加大風(fēng)力致熱及其儲能技術(shù)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(jì)80年代的中后期，歐美日加等國對風(fēng)能利用的另一項重大技術(shù)——風(fēng)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(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化研究院、呼和浩特畜牧機械研究所等單位，對風(fēng)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(fēng)力致熱的研究力度

1.1 風(fēng)力致熱技術(shù)優(yōu)勢顯而易見

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

表1 不同風(fēng)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(fēng)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(fēng)力致熱技術(shù)應(yīng)用于生活供暖及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xué)工業(yè)出版社2006年3月出版）；王士榮等編著的《風(fēng)力提水與風(fēng)力致熱》168頁（科學(xué)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(diào)研報告《我國風(fēng)力致熱技術(shù)研究進展》（太陽能雜志2009年第9期）：“通常風(fēng)力提水時的效率只有16%左右，發(fā)電時的轉(zhuǎn)換效率為30%，而風(fēng)力致熱的轉(zhuǎn)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(fēng)力致熱裝置總效率高的結(jié)論。

根據(jù)熱力學(xué)定律，由高品位能量到低品位能量的轉(zhuǎn)換，其理論轉(zhuǎn)換效率可達100%，所以風(fēng)力機的機械能轉(zhuǎn)換成熱能，其理論轉(zhuǎn)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(nóng)林牧副漁業(yè)生產(chǎn)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(fēng)力比較旺盛的時期，把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用，能充分利用這些豐富的風(fēng)力資源。

據(jù)不完全統(tǒng)計農(nóng)村利用熱能的總量已經(jīng)達到農(nóng)村能源消費總量的60%以上。我國農(nóng)村能源消費總量接近全社會能源消費總量的10%，也就是農(nóng)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(biāo)煤，其中農(nóng)村熱能消費2.16億t標(biāo)煤，這是一個不小的數(shù)字。可見，利用風(fēng)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(zhì)的排放，對緩解能源和環(huán)境壓力意義重大。

1.3 我國風(fēng)能可利用資源多

風(fēng)能是空氣的動能，是指風(fēng)所負(fù)載的能量，風(fēng)能的大小決定于風(fēng)速和空氣的密度。但風(fēng)作為一種能量資源來開發(fā)利用，必須具備3-20m/s風(fēng)速，相當(dāng)于3～9級風(fēng)力。低于3 m/s時，它的能量太小，沒有利用價值；風(fēng)速大于20 m/s時，對設(shè)備的破壞性大，很難利用。風(fēng)能功率密度在50 W/㎡左右時，一般不能利用。我國可利用的風(fēng)力資源區(qū)域占全國國土面積的76%，所以在我國風(fēng)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(fēng)力資源豐富。風(fēng)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(fēng)力資源也十分豐富，年有效風(fēng)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(fēng)力資源十分豐富，應(yīng)加大開發(fā)利用的力度。

2 風(fēng)力致熱及其儲能技術(shù)

2.1 風(fēng)力致熱

風(fēng)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(shù)簡介如下。

（1）液體攪拌致熱。液體攪拌致熱是在風(fēng)力機的轉(zhuǎn)軸上裝一個攪拌轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有葉片，將攪拌轉(zhuǎn)子置于裝滿液體的攪拌罐內(nèi)，罐的內(nèi)壁上也裝有葉片為定子。當(dāng)風(fēng)力機帶動轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子攪拌液體，液體在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為熱能，提高液體溫度。當(dāng)罐內(nèi)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(zhì)無嚴(yán)格要求，可以用普通的水作為介質(zhì)。在整個工作過程中，將投入的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能，能很好地與風(fēng)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(fēng)力機驅(qū)動油壓泵旋轉(zhuǎn)，把機械能轉(zhuǎn)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(shù)

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

風(fēng)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(fēng)能實質(zhì)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(fēng)力大，夏秋兩季太陽輻射強。風(fēng)能和太陽能聯(lián)合應(yīng)用與致熱，基本上可以克服由于風(fēng)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(xué)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(shù)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(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，或由固態(tài)直接轉(zhuǎn)為氣態(tài)時，吸收相變熱，逆過程時，則釋放相變熱。

化學(xué)儲存是利用化學(xué)反應(yīng)熱的儲熱方式。化學(xué)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(shù)上比較成熟，已達到了實用地步。中、高溫潛熱儲存技術(shù)尚待完善，而化學(xué)儲存技術(shù)基本上還處于實驗室研究階段。

3 國內(nèi)外風(fēng)力致熱裝置研發(fā)概況[3]

丹麥皇家農(nóng)牧大學(xué)研制的液體攪拌致熱裝置，風(fēng)輪直徑為6 m，當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時,致熱器吸收功率為4～10kW。試驗表明，當(dāng)致熱器內(nèi)的水量為135 L時,當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速在6 m/s左右的情況下，全年可產(chǎn)出25 000 kWh的能量。

美國愛荷華州的一家農(nóng)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(fēng)力致熱裝置提供，其他熱量及無風(fēng)天時，由電網(wǎng)提供熱能。

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

美國馬薩諸塞大學(xué)建造了一種風(fēng)能與太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪直徑為10 m，在42 km/h的風(fēng)速下，能產(chǎn)生37 kW功率。晴天，太陽能熱水器將來自風(fēng)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(nèi)，需要時用泵將熱水送至校區(qū)熱水供應(yīng)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(fēng)力機、致熱器和儲熱設(shè)備，風(fēng)輪直徑為10 m，在平均風(fēng)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(chǎn)品已在北海道農(nóng)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(fēng)的天氣，用鍋爐燒稻殼產(chǎn)生熱風(fēng)與熱水供暖，風(fēng)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(fēng)力致熱裝置為溫室供暖，風(fēng)輪直徑為14 m，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為87 r/min，平均輸出功率為22 kW，當(dāng)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(chǎn)的液體攪拌致熱裝置，安裝在靜岡縣大仁鎮(zhèn)，風(fēng)輪直徑為15 m，額定風(fēng)速為8 m/s時，此刻風(fēng)輪轉(zhuǎn)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(fēng)能資源公司研制的風(fēng)力致熱裝置，風(fēng)輪直徑為3 m、5 m、7m、18 m等4種，風(fēng)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(fēng)力機風(fēng)輪直徑為16.5 m的液體攪拌致熱裝置，其工作介質(zhì)是水，運行時水溫可升至80～90℃。該風(fēng)力致熱裝置每年生產(chǎn)的熱能相當(dāng)于12 000 m3天然氣燃燒后產(chǎn)生的熱量。

據(jù)荷蘭有關(guān)部門統(tǒng)計，在冬季給溫室供暖的能量，若30%由風(fēng)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(fēng)力致熱系統(tǒng)每年大概應(yīng)產(chǎn)出近20億kWh的能量供給溫室采暖。

沈陽工業(yè)大學(xué)研制的液體擠壓致熱裝置，風(fēng)力機風(fēng)輪直徑為16 m，額定網(wǎng)速為8 m/s,塔高18 m，風(fēng)輪軸與傳動軸的增速比為3:1，風(fēng)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(zhì)為30號液壓油，儲熱器采用氯化石蠟為儲熱介質(zhì)，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(nóng)大、西安交大、中國農(nóng)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(fēng)力致熱裝置主要用于牛奶保鮮及為奶牛場供應(yīng)熱水，干燥玉米棒、人參等，為沼氣池增溫和給浴室供應(yīng)熱水，風(fēng)能與太陽能聯(lián)合致熱為室內(nèi)供暖，風(fēng)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(fēng)力致熱的研究，開始于20世紀(jì)80年代的中期，但是國外有關(guān)風(fēng)力致熱的較詳細(xì)原理及技術(shù)報道較少。沈陽工業(yè)大學(xué)熱能研究所于1985年研制了一臺20 kW的油壓式風(fēng)力致熱系統(tǒng)[1]。1990年吳書遠等通過理論研究推導(dǎo)出了風(fēng)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(fēng)速如何變化，風(fēng)力致熱器總可以較好地吸收風(fēng)能；風(fēng)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(shè)計的參考公式。并研制出一種致熱的關(guān)鍵元件——多級節(jié)流孔板。1998年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)能源研究所對攪拌式風(fēng)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(shè)計攪拌式風(fēng)力致熱器提供了一定的理論數(shù)據(jù)，還給出了攪拌式風(fēng)力致熱器的設(shè)計方法及相應(yīng)的計算機設(shè)計程序[1]。西安交大、中國農(nóng)機研究院、呼和浩特畜牧機械研究所等單位都對風(fēng)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(diào)研報告《我國風(fēng)力致熱技術(shù)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(xué)工業(yè)出版社.2006.3

[3]王世榮,沈德昌,劉國喜《風(fēng)力提水與風(fēng)力致熱》，科學(xué)出版社.2012.1

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