CN108443068A - 一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，包括风力机、变速箱、制热器、循环泵、换热器、搅拌工质，其特点是，风速传感器和转速传感器采集的信号，分别输入可编程序控制器PLC，经其处理后，输出信号控制电机带动循环泵，把搅拌工质从换热器输送至制热器，对运行工况下的风力机转速的实时调节，拓宽风速利用区间，在各个风速下，风力机均可在最佳尖速比下运行，实现风能搅拌制热装置对风能的最大利用率，有效的利用风能资源，对充分高效的利用风能具有重要的理论及工程实践意义，具有广阔的商业化前景。

Description

一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置

技术领域

本发明涉及一种利用风能的直接制热装置，特别是涉及一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置。

背景技术

在传统化石能源枯竭和环境污染的日益严重的背景下，基于风能资源丰富且属于清洁能源，其受到国家能源技术部门的高度关注，但在风能资源利用的各项技术当中，由于我国电网消纳风电差的原因，导致弃风现象非常严重，因此近年来将风能直接转换为热能，可以直接供热的风能制热装置受到科研技术人员的高度重视。

风能直接制热装置是直接通过风力机将风的动能转换为机械能，继而将机械能进一步转换为热能，以供热用户使用的一项风能直接利用技术。现有的风能直接制热装置主要以液体搅拌式制热器为主，而这种风能直接制热装置在运行过程中尚存在一些技术问题，使得液体搅拌式制热器对风能利用效率偏低，不能实现产业化推广。

现有的风能搅拌制热装置存在的技术问题主要体现在以下几个方面：

1)现有的风能搅拌制热装置一般工作风速区间为7-35m/s，额定风速范围一般为13-15m/s，并且只有在额定风速运行时才能保证其在最佳尖速比下运行，以保证其最大风能利用效率，而在其余风速区间，运行性能均严重偏离最佳尖速比，致使其在非额定风速下运行时风能利用效率大大降低；

2)现有的风能搅拌制热装置在较低风速下的自启动性能较差，导致风速利用区间严重变窄，虽然在额定工况下输出功率没有差异，但是由于对低风速区间的风能得不到利用，所以这种风能搅拌制热装置实际对风能的利用率偏低；

3)现有的风能搅拌制热装置中主要工作部件风力机的转速在空气动力转矩与制热器阻尼的双重影响下被动变化，使其在运行过程中严重偏离最佳尖速比，导致风能搅拌制热装置对风能的利用效率大大下降。

以上所述技术问题已经成为制约风能搅拌制热装置实现产业化推广应用的瓶颈。因此，拓宽风能搅拌制热装置的风速利用区间，尤其提高风能搅拌制热装置在低风速下的自启动性能，并且使其在风速利用区间内时刻跟踪最佳尖速比，始终保持在最佳性能下运行，对于提高风能搅拌制热装置的风能利用率，进而缓解当前的能源和环境问题意义重大。

现有介绍风能搅拌制热装置的文献和专利均没有克服和解决以上技术问题，致使当前风能搅拌制热装置对风能的利用率普遍不高，无法实现产业化推广和应用。

发明内容

本发明的目的是克服和解决现有风能搅拌制热装置技术的不足，构思、设计一种结构合理、安全可靠、精确控制、宽风速利用区间，且对能够跟踪风能最大利用效率的风能搅拌制热装置。本发明可以将启动风速降低至2m/s，风速利用区间由7-35m/s拓宽至2-35m/s，风能搅拌制热装置的低风速区间拓宽之后，其不再受安装地点和风况外界条件的限制。不仅如此，更重要的是本发明的风能搅拌制热装置，能够通过对运行工况下的风力机转速的实时调节，使其在各个风速下风力机均可在最佳尖速比下运行，以使风能搅拌制热装置在不同的风速下始终保持在最佳性能下工作，进而实现风能搅拌制热装置对风能最大利用率的目的。风速达到35m/s以上为制热装置超速保护区间。

为实现本发明目的采用的技术方案是：一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，它包括风力机、变速箱、制热器、循环泵、电机、换热器、搅拌工质，所述的风力机与变速箱连接，所述的变速箱与制热器连接，所述的循环泵与电机连接，所述的制热器、循环泵与换热器通过管路串联，所述的搅拌工质设置在制热器、循环泵、换热器及管道构成回路内，其特征是，还包括可编程序控制器PLC、风速传感器、转速传感器，风速传感器安装于风力机顶部，所述的转速传感器设置在变速箱上，所述的可编程序控制器PLC的输入信号端与风速传感器和转速传感器电连接，可编程序控制器PLC的输出信号端与电机电连接。

所述的制热器包括，调节级动叶片、调节级动叶片蜗壳、工作级动叶片、工作级静叶片、末级动叶片、末级动叶片蜗壳、连接轴、制热器壳体、保温绝热材料，在所述的制热器壳体内设有搅拌桶，搅拌桶上部设有进口管路，搅拌桶部下部设有出口管路，搅拌桶轴心设有传动轴，传动轴与制热器壳体铰接，所述的调节级动叶片及调节级动叶片蜗壳位于搅拌桶上部，调节级动叶片与传动轴固连，调节级动叶片蜗壳与制热器壳体固连，所述的工作级动叶片位于搅拌桶中部，工作级动叶片与传动轴固连，所述的末级动叶片及末级动叶片蜗壳位于搅拌桶下部，末级动叶片与传动轴固连，末级动叶片蜗壳与制热器壳体固连，在所述的搅拌桶中部设有工作级静叶片，同工作级动叶片交叉分布，工作级静叶片与制热器壳体固连，在所述的制热器壳体外部设有保温绝热材料。

所述的换热器包括，换热器前端汇流箱、水平布置蛇形管束、换热器末端汇流箱，保温绝热材料，在所述的换热器前端汇流箱前侧面设有入箱管路，在所述的换热器前端汇流箱后侧面设有通孔，同水平布置蛇形管束前端固接，在所述的换热器末端汇流箱前侧面设有通孔，同水平布置蛇形管束后端固接，所述的水平布置蛇形管束为多层水平布置，在所述的换热器末端汇流箱后侧面设有出箱管路，在所述的换热器前端汇流箱、水平布置蛇形管束、换热器末端汇流箱外部设有保温绝热材料。

所述的风力机为升力型H型垂直轴风力机。

所述的变速箱为行星齿轮变速箱。

所述的电机为变频电机。

所述的搅拌工质为齿轮油或导热油。

所述的风速传感器为风杯式风速传感器。

所述的转速传感器为激光转速传感器。

本发明一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置的有益效果体现在：

1.本发明跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置采用升力型H型垂直轴风力机，其具有较高的叶尖速比，在调节级叶轮的配合下可进一步降低启动风速，因此可有效的提高风能利用率。此外，垂直轴风力机受风向变化影响较小，无需额外设置偏航机构，因此降低了机构的复杂度、提高了系统的运行可靠性；

2.风杯式风速传感器与激光转速传感器采集信号，输入可编程序控制器PLC，经可编程序控制器PLC处理后，输出信号对变频电机的控制，变频电机带动循环泵运转改变循环泵流量，改变制热器阻尼，通过对运行工况下的风力机的实时调节，使风力机在各个风速下均能处于最佳叶尖速比下工作，风能利用效率得到显著提高；

3.本发明的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置采用的是行星齿轮组作为传动机构，该传动机构在保证了传动效率的基础上，使传动系统结构紧凑，提高了空间的利用率，降低了搅拌制热系统支承结构的不对称性，使得设备的安装更加的方便快捷；

4.在制热系统运行过程中，由于搅拌桶内搅拌工质液位变化所引起的搅拌工质质量变化由换热器中存储的搅拌工质进行补偿，从而降低了运行过程中的热损失，提高了制热装置的换热效率；

5.由于一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置试制成功，拓宽了风速利用区间，突破了在各个风速下，时刻跟踪最佳尖速比，使装置一直保持在最佳性能下工作，解决了制热总量最大化问题，突破了制约风能搅拌制热装置实现产业化应用推广的技术瓶颈，对充分高效的利用风能具有重要的理论及工程实践意义；

6.该装置结构简单、安全可靠、使用寿命长、易于操作与维修，安装与运行成本低，在各个风速下，风力机均可在最佳尖速比下运行，实现风能搅拌制热装置对风能的最大利用率，从可再生能源的利用和发展趋势看，市场潜力巨大，商业化应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置的结构示意图；

图2为图1中制热器剖视放大示意图；

图3为图2中B-B剖视示意图；

图4为图2中C-C剖视示意图；

图5为图2中D-D剖视示意图；

图6为图2中E-E剖视示意图；

图7为图1中A向示意图；

图8为图7中F-F剖视示意图；

图中：1风杯式风速传感器，2升力型H型垂直轴风力机，3行星齿轮变速箱，4调节级动叶片，5工作级动叶片，6工作级静叶片，7末级动叶片，8换热器前端汇流箱，9水平布置蛇形管束，10换热器末端汇流箱，11循环泵，12可编程序控制器PLC，13激光转速传感器，14保温绝热材料，15变频电机，16管路，17连接轴，18制热器壳体，19调节级动叶片蜗壳，20末级动叶片蜗壳。

具体实施方式

以下结合图1-图8和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-图8，本发明的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，所述的风杯式风速传感器1安装在升力型H型垂直轴风力机2顶端，升力型H型垂直轴风力机2下端固连行星齿轮变速箱3上端，行星齿轮变速箱3为变速机构，升力型H型垂直轴风力机2输出轴连接行星齿轮变速箱3输入轴，激光转速传感器13固连在行星齿轮变速箱3上，行星齿轮变速箱3下端固连制热器上部，行星齿轮变速箱3输出轴与连接轴17连接，调节级动叶片4固连连接轴17，调节级动叶片蜗壳19固连在制热器壳体18内壁顶部，与调节级动叶片4对应，依次向下工作级动叶片5固连连接轴17，末级动叶片7固连连接轴上，末级动叶片蜗壳20固连在制热器壳体18内壁底部，与末级动叶片7对应，工作级静叶片6固连在制热器壳体18内壁，制热器壳体18外包裹保温绝热材料14，制热器壳体18上部开通连接管道孔，固连管道16，制热器壳体18下部开通连接管道孔，固连管道16，管道16串联循环泵11、换热器，换热器由换热器前端汇流箱8、水平布置蛇形管束9、换热器末端汇流箱10三部分组成，循环泵11连接变频电机15，风杯式风速传感器1和激光转速传感器13检测信号输入至可编程序控制器PLC12，经可编程序控制器PLC12运算指令信号输出至变频电机15，变频电机15带动循环泵11运转，循环泵11输送搅拌工质，在制热器和换热器中运转，完成热量交换。

本实施例的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，

当风速低于2m/s时，搅拌制热装置处于待机状态，搅拌工质大部分处于换热器前端汇流箱8、末端汇流箱10和蛇形管束9中，搅拌桶内工质较少，可以降低制热器的启动转矩。风杯式风速传感器1实时测量风速；

当风速达到2m/s启动风速时，可编程序控制器PLC12就会收到来自风杯式风速传感器1的脉冲信号，控制变频电机15及循环泵11工作，将末端汇流箱10中的搅拌工质泵入调节级动叶片及蜗壳4，此时调节级动叶片开始运动，通过行星齿轮变速箱3的减速增扭作用，结合升力型H型垂直轴风力机2自身的空气动力转矩，快速完成搅拌制热装置的启动。

在2m/s至35m/s风速区间内，此时，制热器已经完成启动，搅拌桶中转子以一定速度旋转；由搅拌桶顶部进入搅拌桶的搅拌工质逐级流入底部末级动叶片7，由于末级动叶片7采用了特殊的叶型，可以将搅拌工质输送到换热器前端汇流箱8中。制热器运行过程中，可编程序控制器PLC12继续采集处理风杯式风速传感器1的风速信号和激光转速传感器13的转速信号，通过运算得出升力型H型垂直轴风力机2运行尖速比，与系统预设的最佳尖速比进行比较，得出此时升力型H型垂直轴风力机2应当加速还是减速的判断，当逻辑判断结果需要升力型H型垂直轴风力机2加速时，可编程序控制器PLC12对变频电机15及循环泵11做出减小流量的指令，此时末级动叶片7继续将搅拌工质输送到换热器前端汇流箱8中。从而降低搅拌桶内搅拌工质的液位高度，减小了制热器的阻尼，进而使升力型H型垂直轴风力机2加速运行；相反，当逻辑判断结果需要升力型H型垂直轴风力机2减速时，可编程序控制器PLC12将对变频电机15及循环泵11做出加大流量的指令，进而增加搅拌桶内搅拌工质的液位高度，增大制热器的阻尼，随即使升力型H型垂直轴风力机2减速运行，当达到稳定工况后，维持搅拌桶内搅拌工质高度不变，通过变频电机及循环泵11进入搅拌桶的搅拌工质与通过末级动叶片7离开搅拌桶的搅拌工质流量相等，使升力型H型垂直轴风力机2运行在最佳尖速比下，提高风能利用率。

在运行状态下，当风速低于2m/s时，当风杯式风速传感器1监测到当前风速低于启动风速时，PLC12控制变频电机及循环泵11使其停止工作，搅拌工质将不会继续进入搅拌桶内，此时升力型H型垂直轴风力机2由于惯性会继续运行一段时间，末级动叶片7会将搅拌桶内剩余的搅拌工质输送到换热器中，减少搅拌桶内工质质量，降低阻尼，以利于制热器下次的重新启动。

当风速高于35m/s时，当风杯式风速传感器1监测到当前风速高于超速保护风速时，PLC12控制变频电机15及循环泵11使其减小流量，搅拌桶内搅拌工质液位将下降，阻尼减小，升力型H型垂直轴风力机2转速上升达到其失速区间，叶片受力减小，进而保升力型H型垂直轴风力机2在高风速下不被损坏。

本发明的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置的提出，基于以下巧妙构思：

1.在风能搅拌制热装置启动时，供搅拌的制热工质大部分储存在换热器中，当风速达到系统预设的启动风速时，PLC控制变频电机工作，循环泵启动，将制热工质送入搅拌桶顶部，此时调节级动叶片开始运动，通过行星齿轮增速箱的减速增扭作用，结合升力型H型垂直轴风力机自身的空气动力转矩，快速完成搅拌制热装置的启动，从而建立了风能搅拌制热装置的自启动特性，克服了传统垂直轴风力机在低风速条件下的自启动性能较差所导致的风能利用区间变窄的弊端，进而大幅提高了风能的利用率；

2.风能搅拌制热装置的升力型H型垂直轴风力机在运行过程中，受到空气动力转矩与搅拌制热器阻尼的双重作用。当风速发生变化时，两种力矩也会同时发生改变，但是此时并不能保证升力型H型垂直轴风力机在最佳性能下运行，即垂直轴风力机已经偏离了其运行的最佳尖速比。因此，通过对搅拌制热器阻尼进行调节，进而改变升力型H型垂直轴风力机运行状态，以使其持续保持在最佳尖速比下工作，进一步实现风能利用最大化；

3.通过对风能搅拌制热装置运行过程中的风速数据和升力型H型垂直轴风力机转速数据的实时监测与采集同时结合垂直轴风力机最佳尖速比的设计参数，并通过PLC对这些数据进行处理，进而对风能搅拌制热装置的运行状态进行反馈调节，使其时刻处在最佳叶尖速比下运行。

本发明的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置的工作原理是：

搅拌制热装置所选用的升力型H型垂直轴风力机启动转矩较小，同时在启动过程中还需要承担制热器阻尼，使得搅拌制热装置在低风速条件下不易启动。通过对搅拌制热器中工质液位的控制可以有效降低制热器阻尼，同时由循环泵提供压力的工质冲击特殊叶型的制热器叶片会为升力型H型垂直轴风力机的启动提供附加转矩。在上述两种措施的共同作用下，将有效的降低搅拌制热装置的启动风速，拓宽了可利用风速区间。升力型H型垂直轴风力机在不同风速条件下的风能利用系数与转速相关，升力型H型垂直轴风力机转速同时受到空气动力转矩与制热器阻尼的影响。通过控制循环泵流量，改变制热器内工质的液位高度，进而改变制热器阻尼，调节升力型H型垂直轴风力机转速，保证升力型H型垂直轴风力机最佳运行效率。

1、升力型H型垂直轴风力机相关参数：

主机型号：NE-10KH；

额定功率：10kW；

启动风速：2.5m/s；

额定风速：12m/s；

安全风速：35m/s；

主机净重：1015kg；

风轮直径：5.2m；

叶片数量：5片；

叶片材料：玻璃钢；

工作温度：-40℃-80℃。

2、制热器相关参数：

额定转速：350r/min；

筒壁内径：285mm；

筒壁高：580mm；

工作级动叶片级数：2级；

工作级静叶片级数：3级；

工作级动静叶片宽度：70mm；

调节级动叶片：1级；

末级动叶片：1级；

工质温度：<120℃；

动静叶片间隙：10mm；

动叶片与筒壁间隙：10mm；

制热器满负荷工质容量：30L。

3、换热器相关参数：

管排型式：蛇形管排4层水平布置，每层2列；

换热器工质容量：40L；

管排内径：40mm；

管排纵向长度：1400mm；

管排横向宽度：200mm。

4、可编程序控制器PLC采用CPU314，其技术指标为：

通讯速率：187.5kBit/s；

浮点数运算0.59微秒；

MMC卡：免维护；

工作电压范围：20.4-28.8VDC；

模拟量模块：16位采样时间：200次/秒。

本发明的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置所用风速传感器1、行星齿轮变速箱3、循环泵11、可编程序控制器PLC12、转速传感器13、变频电机15均为市售产品。其中：风速传感器1采用风杯式风速传感器，转速传感器13采用激光转速传感器。

本发明一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置的样机经过实际使用，效果良好，实现了本发明目的和达到了所述的效果。

Claims (9)

1.一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，它包括风力机、变速箱、制热器、循环泵、电机、换热器、搅拌工质，所述的风力机与变速箱连接，所述的变速箱与制热器连接，所述的循环泵与电机连接，所述的制热器、循环泵与换热器通过管路串联，所述的搅拌工质设置在制热器、循环泵、换热器及管道构成回路内，其特征是，还包括可编程序控制器PLC、风速传感器、转速传感器，风速传感器与风力机连接，所述的转速传感器设置在变速箱上，所述的可编程序控制器PLC的输入信号端与风速传感器和转速传感器电连接，可编程序控制器PLC的输出信号端与电机电连接。

2.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的制热器包括，调节级动叶片、调节级动叶片蜗壳、工作级动叶片、工作级静叶片、末级动叶片、末级动叶片蜗壳、连接轴、制热器壳体、保温绝热材料，在所述的制热器壳体内设有搅拌桶，搅拌桶上部设有进口管路，搅拌桶部下部设有出口管路，搅拌桶轴心设有传动轴，传动轴与制热器壳体铰接，所述的调节级动叶片及调节级动叶片蜗壳位于搅拌桶上部，调节级动叶片与传动轴固连，调节级动叶片蜗壳与制热器壳体固连，所述的工作级动叶片位于搅拌桶中部，工作级动叶片与传动轴固连，所述的末级动叶片及末级动叶片蜗壳位于搅拌桶下部，末级动叶片与传动轴固连，末级动叶片蜗壳与制热器壳体固连，在所述的搅拌桶中部设有工作级静叶片，同工作级动叶片交叉分布，工作级静叶片与制热器壳体固连，在所述的制热器壳体外部设有保温绝热材料。

3.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的换热器包括，换热器前端汇流箱、水平布置蛇形管束、换热器末端汇流箱，保温绝热材料，在所述的换热器前端汇流箱前侧面设有入箱管路，在所述的换热器前端汇流箱后侧面设有通孔，同水平布置蛇形管束前端固接，在所述的换热器末端汇流箱前侧面设有通孔，同水平布置蛇形管束后端固接，所述的水平布置蛇形管束为多层水平布置，在所述的换热器末端汇流箱后侧面设有出箱管路，在所述的换热器前端汇流箱、水平布置蛇形管束、换热器末端汇流箱外部设有保温绝热材料。

4.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的风力机为升力型H型垂直轴风力机。

5.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的变速箱为行星齿轮变速箱。

6.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的电机为变频电机。

7.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的搅拌工质为齿轮油或导热油。

8.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的风速传感器为风杯式风速传感器。

9.根据权利要求1所述的一种跟踪风能最大利用率的搅拌制热装置，其特征是，所述的转速传感器为激光转速传感器。