加大风力致热及其储能技术的研发力度

王祖明 王祖敏 王文蔚

1.中国人寿江苏省海安支公司

2.南京东华汽车装备有限公司

3.江苏省海安县政协

20世纪80年代的中后期，欧美日加等国对风能利用的另一项重大技术——风力致热及其储能开始研究，并取得一些成果，有的成果已经进入试验、示范和实用阶段。我国西安交通大学、沈阳工业大学、中国农业大学、中国农业机械化研究院、呼和浩特畜牧机械研究所等单位，对风力致热及其储能的原理和装置进行了比较系统的研究，取得了一批可喜的成果[1]。

1 加大风力致热的研究力度

1.1 风力致热技术优势显而易见

在风力发电、风力提水已经广泛应用的今天，为什么还要投入人力、财力研究开发风力致热及其储能技术？首先是因为风力致热的能量转换效率高（见表1），其次是风力致热能够容忍风能的随机性、间歇性和波动性，对风况变化的适应性强，储热问题简单容易解决，风力致热及其储能装置结构简单成本较低。另外，致热器的功率和转速的关系特性与风力机风轮和转速的关系特性比较接近，容易实现比较合理的匹配。

表1 不同风能利用装置的变换、储存效率及装置总效率的比较表[2]单位：%

风力致热的优点显而易见，随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，对热能的需求越来越多，开发风力致热技术应用于生活供暖及农业生产等，具有广阔的发展前景。

该表的数据来源于：苏亚欣等编著的《新能源与可再生能源概论》187页（化学工业出版社2006年3月出版）；王士荣等编著的《风力提水与风力致热》168页（科学出版社2012年1月出版）：“系统总效率一般可达30%左右，比间接致热装置的总效率高。”李华山等撰写的调研报告《我国风力致热技术研究进展》（太阳能杂志2009年第9期）：“通常风力提水时的效率只有16%左右，发电时的转换效率为30%，而风力致热的转换效率可以达到40%”。来自3处的数据有所不同，可能是由于实验方法不同等原因引起，但并不妨碍风力致热装置总效率高的结论。

根据热力学定律，由高品位能量到低品位能量的转换，其理论转换效率可达100%，所以风力机的机械能转换成热能，其理论转换效率可达100%。

1.2 用热项目发展前景广阔

在日常生活中的供暖及农林牧副渔业生产及其加工过程中，以热的形式加以利用的能量很多，约占总消耗能量的60%以上。尤其在高纬度地区的秋冬和初春季节，需用的热能更多。在高纬度地区的秋冬和初春季节往往是风力比较旺盛的时期，把风能转换成热能加以利用，能充分利用这些丰富的风力资源。

据不完全统计农村利用热能的总量已经达到农村能源消费总量的60%以上。我国农村能源消费总量接近全社会能源消费总量的10%，也就是农村利用热能的总量约为全社会能源消费总量的6%。2013年我国全社会能源消费总量为36亿t标煤，其中农村热能消费2.16亿t标煤，这是一个不小的数字。可见，利用风力致热可以节省大量化石燃料，可以减少大量CO2等温室气体和有害物质的排放，对缓解能源和环境压力意义重大。

1.3 我国风能可利用资源多

风能是空气的动能，是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。但风作为一种能量资源来开发利用，必须具备3-20m/s风速，相当于3～9级风力。低于3 m/s时，它的能量太小，没有利用价值；风速大于20 m/s时，对设备的破坏性大，很难利用。风能功率密度在50 W/㎡左右时，一般不能利用。我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76%，所以在我国风能利用的潜力巨大，前景广阔。特别是我国的三北（东北、华北、西北）地区风力资源丰富。风能功率密度在200～300 W/㎡以上，有的地方可达500 W/㎡以上。可利用小时数在5 000 h以上，有的地区可达7 000 h以上。我国沿海及其岛屿风力资源也十分丰富，年有效风能功率密度在200 W/㎡以上，有的地区可达500 W/㎡以上，可利用小时数约在7 000～8 000 h。风力资源十分丰富，应加大开发利用的力度。

2 风力致热及其储能技术

2.1 风力致热

风力致热主要有液体搅拌致热、液体挤压致热、固体摩擦致热和涡电流法致热4种。另外还有液体耦合器式致热、电热致热、压缩空气致热、热泵等致热方式。目前研究较多的液体搅拌致热和液体挤压致热技术简介如下。

（1）液体搅拌致热。液体搅拌致热是在风力机的转轴上装一个搅拌转子，转子上有叶片，将搅拌转子置于装满液体的搅拌罐内，罐的内壁上也装有叶片为定子。当风力机带动转子叶片转动时，转子搅拌液体，液体在转子叶片、定子叶片及容器壁之间形成涡流；并不断撞击、摩擦，将机械能转化为热能，提高液体温度。当罐内的液体达到所需温度时，用冷的液体将热的液体送入热水容器中储存备用，从而得到所需的热能。液体搅拌致热器容易制造，无易磨损件，对载热介质无严格要求，可以用普通的水作为介质。在整个工作过程中，将投入的能量全部转换为热能，能很好地与风力机输出功率特性相匹配，功率系数大。

（2）液体挤压致热。这是一种利用油压泵和阻尼孔相配合获得能量的方式。风力机驱动油压泵旋转，把机械能转换为油的压力能，使获得压力能的油从狭小的阻尼孔高速喷出，高速喷出的油与尾流管中的低速油相冲击。油液高速通过阻尼孔时，由于分子间互相冲击，摩擦而加速分子运动，油液的动能变成热能，油温上升。由于是液体间的冲击和摩擦，故致热器不存在磨损和烧损等问题，因此，液体挤压致热器的可靠性较高，使用寿命较长。

2.2 储能技术

风力致热的原动力来自风，其致热量完全取决于当地当时的风况。而风力资源有季节性变化，分布不均匀。风力致热器的年有效利用时间由自然规律决定，在风速过大、过小或无风的情况下都不能工作。风速小的时候，可能出现致热功率不足的问题。风速过大时，可能导致设备损坏。因此要想将风力致热产生的热能大规模应用于生活供暖和农业生产，就必须进行热能的储存，以备风力致热器不能正常工作或无风时使用。此外，风能与太阳能联合致热可以解决风力分布不均匀的问题，减少风力致热系统储热装置的投资。

风能和太阳能虽然取之不尽、用之不竭、清洁、可再生，但这都是自然过程形成的能量，具有随机性、间歇性和波动性。由于风能实质是由太阳能生成的，它们之间就具有了天然的互补性[4]。特别是我国的三北地区，冬春两季风力大，夏秋两季太阳辐射强。风能和太阳能联合应用与致热，基本上可以克服由于风能的季节性变化而造成的能量不均衡的缺陷，利用率高，工作时间长，节能效果比一般系统更显著。

热能储存主要有显热储存、潜热储存和化学储存3种方式[3]。

显热储存是所有热能储存方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉的一种。显热储存又可以分为液体显热储存和固体显热储存两类。

液体显热储存的多种材料中，水是最常用的，常用于低温储热。

固体显热储存的材料有岩石、土壤、氧化镁、氧化铝、铁等，它们都可以作高温显热储存材料。

潜热储存也称相变储存，物质从固态转为液态，由液态转为气态，或由固态直接转为气态时，吸收相变热，逆过程时，则释放相变热。

化学储存是利用化学反应热的储热方式。化学储存的热能可以存放很长时间，几乎没有热量散失。

显热储存和有些低温潜热储存方式在技术上比较成熟，已达到了实用地步。中、高温潜热储存技术尚待完善，而化学储存技术基本上还处于实验室研究阶段。

3 国内外风力致热装置研发概况[3]

丹麦皇家农牧大学研制的液体搅拌致热装置，风轮直径为6 m，当转速为400 r/min时,致热器吸收功率为4～10kW。试验表明，当致热器内的水量为135 L时,当地年平均风速在6 m/s左右的情况下，全年可产出25 000 kWh的能量。

美国爱荷华州的一家农场安装了1套液体搅拌致热装置，为鸡舍供暖，储热水箱容积为2 270 L,换热总功率为78 kW,其中32%由风力致热装置提供，其他热量及无风天时，由电网提供热能。

爱荷华州大学为当地农村设计的液体搅拌致热装置输出功率为500 kW，为农户供应热水可满足70%左右热水供应。

美国马萨诸塞大学建造了一种风能与太阳能联合供热系统，风力发电机的风轮直径为10 m，在42 km/h的风速下，能产生37 kW功率。晴天，太阳能热水器将来自风力致热装置的温水再加热，被加热的水储存在地下室的水泥储水罐内，需要时用泵将热水送至校区热水供应处使用。

日本津岛厂制造的是液体挤压致热装置，该装置有风力机、致热器和储热设备，风轮直径为10 m，在平均风速为5～6 m/s时，经过10 h运行，能将3m3的水从15℃提升到40～50℃。产品已在北海道农场使用，为蔬菜温室供暖。在青森县车力村为冬季的花卉温室供暖。在无风的天气，用锅炉烧稻壳产生热风与热水供暖，风力致热装置与烧稻壳的锅炉联合运行，保证了1 000 m2温室温度不低于15℃。日本秋田县有一套压缩空气风力致热装置为温室供暖，风轮直径为14 m，风轮额定转速为87 r/min，平均输出功率为22 kW，当室外气温为-5℃时，140 m2的温室的温度不低于15℃。

日本小松制造厂生产的液体搅拌致热装置，安装在静冈县大仁镇，风轮直径为15 m，额定风速为8 m/s时，此刻风轮转速为72 r/min，输出功率为25 kW。用于鳗鱼养殖，取得较好的经济效益。

英国风能资源公司研制的风力致热装置，风轮直径为3 m、5 m、7m、18 m等4种，风轮直径为18 m，用于2 000 m2的温室供暖效果良好。

荷兰一种风力机风轮直径为16.5 m的液体搅拌致热装置，其工作介质是水，运行时水温可升至80～90℃。该风力致热装置每年生产的热能相当于12 000 m3天然气燃烧后产生的热量。

据荷兰有关部门统计，在冬季给温室供暖的能量，若30%由风力致热提供，则每年可节省天然气4亿m3，可以推断，荷兰的风力致热系统每年大概应产出近20亿kWh的能量供给温室采暖。

沈阳工业大学研制的液体挤压致热装置，风力机风轮直径为16 m，额定网速为8 m/s,塔高18 m，风轮轴与传动轴的增速比为3:1，风力机的额定输出功率为20 kW，致热器为油压阻尼式，工作介质为30号液压油，储热器采用氯化石蜡为储热介质，容积为1.25 m3，总储能量为3.0×105 kJ，换热能力为4.18×104 kJ/h。

目前，中国农大、西安交大、中国农机研究院、呼和浩特畜牧机械研究所等高校和科研单位的风力致热装置主要用于牛奶保鲜及为奶牛场供应热水，干燥玉米棒、人参等，为沼气池增温和给浴室供应热水，风能与太阳能联合致热为室内供暖，风能和太阳能联合致热进行海水淡化等。

4 我国与发达国家差距不大，可以做出更多贡献

欧美等发达国家对风力致热的研究，开始于20世纪80年代的中期，但是国外有关风力致热的较详细原理及技术报道较少。沈阳工业大学热能研究所于1985年研制了一台20 kW的油压式风力致热系统[1]。1990年吴书远等通过理论研究推导出了风力机与致热器之间在额定工况下达到最佳匹配的理论公式，并指出无论风速如何变化，风力致热器总可以较好地吸收风能；风力机与致热器的最佳匹配条件，可以作为液压式致热元件设计的参考公式。并研制出一种致热的关键元件——多级节流孔板。1998年，中国农业大学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数据，还给出了搅拌式风力致热器的设计方法及相应的计算机设计程序[1]。西安交大、中国农机研究院、呼和浩特畜牧机械研究所等单位都对风力致热进行了研究开发、试验、示范。

[1]李华山,冯晓东,刘通调研报告《我国风力致热技术研究进展》，太阳能杂志社.2008.9

[2]苏亚欣,毛玉如,赵敬德《新能源与可再生能源概论》，化学工业出版社.2006.3

[3]王世荣,沈德昌,刘国喜《风力提水与风力致热》，科学出版社.2012.1

[4]吴佳梁,曾赣生,余铁辉等《风光互补与储能系统》，化学工业出版社.2012.5