垂直轴风力机直驱热泵压缩机匹配特性研究

赵斌，马海鹏，汪建文，钟晓晖

垂直轴风力机直驱热泵压缩机匹配特性研究

赵斌1,2，马海鹏1,2，汪建文2，钟晓晖1

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210；
2.风能太阳能利用技术教育部重点实验室（内蒙古工业大学），呼和浩特010051）

风能供热是多风寒冷地区，减少雾霾有效途径之一。针对垂直轴风力机直驱热泵压缩机系统，分析300 W垂直轴风力机输出和开启式涡旋压缩机输入扭矩及功率特性，研究不同风速下垂直轴风力机与开启式涡旋压缩机特殊匹配特性。根据效率理论分析匹配特性，系统选型设计时垂直轴风力机输出功率应略高于压缩机所需输入功率，通过选择合理变速比，获得垂直轴风力机设计参数，实现系统按额定工况运行。为风能供热系统参数选型提供理论参考。

垂直轴风力机；热泵；开启式涡旋压缩机；变速比；匹配特性

我国“三北”地区风能丰富区主要包括东北三省、内蒙古、河北、甘肃、宁夏和新疆等区域，最大年平均风速可达9 m·s-1以上，大部分地区年平均风速6~8 m·s-1，且覆盖面积广。“三北”地区冬季供热主要以燃煤发电机组为主，其中热电联产机组占比较高。多风寒冷区采暖期与强风季重叠，可利用风能资源，克服“弃风限电”现象。近年，我国京津冀地区雾霾严重，雾霾天气频发。利用风能供热可有效缓解电力紧张和雾霾频发问题[1]。利用风能作为动力源驱动热泵机组供热，可有效减少燃煤供热比例[2]。

钟晓晖等提出一种机械储能直驱式风能热泵系统，利用风力机直驱热泵方式有效降低转换过程中能量损失，通过机械储能装置解决风能多变问题，提高系统效率，但并未深入研究系统选型[3]；冯毅等研究风能驱动热泵风力机与压缩机匹配关系，结果表明，风力机可通过传动装置驱动压缩机，但未探讨给定供热面积热泵压缩机与风力机匹配规律[4]；刘竹青等讨论风能热利用方法，在分析系统气动扭矩与负载之间关系基础上，比较不同风能转换设备特性，提出独立式小规模风能利用系统最佳选型方案，但未涉及风力机与压缩机匹配特性研究[5]。王福宝等通过垂直轴阻力差型风力机与传动比匹配试验，确定直接驱动热泵系统制热效果最佳方案，选用压缩机为1 kW小型空调压缩机，试验最高热负荷为2.8 kW，但未确定风力机匹配选型方案[6]。

本文以某住宅垂直轴风力机驱动热泵机组供热系统为例，分析垂直轴风力机和开启式涡旋压缩机特性，选用建筑供暖热负荷指标，研究垂直轴风力机与开启式涡旋压缩机匹配特性，探索系统工作参数选取方法。

1 系统简介

垂直轴风力机直驱热泵机组压缩机供热系统如图1所示。

垂直轴风力机将风能转换为机械能，通过增速箱直接驱动热泵机组压缩机，系统选用氟利昂等低沸点液体作为工质，经膨胀阀减压后进入蒸发器，从低温环境吸取热量变成蒸汽，进入压缩机将蒸汽压缩，提高温度，经冷凝器放热后液化，释放热量传递给供热循环水，实现供热。系统可持续将热量从温度较低环境转移至温度较高环境，供热系数（Coefficient of heat supply，COP）约为3。供热系统内设置蓄热水箱，在无风状态或风速低时可实现持续供热，确保供热热源稳定，也可通过备用电机驱动压缩机实现[7]。

图1 垂直轴风力机驱动热泵机组供热系统Fig.1Vertical axis wind turbine driven heat pump unit heating system

2 垂直轴风力机

2.1 理论分析

输出功率P计算如下：

式中：CP-风能利用系数；ρ-空气密度（kg·m-3）；A-风轮扫掠面积（m2）；v-来流风速（m·s-1）。

H型垂直轴风力机风轮扫掠面积计算公式为：

式中：D-风轮直径（m）；h-叶片高度（m）。

将扫掠面积代入式（1），H型垂直轴风力机输出功率P可表示为：

由式（3）可知，单台H型垂直轴风力机功率主要取决于来流风速及风能利用系数CP。来流风速不变时，对于给定风力机，只要CP值达最大，输出功率即对应Pmax[7]。而风力机CP值主要取决于叶尖速比，参见文献[8]，利用双向多流管理论模型计算垂直轴风力机风能利用系数参见文献[9]，美国Sandia国家实验室测试风洞试验数据，获得典型风能利用系数与叶尖速比λ间关系曲线如图2所示，即可调节λ值使垂直轴风力机在Cpmax工况下运行。

图2 Cp-λ关系曲线Fig.2Curve ofCp-λrelationship

由式（4）可知，λ不仅取决于来流风速，还与风力机风轮转速有关。

式中：n为风轮转速（r·min-1）。

因此，当来流风速变化时，通过调节风轮转速，获得最佳叶尖速比λ，使垂直轴风力机风能利用系数CP达到最大值，即可获得最大风力机输出功率。

2.2 特性分析

选取某额定功率为300 W垂直轴风力机，其结构和性能等设计参数如表1所示。

表1 垂直轴风力机设计参数Table 1Design parameters of vertical axis wind turbine

对于给定垂直轴风力机，已知风轮结构，假设空气密度不变。因此由式（3）可知，在来流风速一定时，输出功率是风能利用系数单调函数。风能利用系数与叶尖速比有关，叶尖速比反映风轮转速。垂直轴风力机输出功率随风轮转速关系如图3所示。

由图3可知，不同风速下垂直轴风力机输出功率与风轮转速关系特性呈抛物线，随风轮转速增大，叶尖速比变化，输出功率先增后减。对应来流风速，风力机输出功率存在最大值。

风力机扭矩可通过式（5）求得。因此，在不同来流风速下，随着风轮转速改变，垂直轴风力机扭矩变化如图4所示。

图3 垂直轴风力机输出功率随风轮转速变化曲线Fig.3Curve of vertical axis wind turbine output power varies with wind wheel speed

图4 垂直轴风力机输出扭矩随风轮转速变化曲线Fig.4Curve of vertical axis wind turbine output torque varies with wind wheel speed

由式（5）可知，风轮转速一定时，扭矩和功率成正比。因此，扭矩（图4）与功率（图3）变化趋势基本一致，不同风速下垂直轴风力机扭矩与风轮转速关系曲线同样呈抛物线，随风轮转速增大，扭矩先增后减，输出扭矩同样存在最大值。

3 压缩机

3.1 理论分析

垂直轴风力机驱动开启式或半封闭式压缩机，考虑给定供热负荷较小，选定开启涡旋式压缩机作详细分析，此类压缩机主要用于汽车空调和热泵领域。

普通汽车空调压缩机由发动机驱动，垂直轴风力机驱动压缩机驱动方式与之类似，由于风力机和压缩机转速相差较大，二者通过增速箱、联轴器等连接，使其转速匹配。压缩机转速及空调产生冷量（热量）均随风轮转速改变而改变。汽车空调压缩机重要指标是排量和功耗，排量(cc·r-1)是决定其制冷（制热）能力重要因素[10]，可由式（6）表示：

即压缩机制冷量可用式（7）得出：

式中：Vh为压缩机排量（cc·r-1）；Q0为压缩机制冷量（kW）；v1为压缩机吸气比容（m3·kg-1）；q0为制冷循环单位质量制冷量（kJ·kg-1）；n1为压缩机转速（r·min-1）；μ为压缩机输气系数。

由式（6）、（7）可知，热泵压缩机产生制冷量（制热量）除与压缩机容积效率及工作热力工况有关以外，还与转速有密切关系。

目前汽车空调压缩机标准转速通常选取1 800或2 000 r·min-1，但实际根据压缩机类型确定，如涡旋式压缩机在高转速下可保持较高容积效率并平稳运转。因此，涡旋压缩机一般采取较高转速。另外，压缩机功耗与其转速有关，由式（8）可知，压缩机消耗功率随转速升高而增大。

式中：M为压缩机轴切向力扭矩（N·m）；N为压缩机功耗（kW）；n1为压缩机转速（r·min-1）。

3.2 特性分析

汽车空调压缩机对输入功率虽无严格要求，但压缩机正常工作并保证压缩比，扭矩须达到某一特定值。

假定选取压缩机额定输入功率为300 W，额定转速为1 800 r·min-1，根据式（8）得出其额定输入扭矩为1.592 N·m，垂直轴风力机通过增速箱提速后再驱动压缩机，增速箱传动比可通过垂直轴风力机转速和压缩机转速比值选取（传动比选取6）。机械能经增速箱转换后尽管功率无变化，但由于转速增大，扭矩相应改变。为保证压缩机输入扭矩达到额定值，应依据传动比使垂直轴风力机扭矩达到相应值。

首先保持压缩机额定功率不变，将垂直轴风力机额定转速代入式（8）计算得到此时风力机扭矩为9.55 N·m；再保持该扭矩不变，以风力机风轮转速为横坐标，压缩机扭矩对应垂直轴风力机扭矩为纵坐标，得到压缩机额定扭矩与风轮转速关系如图5所示。

保持压缩机输入扭矩对应垂直轴风力机上扭矩一定，其转速用风力机风轮转速代替，根据式（8），可获得压缩机运行时所需功率随风轮转速变化功率曲线，如图6所示。

图5 压缩机输入扭矩对应垂直轴风力机扭矩Fig.5Vertical axis wind turbine torque corresponding to compressor input torque

图6 压缩机输入功率对应垂直轴风力机功率Fig.6Vertical axis wind turbine power corresponding to compressor input power

同理可获得额定功率分别为250、200 W时，压缩机输入扭矩和功率随风轮转速变化如图5、6所示。可知，在相应风轮转速下，垂直轴风力机输出扭矩及功率只要满足压缩机所需输入扭矩及功率即可实现正常运行。

4 风力机与压缩机匹配特性

4.1 理论分析

风能供热系统中垂直轴风力机与热泵机组压缩机匹配，即垂直轴风力机输出功率和扭矩同时达到热泵机组压缩机所需输入功率和扭矩，确保该系统实现额定工况运行。

垂直轴风力机和压缩机扭矩及功率关系匹配曲线见图7，8。

图7 垂直轴风力机和压缩机扭矩特性匹配曲线Fig.7Characteristics matching curve of vertical axis wind turbine and compressor torque

图8 垂直轴风力机和压缩机功率特性匹配曲线Fig.8Characteristics matching curve of vertical axis windturbine and compressor power

如图7所示，理论分析表明，用额定功率为300 W垂直轴风力机驱动相同功率热泵机组压缩机时，在来流风速大于8 m·s-1时，风力机扭矩可达压缩机所需扭矩。垂直轴风力机驱动额定功率为250 W或200 W压缩机，在风速较低时，风力机扭矩可匹配压缩机需要扭矩。

如图8所示，当来流风速大于8 m·s-1，在最佳风轮转速工况下，额定功率300 W垂直轴风力机可驱动相同功率压缩机；相同风轮转速工况下，额定功率300 W垂直轴风力机驱动250W或200 W压缩机时，较低来流风速即使压缩机实现额定工况运行。

以张家口地区城镇采用节能措施的15 m2居民卧室为例，选用面积热指标法概算所需热负荷，依照城镇热力网设计规范（CJJ34-2010），采暖热负荷计算如式（9）：

式中：Qh为采暖设计热负荷（kW）；qh为采暖热指标（W·m-2）；Ac为采暖建筑物建筑面积（m2）。

我国“三北”地区建筑在综合考虑管网热消耗及采取节能措施情况下，采暖热指标推荐值为40~ 45 W·m-2。结合房屋节能指标及设计现状，采暖热指标选取45 W·m-2，故15 m2住宅供暖所需热负荷约为675 W。

4.2 匹配特性

由于垂直轴风力机转速和开启式压缩机转速相差较大，若采用直联方式，难以使压缩机在需求工况范围下正常工作，故需安装齿轮箱增速，使压缩机达合理转速。

①根据供暖所需热负荷、热泵及压缩机特性，推算压缩机轴功率。热负荷675 W，热泵COP选取3，压缩机输出功率225 W时，即可达额定工况，压缩机效率ηysj取0.9，压缩机轴功率为250 W，即额定功率N0为250 W，额定转速为1 800 r·min-1，传动比为6，如图9所示A点为对应风轮转速下压缩机额定工况点。此外，图9中B点为对应风轮转速下300 W压缩机额定工况点。

②根据压缩机轴功率选择较合适垂直轴风力机功率，绘制垂直轴风力机功率随风轮转速变化曲线，以300 W垂直轴风力机为例，输出功率—转速特性曲线见图3。

图9 风力机输出功率与压缩机输入功率匹配特性Fig.9Matching characteristics of wind turbine output power and compressor input power

③确定增速箱传动比k、传动系统机械效率ηcd，将压缩机轴功率随转速变化趋势横坐标除以k，纵坐标除以ηcd，绘制输出功率—转速特性曲线。现选取传动比为6，传动系统效率ηcd取0.95，可得垂直轴风力机输出功率需要满足额定工况点A'。

如图9所示垂直轴风力机和压缩机功率匹配关系，N0'为考虑传动机构效率后压缩机所需轴功率，图中分别表示额定功率为250和300 W压缩机对应垂直轴风力机需要达到额定工况点，即图中A'和B'。匹配相同功率垂直轴风力机，受装置效率影响，在其额定风速下，无法满足压缩机需要达到额定工况点。如用300 W垂直轴风力机通过连接增速箱联轴器等装置驱动额定功率为250 W热泵压缩机，当来流风速≥8 m·s-1，风轮转速约为300 r·min-1时，可使热泵压缩机达到额定工况或处于更优运行状态。

5 讨论

①研究旨在通过在系统中设置蓄热水箱解决由于风能多变造成供热不稳定问题，综合考虑装置效率后垂直轴风力机与开启式压缩机匹配特性，确定二者匹配选型关系。

②根据一定供热面积房屋所需热负荷，分别分析垂直轴风力机输出特性和开启式压缩机输入特性，结果可为风能直驱热泵供热系统选型提供理论参考。

③受条件限制，未能开展整体系统试验增速箱传动比调整控制和风轮转速限速控制，还需后续深入研究。

6 结论

a.基于所需热负荷675 W，热泵COP选取3，压缩机效率ηysj取0.9，选取传动比k为6，传动系统效率ηcd取0.95，选用额定功率为300W垂直轴风力机驱动额定功率为250 W开启式压缩机，当来流风速≥8 m·s-1时，风轮转速约为300 r·min-1时，可使风能热泵系统处于更优运行状态。

b.理论分析供暖热负荷、垂直轴风力机及匹配压缩机特性，垂直轴风力机可在大于某一额定风速时，驱动相同功率热泵机组压缩机。综合考虑垂直轴风力机和匹配压缩机效率及传动装置效率，应选用额定功率大于开启式压缩机的垂直轴风力机，实现系统额定工况运行。

c.在风能直驱热泵机组供热系统主机选型过程中，应从供暖热负荷出发，结合热泵制热系数，考虑压缩机自身效率以及增速箱、联轴器传动效率，并通过合理选取变速比，确定垂直轴风力机额定转速及额定功率。

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Study on matching characteristics of vertical axis wind turbine direct-driven heat pump compressor/

ZHAO Bin1,2,MA Haipeng1,2,WANG Jianwen2,ZHONG Xiaohui1(1.School of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Hebei, Tangshan 063210,China;2.Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Utilization Technology(Inner Mongolia University of Technology),Ministry of Education Key,Hohhot 010051,China)

Wind energy heating was one of the effective ways to reduce haze in windy cold area.In view of the vertical axis wind turbines direct-drive heat pump compressor system,torque and power characteristics of the 300W vertical axis wind turbine output and opening scroll compressor input were analyzed.Special matching characteristics of opening scroll compressor was studied with the vertical axis wind turbines under different wind speed.In the selection design of the system,results showed that the efficiency of the device should be considered.The vertical axis wind turbine output power should be slightly higher than the compressor power input.Required vertical axis wind turbine design parameters could be obtained by selecting reasonable speed ratio,in order to make the system working in the rated conditions. Research results could lay theoretical basis for the parameter selection of wind energy heating system.

vertical axis wind turbine;heat pump;opening scroll compressor;speed ratio;matching characteristics

TK83

A

1005-9369（2017）06-0069-07

时间2017-6-26 17:28:56[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1728.018.html

赵斌,马海鹏,汪建文,等.垂直轴风力机直驱热泵压缩机匹配特性研究[J].东北农业大学学报,2017,48(6):69-75.

Zhao Bin,Ma Haipeng,Wang Jianwen,et al.Study on matching characteristics of vertical axis wind turbine direct-driven heat pump compressor[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):69-75.(in Chinese with English abstract)

2017-04-27

风能太阳能利用技术教育部重点实验室开放基金项目（201601）

赵斌（1968-），男，教授，博士，主要从事工程热物理及先进发电技术研究。E-mail：zhaobin19680507@163.com