風能熱泵直接制熱系統現狀及展望

齊聰穎 程浩力 姜 煒 任 明 陳 強 范 宇 蔡峰峰

1. 中國石油工程建設有限公司北京設計分公司, 北京 100085;

2. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

3. 中國石油天然氣第七建設有限公司, 山東 青島 266300;

4. 中國石油工程建設有限公司, 北京 100120

0 前言

為應對全球氣候變化,2016年由178個締約方共同簽署了《巴黎協定》，自其生效以來,全球可再生能源提供了全球新增發電量的約60%,全球主要經濟體積極推動低碳發展,中國、歐盟、美國、日本等130多個國家和地區都提出了碳中和目標[1],清潔低碳能源發展迎來新機遇。在中國已連續多年成為全球最大的能源生產國、消費國和碳排放國的背景下[2-3],中國積極推進2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標[1,4-5]。更高效可靠的風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能等可再生能源綜合利用技術亟待探索。

風能和太陽能資源利用一直是中國新能源體系規劃的重點[1-2],目前風能利用的主要方式是通過風力機將風能轉化為電能、熱能、機械能等。與其他風能利用形式相比,風能制熱[6]能源轉換效率高,具有很好的開發前景。然而,中國關于風能直接制熱技術的研究還處在起步階段,相關應用較少。推動風能熱泵直接制熱技術的應用,對完善中國能源結構、提高能源利用率、減少溫室氣體排放具有重要意義。

1 風能制熱

中國擁有豐富的風能資源,在資源儲備方面,總風能儲量為3 226×1011W,實際可開發利用量達253×1011W[7],風能利用研究領域以及相關行業受到越來越多學者和企業的關注。目前,國際上風能開發利用的主要形式是風能發電。中國的風能發電行業發展迅速[8],風能發電是繼火力發電、水力發電后的第三大發電形式,中國已成為全球風能發電裝機容量最大的國家[9]。與此同時,棄風限電現象也日益突出,造成了風能的較大浪費。

為了減少現存棄風限電問題的發生和提高風能利用率,開發新的風能利用形式是關鍵。由于許多用戶終端需求的能源形式是熱能,如家庭取暖、大棚保溫、水產養殖等,利用風能直接制熱將有效減少能量轉換環節,促進能源結構優化。中國北方尤其是東北、華北、西北等地區風能資源豐富,冬季氣候寒冷,與采暖供熱需求有很好的時空匹配性[10]。采用風能作為供熱能源,可大量減少煤、天然氣等不可再生資源的消耗,對減輕環境污染、減少CO2氣體排放具有重要意義。

目前風能制熱的方式主要分為三類:一是通過風力發電機發電,再將電能通過電阻絲轉換為熱能，該方式由于增加了能量轉換環節,導致風能利用率較低,且造價昂貴;二是利用風力機將風能轉換為機械能,再將其轉換成熱能,如固體摩擦制熱、液體攪拌制熱、液體擠壓制熱等,該方式下系統效率只有40%左右,經濟性較差,且在大型化推廣方面存在瓶頸,距實現工業化應用有很大距離;三是將風力機與熱泵系統相結合,利用風力機驅動熱泵壓縮機制熱,熱泵是一種逆卡諾循環的能量轉換系統,可以將低品位能源轉變成高品位能源,制取的能量比自身運行所消耗的能量高。目前，常規制熱方式由于各種能量損失，制熱性能系數總是小于1,而熱泵的制熱性能系數通常大于1[11]，更加節能和高效，這是當前熱泵制熱最突出的優勢。

2 風能熱泵直接制熱系統

將風力機與熱泵系統相結合是當前風能制熱研究的熱點。近年來,熱泵技術發展迅速,在全球范圍內得到了廣泛應用。熱泵作為熱力學中常見的系統,能從環境中吸收熱量來提高制熱效率,可有效提高能源利用率,是解決當前棄風限電問題的有效途徑之一。采用風能熱泵制熱取代鍋爐供暖,可以大大減少化石燃料的消耗和溫室氣體的排放,加快實現“雙碳”目標,是一種節能環保的新型能源利用技術,具有廣闊的市場應用前景。

風能熱泵系統的應用主要有兩種:一是風能發電、電再制熱的間接制熱，即風電熱泵系統;二是風能直接驅動熱泵制熱。風電間接制熱所需設備復雜,造價成本高,而風能熱泵直接制熱系統是用風力機傳出的機械能直接驅動壓縮機做功,減少了中間風—電能量轉換環節。與風電熱泵系統相比,風能熱泵直接制熱系統造價降低,同時理論效率提高10%以上[12],是目前風能制熱研究領域的熱點。韓帥[13]建立了風能熱泵直接制熱系統,通過仿真模擬和實驗兩種手段對風力機與壓縮機的匹配特性進行了分析研究。張明洋等人[14]構建了風力機直接驅動熱泵制熱系統的仿真模型與經濟性模型,并通過粒子群優化算法,對其進行了成本優化。鐘曉暉等人[15]以張家口張北地區為例,對風能熱泵直接制熱系統進行了理論計算和分析,為風能直接制熱技術的研究提供了一定參考。

風能熱泵直接制熱系統作為一種新型供熱方式,與中國北方地區風能資源豐富、冬季氣溫較低的氣候條件相吻合,是中國北方地區實現清潔供暖的有效途徑之一。而風能熱泵與儲熱技術結合組成的系統,不僅改善了因風能間歇性和季節性造成的熱源不穩定問題,降低了能源成本，提高了能源效率,還減少了化石燃料使用量，實現了節能環保,具有較高的理論和工程實踐價值。

2.1 風力機

風力機是風能熱泵直接制熱系統中的重要裝置,可以將風的動能轉化為機械能。根據風輪旋轉中心軸與地面的相對位置關系,可以將風力機分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩類;根據風輪葉片工作原理,風力機又可以分為升力型風力機和阻力型風力機兩類。

風力機的性能主要由空氣動力學決定,其中葉片的氣動特性如功率系數、轉矩系數等決定了其對風能利用效率的高低,是風力機領域研究的熱點和重點。葉素動量理論(Blade Element Momentum,BEM)、渦尾跡方法和計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法是當前計算風力機葉片氣動性能的三種主要方法。陳安杰等人[16]以1.5 MW風力機為研究對象,基于BEM的GH Bladed軟件對其進行模擬分析,得到了風力機葉片氣動載荷的分布規律。劉燕等人[17]采用渦尾跡方法,對風力機葉片氣動性能進行計算分析,發現與自由尾跡模型相比,固定尾跡渦模型計算運行時間短,具有較好的實用性。張立棟等人[18]采用CFD方法對雙風輪風力機進行了動態分析,并將計算得到的風力機氣動載荷結果與實驗進行了對比,證明了CFD方法的有效性。除上述方法外,風洞實驗和外場測試也是風力機氣動性能研究的重要手段。由于風力機涉及的空氣動力學問題復雜,上述數值模擬計算方法的精度和適用性仍存在部分問題未得到解決,需要通過實驗進行驗證和改進現有氣動計算模型。郭少真等人[19]用數值模擬與風洞實驗相結合的研究方法,對加裝后緣小翼的H型垂直軸風力機輸出特性進行了分析研究。郭欣等人[20]同樣采用模擬與風洞試驗相結合的方法,研究了在不同葉尖速比情況下,翼型的改變對垂直軸風力機氣動特性的影響,結果表明翼型的改變可提高風力機對風能的利用率。

風力機在高度復雜的氣流環境中運行,運動形式相當復雜,面臨著非定常、非線性及氣動彈性等問題,氣動特性分析與計算難度很大。盡管當前業界已進行了大量的探索并取得了一定的成果進展,但精準、高效的氣動特性計算方法和理論還不成熟,仍存在廣闊的研究空間。

2.2 熱泵系統

熱泵系統可分為四部分:壓縮機、冷凝器、蒸發器和節流元件。其中,冷凝器和蒸發器的作用是分別與熱泵系統中的高溫熱源和低溫熱源進行熱量交換,其換熱性能的好壞對整個熱泵系統的制熱性能有較大影響；節流元件的主要作用是降低制冷劑壓力,獲得溫度和壓力較低的制冷劑工質；壓縮機作為整個熱泵系統的心臟,也是能量轉換的關鍵部位,起壓縮制冷劑工質和為整個熱泵系統運行提供動力的作用。因此,提高壓縮機性能對提高整個熱泵系統的制熱效率具有重大意義。鐘曉暉等人[21]建立了風能熱泵直接制熱系統,通過模擬與實驗發現,熱泵系統的制熱量與壓縮機轉速呈近似線性規律,而制熱性能系數則隨轉速的改變呈近似指數變化規律。楊永安等人[22]通過實驗研究了壓縮機轉速對復疊式熱泵系統的影響,發現制熱性能系數隨壓縮機轉速的增加先增大后減小,存在最佳轉速使得熱泵系統以最大制熱性能系數運行。

壓縮機內的制冷劑工質在熱泵運行過程中起著轉換與傳遞能量的作用,其物性對熱泵系統的性能有很大影響,不僅決定了熱泵系統的制熱效果,也決定了熱泵系統的環保性能,因此制冷劑的選擇十分重要。吳迪等人[23]以自然工質水作為制冷劑,通過理論模擬及實驗驗證,對高溫熱泵系統的性能進行了分析研究,結果表明,在較佳的實驗條件下,熱泵系統的性能優越,制熱性能系數可接近于5。胡曉微等人[24]搭建了復疊式高溫熱泵試驗系統,選用R245fa作為高溫級循環工質、不同質量比的R134a/R245fa混合物作為低溫級循環工質,實驗結果發現,選用質量比為8∶2的R134a/R245fa低溫級循環工質,熱泵系統制熱性能系數、制熱量等性能較好。

實際運行過程中,受風能不穩定性影響,風能熱泵直接制熱系統處于明顯的波動狀態。為使風能熱泵直接制熱系統處于最佳運行狀況,探索風能對熱泵系統運行特性的影響,揭示風力機與壓縮機之間的匹配特性,已成為當前理論研究的重點。趙斌等人[25]通過對不同風速下垂直軸風力機與壓縮機的匹配特性進行研究,建議在風能熱泵直接制熱系統選型設計時,垂直軸風力機的額定功率應大于壓縮機所需輸入功率。鐘曉暉等人[26]通過半物理仿真實驗平臺,對不同風速下,熱泵系統制熱量和風能利用系數Cp等進行了研究分析,發現當風速區間為3～11 m/s 時,制熱量隨風速的增加呈指數增加;當風速區間為11～21 m/s時,隨著風速的增加,制熱量保持恒定;當風速為7.74 m/s時,風能利用系數Cp達到最大值0.462 7,之后逐漸降低。曹春蕾[12]采用軟連接方式突破風能熱泵直接制熱系統硬連接的瓶頸問題,并對不同工況下風力機和壓縮機的匹配特性進行了探究,以張北地區為例,當轉速比為1∶5.37時,風力機和壓縮機可達到最佳匹配效果。

目前，對風能熱泵直接制熱技術的相關研究較少,且主要集中在實驗室一定風速、一定風向條件下的小型垂直軸風力機驅動熱泵壓縮機制熱;在風能熱泵直接制熱系統仿真研究方面,目前搭建的仿真模型大都是穩態模型,動態模型的構建還有待完善,對實際風況下運行的風力機與熱泵系統之間的匹配控制機制還缺乏相應的理論研究。

2.3 儲熱系統

風能具有不穩定性、間歇性的特征,為了避免能量浪費,更好地利用風能,需要配備儲熱系統將未被利用的風能儲存起來,實現持續穩定的熱源供應[27]。儲熱系統是保證熱源穩定輸出、提高能源利用率的關鍵,能夠解決能源供給和需求不匹配問題,在很多領域具有廣泛的應用前景。

目前,熱能存儲的方式可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學反應儲熱。顯熱儲熱是利用物質溫度的升高與降低實現熱能的存儲和釋放,是目前使用最廣泛的技術之一。優點是操作相對簡單,技術較為成熟,但也存在儲熱密度小、儲熱設備體積大等問題。顯熱儲熱的工作介質一般選用比熱容高、成本低廉的材料,如水、鵝卵石、導熱油等。喬春珍等人[28]以北京市某一辦公建筑為例,用水作為儲熱介質,與空氣源熱泵相結合,通過軟件進行模擬分析,結果表明該系統可明顯降低供暖設備運行成本。楊勇平等人[29]采用導熱油與沙礫混合物作為儲熱介質進行研究,發現與純沙礫儲熱材料相比,導熱油與沙礫混合物的儲熱效率更高。

潛熱儲熱又稱相變儲熱,是利用材料在自身相變過程中吸收或放出的熱量來進行熱量的儲存與釋放[30],能有效解決能源供應在時間與空間上的不匹配問題,是提高能源利用率的重要途徑之一。潛熱儲熱的儲熱密度比顯熱儲熱的儲熱密度高,應用也較為廣泛,但同時也存在相變材料熱導率低的問題[31]。潛熱儲熱根據相變形式可以分為固—固相變、固—液相變、液—氣相變和固—氣相變。相變材料根據化學成分組成可分為無機、有機和復合材料三類,其中,復合材料可以克服單一無機或有機材料的不足,是當前儲熱材料研究的熱點。李文琛等人[32]制備了以三水合醋酸鈉(C2H9NaO5)為主體的復合相變儲熱材料,并搭建了相變儲熱器,結果表明該儲熱器儲熱優勢明顯,儲放熱效率可達96.4%,儲熱密度是傳統水箱的1.7倍。萬倩等人[33]探究了石蠟及泡沫鐵/石蠟復合相變儲能材料的儲熱性能,實驗發現添加泡沫鐵能有效提高傳熱速率,改善石蠟導熱系數差的問題。吳韶飛等人[34]選擇棕櫚酸作為相變材料,膨脹石墨作為添加基質,制備了復合材料,通過表征與分析,發現膨脹石墨的添加可有效提高相變材料的熱導率。

熱化學反應儲熱是利用化學反應過程中所產生的反應熱進行熱能存儲的技術方式。與前兩種儲熱方式相比,熱化學反應儲熱的熱能密度更高,且可以長期穩定儲熱,被認為是未來最有前景的儲熱方式之一。趙彩燕等人[35]以六水氯化鎂(MgCl26 H2O)作為熱化學存儲材料,建立其脫水反應過程物理模型并進行計算與分析,發現較高的入口流體流速和溫度能在一定程度上促進傳熱,但與此同時,熱量的利用率也會降低。孫超穎等人[36]將CO2捕集和CaO/Ca(OH)2體系熱化學儲熱相耦合,通過實驗探究了不同反應條件對CaO儲熱性能的影響,發現CaO經多次循環碳酸化/煅燒捕集CO2后,仍然具有較高的儲熱性能。值得注意的是,熱化學反應儲熱技術目前仍處于研究階段,還有很多如化學反應過程復雜、對設備要求嚴格、技術成熟度較低等問題亟待解決,尚未具備工業化條件。

3 展望及挑戰

3.1 展望

2020年的油價暴跌及新冠肺炎疫情帶來的經濟蕭條全面推動了全球能源轉型進度,新一輪科技革命和產業變革帶來了能源革命和數字革命的爆發式發展,全球主要國家的生產生活方式迅速轉向低碳化、去碳化、智能化,能源體系和發展模式則加快步入非化石能源主導的嶄新階段。中國也緊跟世界潮流,開始制定加快構建現代能源體系、推動能源高質量發展的總體藍圖和行動綱領。為落實“十四五”規劃和碳達峰目標,國家發展改革委及國家能源局于2021年7月15日發布了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》[37],并在2022年3月21日、3月22日、3月29日、4月2日,連續公布了《“十四五”新型儲能發展實施方案》[38]《“十四五”現代能源體系規劃》[1]《2022年能源工作指導意見》[39]《“十四五”能源領域科技創新規劃》[2]等重磅文件,對加快新型儲能技術規模化應用、中國新型儲能高質量規模化發展、全面推進風光熱等可再生能源大規模開發和高質量發展給出了明確的指導方針和目標,可再生能源發電及綜合利用技術在“十四五”期間及未來利用前景一片光明。風能熱泵直接制熱系統在提高能源利用率、減少碳排放等方面起著十分重要的作用,也有著廣闊的應用前景,但目前風能熱泵直接制熱系統的研究仍存在一定短板,與世界能源科技強國相比,在關鍵零部件、專用軟件、核心材料等核心技術上仍存在一定差距,還需要后續進行更深入的研究。

3.2 挑戰

1)由于風能本身的復雜性,風力機所涉及的空氣動力學問題復雜,且大中小型風力機所涉及的復雜程度也各不相同,相應的風力機模型及氣動性能計算方法還需要進一步完善。

2)在實際工程應用中,熱泵的運行性能仍存在不足,如在低溫環境下,制熱能力有所下降。因此，為了使熱泵穩定高效地運行,相應的除霜、防堵、除污等技術還有待進一步優化。

3)部分儲熱材料具有腐蝕性,實際應用過程中容易腐蝕設備,價格低廉、無腐蝕性、性能優異的儲熱材料的制備選取仍是今后課題研究的重點。

4)由于風能作為單一熱源形式存在一定的局限性,在未來,如何將風能、太陽能、地熱能等多種清潔可再生能源更好地組合,并與多種儲熱形式相結合的復合系統也將成為研究的熱點。

4 結論

隨著化石能源消耗的不斷增加,生態環境問題日漸突出,發展新能源技術、改善能源結構對實現“雙碳”目標具有重要意義。風能作為一種可持續再生的清潔自然能源,資源極為豐富,是較為理想的替代常規化石能源的新能源代表。風能熱泵直接制熱系統一方面可以減少化石燃料使用量,減少CO2排放;另一方面還可以減少棄風限電現象發生,提高風能利用率,具有廣闊的發展前景。進一步加大對風能熱泵直接制熱技術及相關領域的研究,攻克當前技術發展面臨的難題,相信隨著研究的不斷深入,風能熱泵直接制熱系統一定會在風能資源豐富地區得到廣泛應用,更好地為人類造福。