风动能转化成热能的效率分析及试验研究*

马寒阳，李 坤，王文涛，饶章逸，杜 标

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001)

风动能转化成热能的效率分析及试验研究*

马寒阳，李 坤，王文涛，饶章逸，杜 标

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001)

风能是目前世界上利用率增长较快的绿色能源，但相应的设备不成熟。理论分析表明，在风能利用系统的所有形式中，风能直接热利用系统的综合效率最高。通过实验研究阶段可以利用电动机模拟风能产生的动能，设计多种转子类型进行对比试验，通过实验分析和数据对比确定最优选的方案。

风能利用;综合效率;转子类型

1 引言

全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能是目前世界上利用率增长最快的绿色能源，预计到2020年，风能将成为世界第三大能源［1］。但风能利用存在一些限制及弊端:风速不稳定，产生的能量大小不稳定;风能利用受地理位置限制严重;风能的转换效率低;风能是新型能源，相应的使用设备也不是很成熟。目前风能多用于发电、提水、机械驱动等方面。但对于风能直接制热并加以利用方面的研究与分析还很少［2－3］。

理论分析表明，在风能利用系统的所有形式中，风能直接热利用系统的综合效率最高。因搅拌流体制热的中间媒介最少。由于风能的不稳定性，在实验研究阶段可以利用电动机模拟风能产生的动能，设计多种转子类型进行对比试验，通过实验分析和数据对比确定最优选的方案。

2 动能转化为热能的应用方案

2.1 研究现状

根据热力学知识，由机械能转换成热能时理论效率为100%。理想风力机的转换效率将近60%，实际用的风力机效率一般仅为理想风力机的70%。而通常风力机提水时的效率只有16%左右，发电时的转换效率30%，而致热时的转换效率高者超过40%。因此，利用风能对水等工质加热，为温室、畜禽舍、住宅、养殖和一些低温工艺等采暖、供热是很理想的。近年来，日本、美国和欧洲等国为更有效地利用风能积极地开展了风力致热的研究工作并且己经初见成效。1980年前后，日本以及美国欧洲等国家开始研究风能热利用技术。日本北海道农业试验场研制的M°D－3型系统热转换效率达到了0.35～0.45，水温可加热到80℃，取得了接近实用化的成果。由于系统规模小、部件耐久性差、一次性投资较大以及这些国家能源战略重点的调整等因素，20世纪90年代以后风能热利用技术发展缓慢［4］。

风力致热主要有液压式致热、压缩空气致热、固体摩擦致热、其他类型的致热(包括:涡电流致热;电热致热是利用风力发电，使电流通过电阻丝发热，来给空气或水加热;太阳能－风能联合致热是把太阳能和风能致热结合起来，互相补充。该致热方式利用率高，工作时间长，互补性好，节能效果比一般系统更明显［5］。

其中研究较多的是液体搅拌致热和液体挤压致热。目前国内西安交通大学、中国农业大学等高校及一些科研院所对风力致热技术进行研究。中国农业大学风力致热的研究重点是液体搅拌致热，西安交通大学的研究则集中在液体挤压致热上。1998年，中国农业大学农村能源研究所对搅拌式风力致热系统进行了实验性研究，得出了功率吸收方程和压力方程，为设计搅拌式风力致热器提供了一定的理论依据。2002年，中国农业大学研制了一套液体搅拌致热装置。试验人员用变频电机模拟风车的不同转速，研究发现在保持风车输入转速不变的情况下搅拌装置内油液的温度越低油液的温度升高越快，致热的效率越高搅拌桶内油液体积越大，则致热效率越高;在保持搅拌桶内液位高度不变的情况下，风车转速越高，系统的致热效率越高。在所测定的转速范围内，转速越高，发热越快。

表1为中国风能分布区占全国面积百分比，从表中数据看出可利用区域占全国总面积的76%，因此对我国风能的利用进行研究是有必要的［6］。

表1 中国风能分布区占全国面积百分比

2.2 动能转化为热能的实验方案

2.2.1 风力制热的方式的选择

通过对几种方式研究和对比并考虑到装置的易实现性，通过搅拌液体制热的方案具有效率高，结构简单，可行性高等特点，因此选用这种方案作为实验动能转化为热能的最终方案。

2.2.2 工质选择

致热工质的选择是风力致热装置设计的重要组成部分，关系到致热装置的体积和系统的致热效率。液体搅拌致热依靠液体的撞击摩擦将机械能转化为热能。牛顿内摩擦定律揭示由于流体的粘滞性，在相互滑动的各层之间会产生剪应力，亦即流体的内摩擦力，由它们把运动传递到各相邻的流体层，使流动较快的层减速，而流动较慢的层加速，形成按一定规律变化的流速分布。从工质在流动过程中摩擦生热的角度考虑，高粘性的液体流较低粘性的液体更合适。

从工质传递热量的角度，W=ρQCPΔT为使工质有较小的体积流量Q，小型化致热装置则希望工质有较高密度ρ及较高比热值CP。此外，风力致热工质的选择中还应考虑其价格，高温下性能的稳定性及安全性，即对人体无毒副作用，对装置材料无腐蚀等因素。

无论从系统的热容量考虑，还是从摩擦效果来看，液体工质的致热效果明显大于气体工质，可以排除气体作为致热工质的选项。水和油是最常见的液体工质。而水在高温下会产生水蒸气，气体的存在会使致热装置在运行中出现振动、气蚀等不稳定现象。另外，和油相比水的粘性也比油小得多。因此，从致热角度出发，风力的工质宜选择油类，但油类价格较高，不易获取，不易清洁等问题。

在本次试验中，考虑到材料的易获取性，清洁性，和实验的方便性以及实验装置的局限性，实验中以水作为制热工质。

2.2.3 实验装置简介

动能转化为热能的实验装置包括25 W可调速电动机一台;用来模拟风能转化成的动能，对流体进行搅拌;2.5 L保温瓶一个;流体的搅拌容器，用来进行搅拌实验，减少热能耗散;自制铁质框架，如图1所示，用于固定实验装置;搅拌扇叶，共有4种，分别为3×180°的叶轮;5×180°的叶轮;3×120°的叶轮;以及自制的金属线球，如图2～5所示。

图1 装置尺寸和结构图

图2 金属线球实物图

图3 叶片3×180°实物图

图4 叶片5×180°实物图

图5 叶片3×120°实物图

2.2.4 实验步骤

实验前的准备工作:首先将实验器材按图纸组装成实验装置;然后用温度计测量室温并记录;接着将室温的水倒入保温瓶中;再选择一种搅拌扇叶，按装配图装好。

实验正式开始:打开电动机转动一个小时后关机;随即立马取出保温瓶，并用温度计测量水的温度，并记录;然后换一种搅拌扇叶重复上述步骤。

实验数据分析阶段:将所有数据记录表格;然后分析数据、得出结论。

通过上述步骤，得出的四组实验数据结果及对比见表2所列。

表2 实验数据结果

3 数据处理

3.1 效率计算

根据水高平均值H，可计算出水的质量:

式中:d为保温杯的内径;ρ为水在常温下的密度。

经过计算得:

3.2 效率比较分析

(1)η1＜η2，表明当叶轮转动速度相同时，叶片纵向密度越多，动能转化成热能的效率越高。

(2)η1＜η3，表明当叶轮转动速度相同时，叶片横向密度越多，动能转化成热能的效率越高。

(3)η1＞η4，表明当叶轮转动速度相同时，桨叶式叶片比不规则的转子，动能转化为热能的效率越高。

4 结论

(1)通过设计实验得出数据分析，证明通过风能提供的动能直接搅拌流体制热，可以达到初步利用效率。

(2)风力直接致热装置结构简单、对风质要求低，风况变化的适应性强，蓄能问题便于解决。

(3)不足之处在于受实验条件所限，只测量了4组数据，所得出的结论十分有限，需进一步改变叶轮、内部流场结构等来增加转化效率。

［1］ 王世荣.风力致热技术及其应用［J］.农村能源，2002，102(02): 28－29.

［2］ 严家禄，王永青.工程热力学［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］ 张玉实，范垂文.风力致热技术［M］.沈阳:沈阳工业大学出版社，1998.

［4］ European Wind Energy Association and Greenpeace.Wind force，a blueprint to achieve 12%of the world's electricity from wind power by 2020［M］.Belgium:European Wind Energy Association，2001.

［5］ 齐瑞贵，李景春，李 蕾.风能致热系统研究［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2001，20(2):228－230.

［6］ 杜白石.风能与热利用［M］.西安:西安地图出版社，1997.

Efficiency Analysis and Experimental Study of the Wind－kinetic Energy Converted into Heat Energy

MA Han－yang，LIKun，WANG Wen－tao，RAO Zhang－yi，Du Biao
(School of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui232001，China)

Wind power of which is the green energy the utilization rate is fastest growing in the world，but the corresponding equipment is not very mature.Theoretical analysis shows that in all the forms of wind energy utilization system，the comprehensive efficiency of directly heat utilization system is highest.Through the kinetic experimental research stage，the wind power is generated by the motor，various type of rotor are designed to test comparison，after test analysis and data contrast，the optimal scheme is determined.

wind power utilization;overall efficiency;rotor type

X24;TB21

A

1007－4414(2013)05－0001－03

2013－07－24

地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目资助(No.201210361056);安徽省支持本科高校发展能力提升计划过程装备与控制工程专业综合改革试点项目资助

马寒阳(1992－)，男，安徽宿州人，在读本科，研究方向:过程装备及控制工程专业。