CN102606409B - 一种风力致热系统及其热量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力致热领域，对现有装置结构复杂及无法控制热量转化量的问题，本发明提出一种风力致热系统，包括风机部分、传动部分、液压致热部分和储热散热部分；风机部分将捕获的风能转换成轴的旋转形式的机械能；液压致热部分包括液压泵、油箱、吸油管路和排油管路以及液压控制阀和回油管路；所述液压泵的主轴通过所述传动部分与所述风机部分的轴联接；回油管路的一端连通所述液压控制阀的出口，另一端连通所述储热散热部分的入口；液压泵通过吸油管路从油箱中吸油，通过排油管路将高压油液排出，高压油液进入液压控制阀产生压力损失后带着热量通过回油管路流入储热散热部分。这样的系统结构简单、可靠性高，并且可以控制热量的转化量。

Description

一种风力致热系统及其热量控制方法

技术领域

本发明涉及风能或风力的利用领域，尤其涉及将风能或风力转化成热能的系统及其热量控制方法。

背景技术

与化石能源相比，新能源(风能、太阳能、潮汐能等)因无污染性和可再生性，而受到越来越强的重视。这其中，风能是目前最有可能大规模开发利用的新能源，风能利用已经有几个世纪的历史，而且风力发电也进入成熟阶段并被广泛应用。

然而，在许多场合最终需要的却是热能，例如在风力资源丰富的地区，家庭供暖所需要的热能，如西北地区农村家庭的供热或取暖系统。若将风能转化成电能，再将电能转化成热能；虽然电能转换成热能的效率是100％，但风能转换成电能的效率却很低，且需要发电机和电能储存装置，系统组成复杂、成本高，因此从能量利用率和实用性的角度看，这种风能致热方法是不可取的。

目前，除了先发电后致热的方式以外，风力致热的方法还有以下几种：

一、由风力机将风能转换成空气的压缩能，再转换成热能，即由风力机带动空气压缩机，对空气进行绝热压缩而释放出热量。这种方法效率较高，适应压力范围广，但是系统组成较复杂、成本较高，不利于家庭供暖使用。

二、搅拌液体致热，即风力机带动搅拌器转动，利用摩擦生成热能，从而使液体(水或油)变热，具有结构简单的优点，但热能的储存和传送不便。

三、固体摩擦致热，风力机输出轴驱动摩擦片，利用摩擦生成热能。具有结构简单的显著优点，但摩擦片磨损严重，需经常更换，且热能的储存、传送和使用不便。

四、由风力机带动液压泵，使液体加压后再从狭小的阻尼孔中高速喷出而使液体加热。例如，中国专利(申请号：200820098679.2)就描述了这种液体挤压致热的方式。然而，专利中描述的装置结构复杂、可靠性低，遇到问题必须有专人维修，不便于在农村地区推广使用；而且也不便于控制热量的转化量。

发明内容

针对上述液体挤压致热系统存在的结构复杂等问题，本发明提出一种风力致热系统，该风力致热系统包括风机部分、传动部分、液压致热部分和储热散热部分；所述风机部分将捕获的风能转换成轴的旋转形式的机械能；所述液压致热部分包括液压泵、油液被充分供给的油箱、连通所述液压泵与所述油箱的吸油管路和排油管路以及在所述排油管路上的液压控制阀和回油管路；所述液压泵的主轴通过所述传动部分与所述风机部分的轴联接；所述回油管路的一端连通所述液压控制阀的出口，另一端连通所述储热散热部分的入口；当所述风机部分的轴在风力的带动下旋转时，所述液压泵的主轴随之转动，从而使得液压泵通过吸油管路从所述油箱中吸油，然后通过排油管路将高压油液排出，所述高压油液进入液压控制阀并且产生压力损失后带着热量通过所述回油管路流入所述储热散热部分中。

与现有技术相比，本发明的风力致热系统通过将风能转化成机械能，再从机械能转化成液压能，由液压系统中的液压控制阀将液压能转化成热能，其转换方便、装置简单、容易实现而且成本低，适宜风能与热能的转换、储存和利用，在风能资源丰富且集中供热实施困难的西北地区，尤其是广大的农村地区，具有广阔的应用前景。

优选地，所述液压控制阀是流量控制阀。

或者，优选地，所述液压控制阀是直动式溢流阀。

采用上述两种液压控制阀，便于控制阀口的压力损失。

优选地，所述液压泵为定量泵。这样液压泵输出的流量不变，便于控制阀口的压力损失。

优选地，所述传动部分是齿轮传动机构或者联轴器。

优选地，所述储热散热部分是所述液压致热部分中的油箱。这样，更简化了整个系统的结构。

优选地，所述风机部分包括带轴的轮毂和安装在轮毂上的叶片。

本发明还提出了热量控制的方法。

当所述风力致热系统采用流量控制阀时，通过控制流量控制阀的阀口面积来控制热量的转化量。

当所述风力致热系统采用直动式溢流阀时，通过控制所述直动式溢流阀中的弹簧的预压缩量来控制热量的转化量。

附图说明

图1是本发明的风力致热系统的一种原理图；

图2是本发明的风力致热系统所采用的一种直动式溢流阀的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的风力致热系统包括风机部分、传动部分、液压致热部分和储热散热部分。所述风机部分包括塔架1、支撑在塔架1上的壳体2、壳体2内部靠近外侧的具有主轴的轮毂、以及安装在轮毂上的叶片3。所述传动部分是指将风机部分的机械能传递给液压致热部分的机构，可以是齿轮传动机构4，也可以是联轴器4。所述液压致热部分包括液压泵5、油箱6、吸油管路7、排油管路8，以及在排油管路8与储热散热部分之间的液压控制阀9和连通液压控制阀9与储热散热部分的回油管路10。液压泵5通过传动机构4与轮毂的轴联接，当叶片3在风力的作用下旋转时，叶片带动轮毂及其轴转动，这样风能就转化成机械能。轮毂轴的转动通过齿轮传动机构或联轴器4传递给液压泵5，从而带动液压泵转动，液压泵5通过吸油管路7从油箱6中吸油，使油液的压力升高，这样机械能就转化成了油液的压力能。高压油液通过排油管路8输送到液压控制阀9，在液压控制阀9的阀口处产生压力损失，把液压能转化为热能，热能随着油液通过回油管路10进入到储热散热部分中。所述储热散热部分可以是与油箱6类似的油箱，热油进入到该油箱后通过油箱表面的散热面将热量传递给供暖系统。在这样的情况下，油箱6必须被不断的供油，该供给油可以是储热散热部分中冷却的油，此时可以将储热散热部分放置于较高处，冷却油液通过自身重力就进入到油箱6中，供给油也可以是另外一单独油箱的油。当然，为了简便，该储热散热部分可以是油箱6本身，如图1所示。在油箱6上可以设置液位液温计11，以观察油箱6中油液的液位和温度。

在本发明中，液压泵是一种能量转换装置，它把由叶片输入的机械能转化为油液的压力能并排出高压油液；液压控制阀是控制油液的压力或流量的控制元件，油液流过液压控制阀的阀口会产生压力损失从而产生能量损失，并最终将其转化为热量随着油液进入储热散热部分中。液压控制阀是本发明中产生热能的主要元件。

本发明的风力致热系统也非常便于对转换的热量进行控制。

根据能量守恒定律，单位质量油液在液压控制阀的进口处的各种形式能量的总和与出口处的各种形式能量的总和相等，即：

$\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{gz}}_1+\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\υ}}_1^2}{2}=\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{gz}}_2+\frac{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\υ}}_2^2}{2}+{\mathrm{gh}}_w---\left(1\right)$

在公式(1)中：

公式左右两边的第一项为单位质量油液的压力能，p₁为液压控制阀的进口处的油液压力，p₂为液压控制阀的出口处的油液压力，ρ为油液的密度；

公式左右两边的第二项为单位质量油液的重力势能；

公式左右两边的第三项为单位质量油液的动能；

公式右边的第四项gh_w为单位质量油液流过液压控制阀的能量损失，即产生的热能。

在液压系统中，单位质量油液的动能和重力势能与压力能相比很小，常忽略不计，公式(1)可变为：

${\mathrm{gh}}_w=\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}}-\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}}=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

公式(2)中，Δp为油液流过液压控制阀的阀口产生的压力损失。

由公式(2)可见，通过控制油液流过液压控制阀的阀口产生的压力损失Δp就可按要求对转化的热量进行控制。

流过液压控制阀阀口的油液流量和压力损失Δp之间满足以下关系：

$q=c_{d}A\sqrt{2\mathrm{\Δp}/\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

公式(3)中，q为流过液压控制阀阀口的油液流量，c_d为液压控制阀阀口流量系数，A为液压控制阀阀口面积。

当液压泵采用定量泵，在叶片转速不变的情况下，液压泵输出的流量q恒定不变，液压控制阀采用液压流量控制阀，由式(3)可见，通过改变流量控制阀的阀口面积A即可改变油液流过阀口的压力损失Δp，从而对转化的热量进行控制。

当液压控制阀采用直动式溢流阀时，本发明的风力致热系统对转化的热量也是可以控制的。如图2所示，直动式溢流阀的进油口P与图1中的排油管路8相接，回油口T与储热散热部分(例如，图1中的油箱6)相接。当阀进油口中的油液压力较低时，阀芯13被弹簧14紧压在阀体12中的孔口上，阀口关闭；当阀进油口中的油液压力升高到能克服弹簧力时，便推开阀芯13使阀口打开，油液就由进油口P经阀口流入阀腔，再从回油口T流回储热散热部分。

当直动式溢流阀稳定工作时，作用在阀芯上的力处于平衡状态。忽略液动力、重力等，则阀芯的力平衡方程为：

ΔpA＝F_s                                (4)

式中，Δp为直动式溢流阀进出油口油液的压力差，也是油液流过直动式溢流阀的阀口产生的压力损失；A为阀芯左端的承压面积；Fs为弹簧力，Fs＝k(x+x₀)。

所以 $\mathrm{\Δp}=\frac{K(x_0+x)}{A}---\left(5\right)$

公式(5)中，K为弹簧的刚度；x₀为弹簧的预压缩量；x为阀口开度

由公式(5)可见，直动式溢流阀的阀口处产生的压力损失Δp由弹簧力所限定，由于x＜＜x₀，因此通过旋拧调节手轮15改变弹簧预压缩量x₀便可以直接调节油液流过直动式溢流阀阀口的压力损失Δp，从而对转换的热量进行控制。

Claims (9)

1.一种风力致热系统，其特征在于，包括风机部分、传动部分、液压致热部分和储热散热部分；所述风机部分将捕获的风能转换成轴旋转形式的机械能；所述液压致热部分包括液压泵、油液被充分供给的油箱、连通所述液压泵与所述油箱的吸油管路和排油管路以及在所述排油管路上的液压控制阀和回油管路；所述液压泵的主轴通过所述传动部分与所述风机部分的轴联接；所述回油管路的一端连通所述液压控制阀的出口，另一端连通所述储热散热部分的入口；当所述风机部分的轴在风力的带动下旋转时，所述液压泵的主轴随之转动，从而使得液压泵通过吸油管路从所述油箱中吸油，然后通过排油管路将高压油液排出，所述高压油液进入液压控制阀并且产生压力损失后带着热量通过所述回油管路流入所述储热散热部分中。

2.根据权利要求1所述的风力致热系统，其特征在于，所述液压控制阀是流量控制阀。

3.根据权利要求1所述的风力致热系统，其特征在于，所述液压控制阀是直动式溢流阀。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的风力致热系统，其特征在于，所述液压泵为定量泵。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的风力致热系统，其特征在于，所述传动部分是齿轮传动机构或者联轴器。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的风力致热系统，其特征在于，所述储热散热部分是所述液压致热部分中的油箱。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的风力致热系统，其特征在于，所述风机部分包括带轴的轮毂和安装在轮毂上的叶片。

8.一种热量控制方法，对权利要求2所述的风力致热系统进行热量控制，其特征在于，通过控制流量控制阀的阀口面积来控制热量的转化量。 

9.一种热量控制方法，对权利要求3所述的风力致热系统进行热量控制，其特征在于，通过控制所述直动式溢流阀中的弹簧的预压缩量来控制热量的转化量。 

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