了固體—液體、固體—固體的產熱缺陷。充分利用流體自身的特質，把流體的壓力能逐步轉化為流體的熱能，以溫度的形式表現出來，從原理上取得了進步。

（2）由于省去了攪拌葉片、摩擦金屬塊，節省了設備損耗、更新的費用。本文提供的這種風能濃縮與產熱的機組，系統結構簡單，使用壽命長，且可實現自動控制。

（3）由于產熱原理的進步以及能量濃縮器的使用，不但提高風能的利用效率，也提高了風能制熱系統的實際使用效率，避免了風能自身能流密度低，間歇性，不穩定的弊端。

（4）機組的熱能源于風能，減少了化石燃料的燃燒，減少了碳排放低碳環保。

參考文獻

[1] 王娜娜.一種風能制熱機組[P].中國：ZL201320127373.6，2013-07-31.

[2] 王娜娜.一種用于風能制熱的產熱裝置[P].中國：ZL201320127371.7，2013-07-31.

[3] 王娜娜.一種用于風能制熱的蓄能換熱器[P].中國：ZL201320127349.2，2013-07-31.endprint