CN103776197A - 基于风能致热的室内温度综合调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于风能致热的室内温度综合调节系统，其由风力机带动涡电流致热器将液体显热存储蓄热器中的水加热，通过套管式换热器，冬季用于向室内供暖；液体显热存储蓄热器中的热水可作为吸收式制冷装置的热源，通过运行，在夏日即可降低室内温度。在风能致热系统中应用涡电流致热器，系统总效率较高；设备结构比较简单；对风况质量要求不高，对不同风速变化频率、不同风速范围有较好的适应性能。本发明是利用风能致热系统对室温进行升温降温综合控制，是风能致热技术在生产生活中的应用发展。

Description

基于风能致热的室内温度综合调节系统及方法

技术领域：本发明涉及一种基于风能致热的室内温度综合调节系统。属风能致热技术领域。用于风能致热技术开发利用问题。 

背景技术：风能是一种可再生能源，人们利用风能的历史源远流长。随着时代的发展，风能利用领域在逐渐扩大。风能的利用主要应用于风力发电装置和风力提水，然而随着风力机效率的提高，风能利用的另一种主要形式——风力致热成为新的研究课题，具有良好的应用发展前景。风能致热是将风能转化为热能。风力致热是近几十年来兴起的风能开发利用技术。 

风力致热主要是机械变热。风力致热有四种：液体搅拌致热、固体磨擦致热、挤压液体致热和涡电流法致热等。 

1、液体搅拌致热在风务机的转轴上联接一搅拌转了，转子上装有叶片，将搅拌转子置于装满液体的搅拌罐内，罐的内壁为珲子，也装有叶片，当转子带动叶片放置时，液体就在定子叶片之间作涡流运行，并不断撞击叶片，如此慢慢使液体变热，就能得到所需要的热能。这种方法可以在任何风速下运行，比较安全方便，磨损小。 

2、固体磨擦致热风力机的风轮雷动，在转运轴上安装一组制动元件，利用离心力的原理，使制动元件与固体表面发生磨擦。用磨擦产生的去加热油，然后用水套将热传出，即得到所需的热。这种方法比较简便，但是着急在于制动元件的材质，要选择合适的耐摩材料。国内试验，采用普通汽车的刹车片做制动元件，大约运转300小时就要更换，磨损太快。 

3、挤压液体致热这种方法要利用液压泵和阻尼孔来进行致热，当风力机带动液压泵工作时，将液体工质（通常为油料）加压，使机械能产生液压作用， 多面手让被加压的工质从狭小的阻尼孔高速喷出，使其迅速射在阻尼孔后尾流管中的液体上，于是发生液体分子间的高速冲击和磨擦，这就使液体发热。这种方法也没有部件磨损，比较可靠。 

4、涡电流法致热靠风力机转轴驱动一个转子，在转子外缘与定子之间装上磁化线圈，当微弱电流通过磁化线圈时，便产生磁力线。这时转子放置，则切割磁力线，在物理学上，磁力线被切割进，即产生涡电流，并在定子和转子之间生成热。这就是涡电流致热。为了保持磁化线圈不被坏，可在定子外套加一环形冷却水套，不断把热带走，于是人们就能得到所需要的热水，这种致热过程主要是机械转运，磁化线圈所消耗的电量很少，而且呆以从由风力发电充电的蓄电池获得直流电源，因此不同一电加热，风能转换效率较高。 

我国地域幅员辽阔，风能资源丰富，特别实在广大农村农业生产中，以热的形式加以利用的能量很多，这些对热能的需求一般并不要求太高的温度，且风能致热对风质量要求不高，多数致热器都能在很宽的范围内正常工作，多数致热装置结构比较简单，操作容易，安装、移动方便，充分利用风能致热能产生良好的经济社会效益。 

发明内容：

发明目的：一种基于风能致热的室内温度综合调节系统，其目的是利用风能致热技术调节室内温度，是风能制热技术开发利用问题。 

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种基于风能致热的室内温度综合调节装置，其特征在于：该装置包括风力机、致热器、水泵、蓄热器、换热器和制冷装置；风力机连接致热器并带动致热器工作，致热器与蓄热器通过循环管路连接，蓄热器一方面通过循环管路与制冷装置连接，另一方面通过循环管路与换热器连接。 

致热器与蓄热器连接的循环管路包括进水管与回水管，在致热器与蓄热器之间的回水管上设置有水泵；蓄热器与换热器连接的循环管路也包括进水管与回水管，在蓄热器与换热器连接的回水管处设置有另一个水泵。 

致热器为涡电流致热器，蓄热器为液体显热存储的蓄热器，换热器为套管式换热器，制冷装置采用吸收式制冷装置；在蓄热器上还设置有通风管。 

换热器为套管式换热器，其由两种不同直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将它们连接成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元。 

利用上述的基于风能致热的室内温度综合调节装置所实施的基于风能致热的室内温度综合调节方法，其特征在于：风力机采用水平轴升力型小型风力机，风力机的风轮叶片利用如下方法进行小型风轮叶片气动设计： 

风电机组的额定转速应包括风轮额定转速，即低速轴转速和发电机额定转速，即高速轴转速；对于带有增速齿轮的机组，二者的关系如下式： 

$n_s=\frac{n_H}{i}$

式中，n_s为风轮转速，r/min；n_H为发电机转速，r/min；i为齿轮的变速比，对于直驱式机组，变速比i＝1。 

将风轮叶片沿径向选取若干横截面，通过确定这些横截面的几何参数，则可以确定整个叶片的弦长、扭转角和剖面厚度的分布数据； 

设叶片全长为m，一般采用将叶片N等分，O点为轮毂中心点，O0为轮毂外圆半径，k=0，1，2，…，N，k=0时为叶根截面，k=N时为叶尖截面,每相邻两个横截面之间的长度m为 

$l=\frac{L}{N}$

第k个横截面距风轮轴心的距离m为 

$r_{\mathrm{lk}}=\frac{d}{2}+k\×l$

式中，为轮毂的外圆直径; 

第k个横截面的周速比λ_k为： 

${\mathrm{\λ}}_k=\frac{{\mathrm{\ω}}_{1k}}{V}=\frac{\mathrm{\ωR}}{V}\frac{r_{1k}}{R}=\mathrm{\λ}\×\frac{r_{1k}}{R}$

式中，λ为风轮的叶尖速比；R（m）为风轮半径；r_1k（m）为叶片第k个横截面处到轮毂中心点的距离。 

三个速度矢量的大小和方向之间满足直角三角形的关系，因此，叶片各横截面入流角为： 

叶片第k个横截面的攻角为： 

$\mathrm{\λ}\frac{r_{1k}}{R}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_k({2\cos \mathrm{\α}}_k-1)}{(1+2{\cos \mathrm{\α}}_k)(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}$

求出第k个横截面的入流角和攻角后，按式 

得到其安装角。 

叶片气动设计选择满足最大升阻比条件下的升力系数。升力系数确定后，叶片各横截面翼型的弦长为： 

$c_k=\frac{{8\mathrm{\πr}}_k(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}{N_P{C}_{\mathrm{LK}}}$

对于不同的叶片翼型，所取的前缘半径是不同的。前缘半径的大小为： 

r_1k＝K₁C_k

式中，K₁为前缘半径系数，对于不同的翼型，一般为一个常数； 

各种翼型在不同雷诺数下的升阻关系曲线是不同的，本翼型雷诺数为： 

$\mathrm{Re}=\frac{2{\mathrm{\ρVr}}_k}{\mathrm{\μ}}.$

所述的基于风能致热的室内温度综合调节方法，其特征在于：液体显热存储蓄热器的液体显热存储材料采用水，蓄热器单位时间散失的热量为 

$Q_0=\mathrm{\λA}\frac{t_1-t_2}{\mathrm{\δ}}$

式中，Q₀为蓄热器单位时间散失的热量，W/s；λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)；t₁为蓄热器内液体温度，℃；t₂为环境温度，℃；δ为保温层厚度，m。 

并在保温材料的表面设置了防潮层。 

优点及效果：本发明提供一种基于风能致热的室内温度综合调节系统，其由风力机带动涡电流致热器将液体显热存储蓄热器中的水加热，通过套管式换热器，冬季用于向室内供暖；液体显热存储蓄热器中的热水可作为吸收式制冷装置的热源，通过运行，在夏日即可降低室内温度。 

在风能致热系统中应用涡电流致热器，系统总效率较高；设备结构比较简单；对风况质量要求不高，对不同风速变化频率、不同风速范围有较好的适应性能。 

本发明是利用风能致热系统对室温进行升温降温综合控制，是风能致热技术在生产生活中的应用发展。 

附图说明：

图1为风能致热室内温度综合调节系统的组成及系统结构。 

图2为风力机系统组成及系统结构。图中9为发电机，10为传动装置，11为调速机构，12为风轮，13为机头座及回转体，14为塔架。 

图3为涡电流致热器组成结构图。15为流体，16为定子，17为磁化线圈，18为传动轴，19为转子。 

图4为液体显热存储的储热器结构图。20为液体进口，21为保温材料，22为壳体，23为液体出口。 

图5为套管式换热器结构图。24为内管，25为接口，26为外管，27为U形管，28为接管。 

图6为叶片等分图。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明： 

如图1所示，基于风能致热的室内温度综合调节装置，该装置包括风力机1、致热器2、水泵、蓄热器4、换热器5和制冷装置6；风力机1连接致热器2并带动致热器2工作，致热器2与蓄热器4通过循环管路连接，蓄热器4一方面通过循环管路与制冷装置6连接，另一方面通过循环管路与换热器5连接。 

致热器2与蓄热器4连接的循环管路包括进水管与回水管，在致热器2与蓄热器4之间的回水管上设置有水泵3；蓄热器4与换热器5连接的循环管路也包括进水管与回水管，在蓄热器4与换热器5连接的回水管处设置有另一个水泵7。 

致热器为涡电流致热器，蓄热器为液体显热存储的蓄热器，换热器为套管式换热器，制冷装置采用吸收式制冷装置；在蓄热器4上还设置有通风管8。 图1中的111为房屋。 

由风力机带动致热器将蓄热器中的水加热，通过换热器，冬季用于向室内供暖；蓄热器中的热水可作为吸收式制冷装置的热源，通过运行，在夏日即可降低室内温度。 

致热器为涡电流致热器，蓄热器为液体显热存储的蓄热器，换热器为套管式换热器，制冷装置采用吸收式制冷装置。 

当热水储箱中的水温达60-70℃时，打开相关的阀门（图中未绘），开动水泵，让热水储箱的热水沿室内采暖管路流动，水的热量经换热器及管路传递给室内的空气，提高室内的温度。到了炎热的夏天，为了适当地降低室内温度，可装设吸收式制冷装置，利用热水储箱作为吸收式制冷装置的热源，通过运行即可把燥热的室内温度降下来。 

图2为风力机系统组成及系统结构。风力机采用水平轴升力型小型风力机，利用图解法进行小型风轮叶片气动设计。 

首先确定有关额定数据，包括：额定风速、机组额定功率、风轮叶片数、额定转速（角速度）。 

风电机组的额定转速应包括风轮额定转速（低速轴转速）和发电机额定转速（高速轴转速）。对于带有增速齿轮的机组，二者的关系如下式： 

$n_s=\frac{n_H}{i}$

式中，n_s为风轮转速，r/min；n_H为发电机转速，r/min；i为齿轮的变速比，对于直驱式机组，变速比i＝1。 

然后确定风轮叶片外形尺寸。风轮叶片外形尺寸主要包括：风轮直径、轮毂直径、叶片长度、翼型选择等。 

将风轮叶片沿径向选取若干横截面。通过确定这些横截面的几何参数，则可以确定整个叶片的弦长、扭转角和剖面厚度的分布数据。 

设叶片全长为（m），一般采用将叶片N等分，如图6所示 

图6中，O点为轮毂中心点，O0为轮毂外圆半径，k=0，1，2，…，N，k=0时为叶根截面，k=N时为叶尖截面。每相邻两个横截面之间的长度（m）为 

$l=\frac{L}{N}$

第k个横截面距风轮轴心的距离（m）为 

$r_{\mathrm{lk}}=\frac{d}{2}+k\×l$

式中，d为轮毂的外圆直径。 

计算叶片各横截面的几何参数包括入流角、攻角、安装角、弦长、前缘半径、后缘角等。 

由于上述几何参数均与各横截面的周速比有关，因此首先计算周速比。 

第k个横截面的周速比λ_k为： 

${\mathrm{\λ}}_k=\frac{{\mathrm{\ω}}_{1k}}{V}=\frac{\mathrm{\ωR}}{V}\frac{r_{1k}}{R}=\mathrm{\λ}\×\frac{r_{1k}}{R}$

式中，λ为风轮的叶尖速比；R（m）为风轮半径；r_1k（m）为叶片第k个横截面处到轮毂中心点的距离。 

三个速度矢量的大小和方向之间满足直角三角形的关系。因此，叶片各横截面入流角为： 

叶片第k个横截面的攻角为： 

$\mathrm{\λ}\frac{r_{1k}}{R}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_k({2\cos \mathrm{\α}}_k-1)}{(1+2{\cos \mathrm{\α}}_k)(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}$

周速比越大（例如叶尖处）攻角越小；随着周速比的减小，攻角将随之增大；在接近叶根部分时，周速比已经变得很小，而攻角则急剧增大，表现出明显的非线性特征。实际上，由于叶片叶根部分的扫掠面积很小，对风力机输出功率的贡献也很小，因此，在叶根部分常常不采用上式计算，而是对这部分攻角值进行适当修正处理。 

求出第k个横截面的入流角和攻角后，按式 

得到其安装角。 

叶片气动设计选择满足最大升阻比条件下的升力系数。升力系数确定后，叶片各横截面翼型的弦长为： 

$c_k=\frac{{8\mathrm{\πr}}_k(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}{N_P{C}_{\mathrm{LK}}}$

对于不同的叶片翼型，所取的前缘半径是不同的。前缘半径的大小为： 

r_1k＝K₁C_k

式中，K₁为前缘半径系数，对于不同的翼型，一般为一个常数。 

各种翼型在不同雷诺数下的升阻关系曲线是不同的。本翼型雷诺数为： 

${\mathrm{Re}}_k=\frac{{2\mathrm{\ρVr}}_k}{\mathrm{\μ}}.$

图3为涡电流致热器组成结构图。涡电流致热器是利用导体在磁场中做切割力线运动时，导体表面便产生涡电流。传动轴上面固定着用铜制造的转子，转子外缘上有齿槽；转子的外圈圆周处有用软钢材制造的定子，转子与定子之间有很小的间隙；定子内有吸热流体通过，并在靠近转子的内圆周侧有磁化线 圈；用蓄电池向磁化线圈通直流电，当直流电通过磁化线圈时，便产生磁场。 

当风力机带动传动轴及转子旋转时，转子外圆周上的齿槽的齿切割磁力线，产生涡电流，致使定子和转子的齿槽附近产生热，热量被定子的环形冷却液套中的流体吸收并向外供热；同时线圈温度下降，防止磁化线圈被烧坏。若能在转子内部也设有冷却液体通道，可进一步提高致热效率。在风能致热系统中应用涡电流致热器，系统总效率较高；设备结构比较简单；对风况质量要求不高，对不同风速变化频率、不同风速范围有较好的适应性能。 

图4为液体显热存储的蓄热器的结构图。液体显热存储材料采用水，原因是：⑴水的来源丰富，价格低廉。⑵其物理、化学以及热力性质已被清楚了解，且使用技术最为成熟。⑶它可兼作致热介质和储热介质，不必设热交换器。⑷其传热和流动性能好，比热值大，膨胀系数和黏滞性较小，适合于自然对流和强制循环等。 

蓄热器的内、外温度差(t₁-t₂)及保温材料的性能、厚度、表面积等，决定着蓄热期限的长短。 

蓄热器单位时间散失的热量为 

$Q_0=\mathrm{\λA}\frac{t_1-t_2}{\mathrm{\δ}}$

式中，Q₀为蓄热器单位时间散失的热量，W/s；λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)；t₁为蓄热器内液体温度，℃；t₂为环境温度，℃；δ为保温层厚度，m。 

保温材料的导热系数一般随温度的升高而增大；材料的密度越大，导热系数越大；含水量高的保温材料，比干燥状态的保温材料的导热系数高，因此保温材料的表面设置了防潮层。 

图5为套管式换热器的结构图。由两种不同直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将它们连接成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元。换 热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管之内的环隙，内管的壁面为传热面，按逆流方式进行换热。套管式换热器结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数。套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和需要的传热面积不大的场合。 

套管式换热器是一种表面换热器。根据所要求的换热量Q，所给定的热流体的流量m₁、比定量热容C_P1、进出口温度t₁'和t₂'以及相应的冷流体的数据(m₂,C_p2,t₁',t₂')，利用表面式换热器热平衡方程，即如果忽略换热器对外散热损失和换热器的泄漏损失，根据热力学第一定律，热流体所放出的热量就等于冷流体所吸收的热量，其热平衡方程式为 

Q＝m₁C_p1(t₁'-t₁'')＝m₂Cp₂(t₂''-t₂') 

和传热方程式，即冷、热流体间的传热方程式为 

$Q=\mathrm{KF\Δ}\stackrel{\‾}{t}$

式中，Q为单位时间冷、热流体间的传热量，W/s；F为冷、热流体间的传热面积，m²；K为传热系数，W/(m²·℃)，是对传热面积F而言的平均值；

为热流体与冷流体之间沿换热面温度差变化的平均值，℃。 

设计出换热器所具有的换热面积为F。并对已有的换热器进行复核，看其是否满足预定的换热要求。已知换热面积F，热、冷流体的流量m₁，m₂，相应的比定压热容C_P1，C_P2以及热、冷流体的入口温度t₁'和t₂'，校核流体被冷却到t₁''时，冷流体所能达到的终温度t₂''或换热器的传热量Q。换热器为套管式换热器，其由两种不同直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将它们连接成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元；换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管之内的环隙，内管的壁面为传热面，按逆流方式进行换热。 

Claims (6)

1.一种基于风能致热的室内温度综合调节装置，其特征在于：该装置包括风力机（1）、致热器（2）、水泵、蓄热器（4）、换热器（5）和制冷装置（6）；风力机（1）连接致热器（2）并带动致热器（2）工作，致热器（2）与蓄热器（4）通过循环管路连接，蓄热器（4）一方面通过循环管路与制冷装置（6）连接，另一方面通过循环管路与换热器（5）连接。

2.根据权利要求1所述的基于风能致热的室内温度综合调节装置，其特征在于：致热器（2）与蓄热器（4）连接的循环管路包括进水管与回水管，在致热器（2）与蓄热器（4）之间的回水管上设置有水泵（3）；蓄热器（4）与换热器（5）连接的循环管路也包括进水管与回水管，在蓄热器（4）与换热器（5）连接的回水管处设置有另一个水泵（7）。

3.根据权利要求1所述的基于风能致热的室内温度综合调节装置，其特征在于：致热器为涡电流致热器，蓄热器为液体显热存储的蓄热器，换热器为套管式换热器，制冷装置采用吸收式制冷装置；在蓄热器（4）上还设置有通风管（8）。

4.根据权利要求1所述的一种基于风能致热的室内温度综合调节系统，其特征在于：换热器为套管式换热器，其由两种不同直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将它们连接成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元。

5.利用权利要求1所述的基于风能致热的室内温度综合调节装置所实施的基于风能致热的室内温度综合调节方法，其特征在于：风力机采用水平轴升力型小型风力机，风力机的风轮叶片利用如下方法进行小型风轮叶片气动设计：

风电机组的额定转速应包括风轮额定转速，即低速轴转速和发电机额定转速，即高速轴转速；对于带有增速齿轮的机组，二者的关系如下式：

$n_s=\frac{n_H}{i}$

式中，n_s为风轮转速，r/min；n_H为发电机转速，r/min；i为齿轮的变速比，对于直驱式机组，变速比i＝1；

将风轮叶片沿径向选取若干横截面，通过确定这些横截面的几何参数，则可以确定整个叶片的弦长、扭转角和剖面厚度的分布数据；

设叶片全长为m，一般采用将叶片N等分，O点为轮毂中心点，O0为轮毂外圆半径，k=0，1，2，…，N，k=0时为叶根截面，k=N时为叶尖截面,每相邻两个横截面之间的长度m为

$l=\frac{L}{N}$

第k个横截面距风轮轴心的距离m为

$r_{\mathrm{lk}}=\frac{d}{2}+k\×l$

式中，为轮毂的外圆直径;

第k个横截面的周速比λ_k为：

${\mathrm{\λ}}_k=\frac{{\mathrm{\ω}}_{1k}}{V}=\frac{\mathrm{\ωR}}{V}\frac{r_{1k}}{R}=\mathrm{\λ}\×\frac{r_{1k}}{R}$

式中，λ为风轮的叶尖速比；R（m）为风轮半径；r_1k（m）为叶片第k个横截面处到轮毂中心点的距离；

三个速度矢量的大小和方向之间满足直角三角形的关系，因此，叶片各横截面入流角为：

叶片第k个横截面的攻角为：

$\mathrm{\λ}\frac{r_{1k}}{R}=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_k({2\cos \mathrm{\α}}_k-1)}{(1+{2\cos \mathrm{\α}}_k)(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}$

求出第k个横截面的入流角和攻角后，按式

得到其安装角；

叶片气动设计选择满足最大升阻比条件下的升力系数；升力系数确定后，叶片各横截面翼型的弦长为：

$c_k=\frac{{8\mathrm{\πr}}_k(1-{\cos \mathrm{\α}}_k)}{N_P{C}_{\mathrm{LK}}}$

对于不同的叶片翼型，所取的前缘半径是不同的；前缘半径的大小为：

r_1k＝K₁C_k

式中，K₁为前缘半径系数，对于不同的翼型，一般为一个常数；

各种翼型在不同雷诺数下的升阻关系曲线是不同的，本翼型雷诺数为：

${\mathrm{Re}}_k=\frac{2{\mathrm{\ρVr}}_k}{\mathrm{\μ}}.$

6.根据权利要求5所述的基于风能致热的室内温度综合调节方法，其特征在于：液体显热存储蓄热器的液体显热存储材料采用水，蓄热器单位时间散失的热量为

$Q_0=\mathrm{\λA}\frac{t_1-t_2}{\mathrm{\δ}}$

式中，Q₀为蓄热器单位时间散失的热量，W/s；λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)；t₁为蓄热器内液体温度，℃；t₂为环境温度，℃；δ为保温层厚度，m；

并在保温材料的表面设置了防潮层。

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