風力制熱技術發(fā)展與應用現(xiàn)狀分析

摘要：風力制熱技術是風能的一種利用形式，近年來引發(fā)學術界與產業(yè)界廣泛關注。總結了風力制熱技術的內涵；梳理了風力制熱技術研發(fā)與應用進展；指出了風力制熱技術在理論研究、關鍵設備制備和工程實踐等環(huán)節(jié)的未來發(fā)展方向。分析結果顯示：風力制熱在技術成熟度方面已實現(xiàn)穩(wěn)步提升，電網效益和經濟效益逐漸顯現(xiàn)；其中，風電制熱和風機熱泵制熱技術已接近商業(yè)化應用的門檻，風力直接制熱技術展現(xiàn)出在工程實踐中的可行性。以期本研究結果可為后續(xù)深入研究提供信息參考。

關鍵詞：風電；風力制熱；熱泵；風機；制熱器

文獻標志碼：A中圖分類號：TM614/TK83

0引言

風力制熱技術作為一種風能利用方式，根據(jù)該技術涉及的裝置和能量轉換環(huán)節(jié)不同，其主要可分為3大類：風電制熱、風力直接制熱和風機熱泵制熱。制熱器作為風力制熱系統(tǒng)的核心部件，對整個系統(tǒng)的能量轉換效率起著決定性作用。風力制熱技術涉及的裝置和能量轉換環(huán)節(jié)示意圖如圖1所示。圖中：A為風電制熱；B為風力直接制熱；C為風機熱泵制熱。本文所提及的風機不包含發(fā)電機，但提及的風電機組為風機與發(fā)電機的結合體。

風電制熱作為風力間接制熱的一種形式，通過風機產生的機械能驅動發(fā)電機發(fā)電，利用電能驅動制熱器產生熱量，本質上是電產熱的過程。該技術可分為2類：以汽輪機組制熱和以電暖器或電鍋爐制熱。其能量轉換路徑為：風能→機械能→電能→工質熱能→供熱介質熱能。由于涉及多個能量轉換階段，通常其能量轉換效率低于35%。

風力直接制熱技術是狹義上的風力制熱技術，由風機直接驅動制熱器，通過制熱器加熱閉合回路中循環(huán)的流體工質，再由蓄熱儲熱裝置將熱流體工質輸至熱管或其他終端設備，用于產熱。由于省去了機械能向電能轉換的環(huán)節(jié)，其能量轉換效率相對較高，學術界普遍認為可達到40%1]。該技術可進一步細分為5類：液體攪拌制熱（摩擦制熱）、固體摩擦制熱（摩擦制熱）、液壓阻尼制熱（壓縮制熱）、壓縮空氣制熱（壓縮制熱）、磁渦流制熱（感應制熱），每類技術在制熱效率、制熱溫度、制熱裝置結構等方面均有所不同。

風機熱泵制熱技術也稱為風熱機組技術，通過風力機或發(fā)電機驅動成熟的熱泵裝置（壓縮機）來制取熱量。由于省略了工質動能轉換環(huán)節(jié)[2，熱泵裝置將電能轉換為熱能的效率非常高，通常能夠達到200%以上。在不考慮設備耗電情況下，理論上風機熱泵制熱的能量轉換效率最高可達80%。

風力制熱技術能量轉換路徑示意圖如圖2所示。

綜合比較后，認為風力直接制熱技術相較于風電制熱技術，在成本、總體能量轉換效率、與風力機的匹配度、制熱器結構的簡單性、制造安裝和維護的簡易性、控制系統(tǒng)的簡化，以及無需考慮長距離輸送、并網等方面均具有明顯優(yōu)勢。在風力直接制熱技術的5個分類中：磁渦流制熱技術制熱效率最高[3，液體攪拌制熱技術的裝置結構較簡單[4，壓縮空氣制熱技術可達到較高的制熱溫度，而液壓阻尼制熱技術則在優(yōu)缺點上表現(xiàn)較為平衡。風力制熱各分類技術具體優(yōu)缺點如表1所示，在實際應用中，可以根據(jù)具體需求對這些技術進行靈活組合應用。

本文對風力制熱技術的最新研究進展、技術成熟度及實際應用案例進行綜述。通過深入分析風電制熱、風機熱泵制熱和風力直接制熱等不同技術分類，探討各類技術在提高能效、降低成本和增強系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的潛力；分析風力制熱技術難點、應用價值和未來趨勢，以期刻畫風力制熱技術全貌，為后續(xù)深入研究提供信息參考。

1風力制熱技術研發(fā)與應用進展

目前，風力制熱各類技術處于不同的研發(fā)與應用階段：風電制熱技術主要用于供暖項目，已進入推廣實施階段：風力直接制熱技術仍處于前期研究階段，集中在樣機模擬試驗演示、系統(tǒng)設計方案可行性驗證、關鍵部件和影響因素的探究，工程實現(xiàn)上專注于制熱器構型優(yōu)化設計，追求工程易實現(xiàn)、低成本、穩(wěn)運行；風機熱泵制熱技術已邁入工程示范應用階段。

1.1風電制熱技術進入推廣實施階段

目前，風電制熱供暖項目已在一些國家進入推廣實施階段。德國作為國外的典型代表，通過錨定風電制熱技術路線，以配套蓄熱裝置的方式實現(xiàn)風力機棄電供熱的工程應用。2020年，德國研究人員將內齊林村當?shù)氐墓峋W絡與風電場風電機組、儲熱設施連接起來，利用風電機組產生的不納入電網的電力加熱儲罐中的水，可為村民持續(xù)供熱兩周[5，如圖3所示。

此外，德國正在建設大型風電蓄熱設施，計劃于2023年投入使用，該項目將風電機組產生的不納入電網的電力轉化為熱能，為柏林地區(qū)部分用戶供暖。該設施高為45 m、直徑為43 m、容量為5600萬L，可儲存98 ℃的熱水，熱輸出功率為200 MW，持續(xù)供暖時間超過13 h。該設施只有在勃蘭登堡州的風電場并網時，才會工作，該設施照片如圖4所示。

自2011年中國首個風電制熱供暖示范項目落地以來，此類項目在中國已全面進入實施階段，主要以清潔供暖和棄風消納為目標。從項目的開發(fā)方式上來看，其包括5個階段：新建供熱站、風電場與供熱站一體化建設、新建風電場接入既有供暖設施、新建風電場接入同步改造的供暖設施（煤改電工程）、新建（計劃建設）風電場接入熱電聯(lián)產機組。蓄熱技術方面，已從傳統(tǒng)的“高壓電極鍋爐+水蓄熱系統(tǒng)”技術逐步過渡到固體蓄熱電鍋爐技術，并探索結合“火電機組供暖+電鍋爐調峰供暖”的新模式，以提高系統(tǒng)的整體性能和靈活性。近10年中國部分典型風電制熱供暖示范（包含在建）項目情況如表2所示。

1.2風力直接制熱技術曾短暫商業(yè)化應用

風力直接制熱技術在20世紀曾在北歐、日本和美國等地區(qū)得到初步探索和應用，但因種種原因，未能實現(xiàn)規(guī)模化和商業(yè)化的廣泛應用。

在丹麥，20世紀70年代由個人工程師Sorensen等試制的風力直接制熱裝置曾短暫投入應用，該裝置為水閘風車構型的風力直接制熱裝置，主要是為建筑物供暖，采用液體攪拌技術，通過風機葉輪旋轉能直接轉化為熱量。具體的工作原理為：風機葉輪驅動安裝在絕緣水箱中的制熱器，利用液壓油摩擦產生的熱量對水箱中的水加熱，最終將熱水泵入建筑物實現(xiàn)供暖。但由于是個人工程師的研制項目，缺乏規(guī)模化生產和商業(yè)化應用的推動力，該項目并未繼續(xù)研發(fā)。丹麥正式商業(yè)化應用的風力直接制熱裝置為Westrup公司研制的Calorius37型水閘風車，該風車葉輪直徑為5 m、塔高為9 m，在風速11 m/s下能夠產生3.5 kW功率，與小型電鍋爐的熱量輸出相當，在1993—2000年間，共建造了34臺該型風車。

日本在20世紀80年代迎來了風力直接制熱裝置研制的高峰期，以島津制造、小松制造、松下精工、川崎重工等企業(yè)為主導進行風力直接制熱裝置技術試驗。在日本科技廳和農林水產省的資助下，針對農牧養(yǎng)殖和酒店洗浴等應用場景，日本政府在部分區(qū)、縣實地部署了輸出功率達20 kW的風力制熱裝置，進行技術試驗和示范應用。日本島津制造廠生產的20 kW液壓阻尼風力直接制熱裝置的實物照片如圖5所示。然而，進入21世紀后，日本產業(yè)界逐漸傾向于利用地熱能、生物質能等其他可再生能源進行制熱，風力直接制熱技術的研究和應用熱度有所降低。

在20世紀70年代，美國部分高等教育機構，包括：馬薩諸塞大學、科羅拉多州立大學和愛荷華州立大學等，研制出一系列實驗性和實踐性的風力制熱裝置6，例如，馬薩諸塞大學的WF-1風爐一號機與太陽能熱水器聯(lián)合系統(tǒng)，如圖6所示。然而，在當時的技術水平和經濟條件下，高校研究人員并未發(fā)現(xiàn)風力直接制熱技術在經濟性方面具有顯著的優(yōu)勢，導致該技術并未繼續(xù)研發(fā)。

1.3風機熱泵制熱技術處于工程化應用前夕

2019年底，中國科學院工程熱物理研究所基于河北省張家口市逐鹿縣風資源情況，設計并成功建成了世界上首臺100 kW風熱機組示范實驗裝置，其系統(tǒng)組成示意圖如圖7所示。通過實際調試和運行，不僅驗證了風熱機組的高效、可靠性，而且為后續(xù)更大規(guī)模的2 MW風熱機組的研制提供了寶貴的前期理論和實踐經驗。

1.4小結

綜上所述，近10年來，風力制熱技術在研究熱潮和政策潛在利好的共同驅動下，技術成熟度和應用實踐方面均取得了積極進展，電網效益和經濟效益也已逐漸展示出潛力。特別是，風電制熱和風機熱泵制熱技術已接近商業(yè)化應用的門檻，顯示出其在工程實踐中的可行性。風力直接制熱技術亦在制熱器結構設計、與風機的搭配布局等方面取得了突破，為提高制熱功率、制熱系

2風力制熱技術難點和應用價值

目前，風力制熱技術的關鍵研究集中在：基礎理論、制熱器制備、系統(tǒng)工程實現(xiàn)等方面。此外，不同技術分類還在熱電聯(lián)合運行策略、風機選型、熱泵優(yōu)化、蓄熱設備選型等方向存在相應的技術難點：

1）基礎理論研究與制熱機理量化，主要包括：風力制熱系統(tǒng)理論和仿真研究，關鍵能量轉換部件的能效轉換研究，以及風機一制熱器一體化設計方法研究等。

2）熱電聯(lián)合優(yōu)化運行策略與控制技術，主要包括：探索風電場與熱電廠的聯(lián)合運營模式、大容量儲熱單元的選型優(yōu)化、電儲熱與棄風聯(lián)動的實時運行模式，以及基于風電消納的熱電聯(lián)合運行監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)。

3）風機選型與熱泵匹配性。針對垂直軸和水平軸風力機的特點和適用場景，制定技術發(fā)展路線，并研究風機和熱泵的運行匹配性及耦合動態(tài)調控策略、風熱機組高效高可靠優(yōu)化設計方法等關鍵技術問題。

4）制熱器研發(fā)、制備與優(yōu)化技術。在液體攪拌技術領域，可以借鑒工業(yè)攪拌設備現(xiàn)有的經驗公式，但必須進一步深入研究攪拌機理、攪拌器的幾何參數(shù)設計、攪拌葉片選型、新型的攪拌制熱方式。對于液壓阻尼技術，需要對液壓油泵、阻尼孔、節(jié)流閥等關鍵零部件進行細致的集成研究，包括：合理選擇液壓油泵和阻尼孔、改進阻尼孔和節(jié)流閥的構型、優(yōu)化多結構部件的布局。對于磁渦流技術，研究重點應包括：磁路的優(yōu)化設計、永磁體材料的篩選及定子的精密設計等關鍵技術問題。

5）蓄熱設備和熱泵等部件的選型優(yōu)化。借鑒太陽能熱利用、工業(yè)余熱領域的經驗，關注蓄熱設備的使用周期、安全性、結構優(yōu)化和蓄熱介質選擇、蓄熱裝置構型優(yōu)化等因素。此外，對于風機熱泵技術，還需針對熱泵這一成熟貨架產品進行適應性改造與技術調整。

6）風力制熱系統(tǒng)工程實現(xiàn)與規(guī)模應用。探索規(guī)模化風力制熱技術的發(fā)展方向、集成和優(yōu)化匹配、智能控制、熱網系統(tǒng)的連接、可靠性、經濟性評價及與其他新能源制熱的協(xié)同。

目前，風力制熱技術成熟度等級（TRL）整體介于3～9級7，其應用場景已初步顯現(xiàn)，包括4大類：清潔能源大基地百兆瓦級風場周邊輔助供熱、偏遠地區(qū)千瓦級離網分布式應用的農林畜牧設施供熱、產業(yè)園區(qū)兆瓦級集中式供能，以及海水淡化與高溫熱能發(fā)電等遠期創(chuàng)新應用，其未來改進方向與可能應用場景具體如表3所示。

初步研判，未來5年風力制熱技術將在共性關鍵技術、組合式和創(chuàng)新型機組設計方案、產研融合及跨行業(yè)協(xié)作等方面實現(xiàn)持續(xù)突破。隨著試驗樣機的開發(fā)和示范項目落地的增速，跨行業(yè)協(xié)作力度加大，比如：風電與太陽能、暖通、永磁渦流傳動、海水淡化等行業(yè)合作應用。

3結論

本文對風力制熱技術的最新研究進展、發(fā)展歷程及實際應用案例進行了描述，通過分析風電制熱、風機熱泵和風力直接制熱3種技術分類，得到以下結論：

1）風力制熱技術在近10年研究熱潮和政策潛在利好的共同驅動下，技術成熟度已獲穩(wěn)步提升，電網效益和經濟效益也已逐步體現(xiàn)。風電制熱和風機熱泵等技術分類的應用條件成熟，已觸及商業(yè)應用門檻。風力直接制熱技術涉及的各技術分類形成了工程可行的制熱器結構以及與風力機搭配布局設計方法，積極尋求在制熱功率、制熱系數(shù)、能量轉換效率等核心指標上有所突破，并圍繞運行穩(wěn)定性和規(guī)模化實踐目標不斷優(yōu)化。通過在理論研究、關鍵設備制備、工程實踐等環(huán)節(jié)的持續(xù)深入研究和優(yōu)化，或將進一步推動風力制熱技術發(fā)展與應用落地。

2）展望未來5年，風力制熱技術將呈現(xiàn)出：共性技術和各技術分支相應關鍵技術持續(xù)突破，組合式、創(chuàng)新型機組設計方案不斷涌現(xiàn)，產研融合、跨行業(yè)協(xié)作力度加大，試驗樣機形成、示范項目落地增速等發(fā)展趨勢。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION STATUS OFWIND-TO-HEAT TECHNOLOGIES

Sun Zongtan，YuLiping，MengLei，HuCongcong，LiuWenji

（BeiingGoldwind Science amp;Creation WindpowerEquipentCo.，Ltd，Beijing 100176，China）

Abstract：Wind-to-heattechnology，a form of wind energy utilization，has recently attracted considerableattention from academia and industry.This paper summarizes the essence of wind-to-heat technology，reviewsits research and development as well as application progress and points out future development directions intheoreticalresearch，key equipment manufacturing，and engineering implementation.The analysis resultsshow that there has been a steady improvement in the technological maturity of wind-to-heat，withincreasinglyapparent benefits to the power grid and economic gains.Wind-to-heat conversion and wind turbine heat pumptechnologies are nearing commercial viability，and direct wind heating has shown its feasibility in engineeringpractice.Hoping that the results of this paper can provide information for subsequent in-depth research in the feld.

Keywords：wind power generation;wind-to-heat;heatpump;windturbine;heater