CN113137782A - 一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，包括:涡旋集风式风力发电机和热泵制热循环装置，其特征是，涡旋集风式风力发电机通过变频器与热泵制热循环装置连接，热泵制热循环装置包括制冷剂循环回路、低温水循环回路和高温水循环回路；制冷剂循环回路包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器依次连接；低温水循环回路包括蒸发器与低温侧循环水泵、低温水箱依次连接；高温水循环回路包括冷凝器与高温侧循环水泵、蓄热水箱依次连接。其结构合理，可靠性高，能够有效的利用风能，通过热泵制热循环实现充分换热。
Description
技术领域
本发明涉及节能减排与清洁供暖领域，是一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置。
背景技术
随着社会经济的快速发展，世界范围内能源消耗量日益增加。与此同时，化石能源枯竭与环境污染问题日益受到世界各国的广泛关注。近年来，以太阳能、风能、地热能、海洋能为主的可再生新能源开发利用技术得到了快速的发展。对于寒冷地区，冬季利用风能制热的方式为远离供热管网覆盖区域的小工业园区及村庄提供热量，具有显著的社会效益及环境效益。
现有技术中，利用风能制热的装置尚存在如下不足：1、压缩空气制热，此种制热方法需要高压装在置，而且在获得热能的同时，也获得了压力能，降低了风能制热的效率；2、风力搅拌制热，该制热方法是利用摩擦生热原理通过搅拌工质达到制热的目的，制热效率低；3、磁涡流制热，风力机与磁涡流制热结构之间需要有传动机构进行连接，需要传动机构补偿风力机与制热装置的高度差，将会显著增大安装难度及系统复杂程度，且传动比为固定值，导致风力机启动风速多在较高，当自然环境中风速低于上述风速区间时，磁涡流制热装置无法启动，因此，风资源不能被有效的利用。而截止目前，尚未有文献记载克服上述不足、解决现存问题，以及采用涡旋集风式风力发电的热泵制热装置的报道和实际应用。
发明内容
针对现有的关于风能制热方法及装置存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种启动风速低、集成度高、运行安全可靠，能够实现清洁供暖的基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置。
本发明的构思基础是：
1.理论和实践已经证实，电子膨胀阀具有响应速度快，适用温度低，控制功能多样特点，在启停工况和负载变化工况下，电子膨胀阀通过预先设定的程序进行调节控制，因此，电子膨胀阀在控制功能方面更具有优越性；
2．基于涡旋集风式风力发电机无需对风，不存在偏航功率损失；叶片设计简单，完全可以自主设计；风力机的噪音比水平轴更小，噪声污染降低；此外，试验室研究表明其风能利用系数不低于水平轴。垂直轴风轮机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动；
3．发电机与制热部分通过导线连接，无需传动机构补偿风力机与制热装置的高度差，降低装置的安装难度及系统复杂程度。
本发明的实现原理是：
1．压缩机在驱动力作用下，由热力学逆循环原理，将热量从低温物体转移到高温物体。通过热力学第一定律可以知道，转移到高温物体的总热量是驱动热泵的能量与从低温物体吸收的热量的两部分之和。热泵从作为热源的低温环境中吸收部分热量，向需要被加热的高温对象放出热量，以达到加热供暖或维持被加热对象温度的目的；
2．风力发电机底部为风力收集装置。当风水平吹过风力发电机时，风进入风力涡旋结构中，改变风力方向，将传统风力发电机下半部分用不到的水平风收集，使用，给接收装置一个较大的初始风速，降低自启难度。同时上方设计成萨沃尼斯（savonius）风力发电机形状的扇叶，进一步提高风力的利用效率；
3．涡旋集风式风力发电的热泵制热装置采用变频器对输入功率进行控制模拟不同输入条件下制热系统的运行特性，通过电子膨胀阀对工质循环流量进行控制，通过电加热方式可以在实验室内模拟出不同室外环境低温温度条件下的制热装置运行特性；
4．通过监测得到自然风风速、涡旋集风式风力发电机输出功率，室内外环境温度等参数，利用增益调度控制，改变电子膨胀阀开度大小，从而实现制热装置的稳定运行。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，它包括: 涡旋集风式风力发电机和热泵制热循环装置，其特征是，所述涡旋集风式风力发电机通过变频器与热泵制热循环装置连接，所述热泵制热循环装置包括制冷剂循环回路、低温水循环回路和高温水循环回路；所述制冷剂循环回路包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器依次连接；所述低温水循环回路包括蒸发器与低温侧循环水泵、低温水箱依次连接；所述高温水循环回路包括冷凝器与高温侧循环水泵、蓄热水箱依次连接。
进一步，在所述压缩机与冷凝器的连接管路上串接压缩机出口压力测量表。
进一步，在所述冷凝器与电子膨胀阀之间的连接管路上串接电子膨胀阀入口压力测量表、流量计。
进一步，在所述电子膨胀阀与蒸发器之间的连接管路上串接电子膨胀阀出口压力测量表。
进一步，在蒸发器与压缩机之间的连接管路上串接压缩机入口压力测量表。
进一步，所述低温水箱置有低温侧热电偶温度计，用以测量低温水箱内的温度。
进一步，所述蓄热水箱置有高温侧热电偶温度计，用以测量蓄热水箱内的温度。
本发明一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置的有益效果体现在：
1．由于设置了包括冷凝器与高温侧循环水泵、蓄热水箱依次连接的高温水循环回路，达到充分换热的目的，并且显著提高了制热装置的适用范围；
2．在热泵制热装置达到启动条件开始运行时，由于此时未产生制热结构所带来的负载，相当于零负载启动，将有效降低装置的启动风速，实现快速启动；
3．热泵制热装置能够在其可利用风速区间内，实现输出功率在0-100%额定功率之间的变化，同时热泵制热装置输出功率随外界风速条件变化通过控制系统实时自动调节，使其始终保持最佳工作状况，对高效的利用风能具有重要的理论意义与工程应用价值；
4．结构合理，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置结构示意图；
图2为本发明的涡旋集风式风力发电机结构示意图；
图3为图2中A局部放大示意图；
图4为图2中风力接收机构3结构放大示意图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置进行详细说明。
参照图1，本发明的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，包括: 涡旋集风式风力发电机和热泵制热循环装置，所述涡旋集风式风力发电机通过变频器与热泵制热循环装置连接，所述热泵制热循环装置包括制冷剂循环回路、低温水循环回路和高温水循环回路；所述制冷剂循环回路包括压缩机23、冷凝器33、电子膨胀阀30、蒸发器25依次连接；所述低温水循环回路包括蒸发器25与低温侧循环水泵26、低温水箱27依次连接；所述高温水循环回路包括冷凝器33与高温侧循环水泵35、蓄热水箱36依次连接。在所述压缩机23与冷凝器33的连接管路上串接压缩机出口压力测量表34。在所述冷凝器33与电子膨胀阀30之间的连接管路上串接电子膨胀阀入口压力测量表32、流量计31。在所述电子膨胀阀30与蒸发器25之间的连接管路上串接电子膨胀阀出口压力测量表29。在蒸发器25与压缩机23之间的连接管路上串接压缩机入口压力测量表24。在所述低温水箱27置有低温侧热电偶温度计28，用以测量低温水箱27内的温度。在所述蓄热水箱36置有高温侧热电偶温度计37，用以测量蓄热水箱36内的温度。
参照图2-图4，本发明的涡旋集风式风力发电机采用中国专利号CN2019220053902涡旋集风式垂直轴风力发电机。其结构是：包括涡旋底座1，涡旋底座 1的一侧安装有立杆15，所述立杆15的一侧安装有旋转立板2，所述旋转立2的 一侧安装有集风结构12，所述集风结构12的一侧安装有风力加强结构4，所述风力加强结构4的内部安装有涡轮扇叶13，所述风力加强结构4的一侧安装有风力接收结构 3，所述风力接收结构3的内部安装有风向风力检测装置10，所述风向风力检测装置10的一侧安装有旋转柱11，所述旋转柱11的一端安装有固定球9，所述风向风力检测装置10的一侧安装有感应装置16，所述风力接收结构3的一端开有风力检测口8，所述风力接收结构3的一侧安装有风扇连接杆5，所述风扇连接杆5的一端安装有固定块6，所述固定块6的一侧安装有垂直轴扇叶7，所述风力接收结构3的内部 安装有扇叶14，所述扇叶14的内部安装有活动柱17。 所述风力接收结构3的四周均安装有两个对称的风扇连接杆5，所述垂直轴扇叶7通过固定块6与风扇连接杆5固定连接。所述旋转立板2与涡旋底座1活动连接，所述风力接收结构3与风力加强结构4活动连接。 所述风向风力检测装置10的四周安装有旋转柱11，所述风向风力检测装置10与旋转柱11固定 连接。 所述固定球9通过旋转柱11与风向风力检测装置10相连接，所述旋转立板2呈涡旋状。
所述旋转立板2上叠加有弧形罩，所述感应装置16与风向风力检测装置10固定连接。所述风力接收结构3与风扇连接杆5固定连接，所述扇叶14与风力接收结构3铰接。
所述的涡旋集风式风力发电机的涡轮扇叶13通过加强结构4固定于风力机转轴上，并且涡轮扇叶13安装轴线与风力机转轴轴线呈一定安装角，风力机转轴分为上下两段，通过拼接安装，上方设计成萨沃尼斯（savonius）风力发电机形状的扇叶，提高风力的利用效率。风力机下部起到风力收集的作用，当风吹过风力发电机时，风进入风力涡旋结构中，改变风力方向，将传统风力发电机下半部分用不到的水平风收集，使用，给接收装置一个较大的初始风速，降低自启难度。旋集风式风力发电机将风能转化为电能传送至变频器22，变频器22通过改变频率输送到压缩机当中。
所述热泵制热循环装置的制冷剂循环回路的压缩机23、冷凝器33、电子膨胀阀30、蒸发器25依次连接。沿循环工质流向，压缩机23的作用是压缩和输送循环工质，低温低压气态的制冷剂，经压缩机23压缩后，温度压力升高，输入至冷凝器33中。在冷凝器33中从蒸发器25吸收的热量Q1，连同压缩机23消耗功率所转化的热量Q2，从冷凝器33中被冷却介质带走达到制热的目的。冷凝器33中的高温高压液体，通过流量计31输送到电子膨胀阀30，电子膨胀阀30的作用是节流降压；通过低温水箱27，传送到蒸发器25，蒸发器25使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量达到制冷目的；低温低压汽液两相流 ，通过蒸发吸热变成气体，最终传送到压缩机23，实现循环利用。
所述的涡旋集风式风力发电机的涡轮扇叶13为萨沃尼斯（savonius）风力发电机形状的扇叶，涡旋集风式风力发电机的涡轮扇叶13安装轴线与风力机转轴轴线呈一定夹角，同时，风力机主轴下部起到风力收集作用，有效降低启动风速，提高风能利用率。
所述的压缩机23为变频压缩机。所述的循环工质为R410a。所述的蓄热水箱36的工质为自来水。
本发明提供的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置主要由下列几个环节组成。
（a）数据采集、控制环节。该环节主要依据数据采集自然风风速、室内外环境温度，涡旋集风式风力发电机输出功率等的数据，对电子膨胀阀30开度进行计算。考虑到其通流部分间隙增大对经济性影响相对较小，同时也由于目前对蒸汽湿度的测量尚无成熟的方法，故不对处于湿蒸汽区的级组通流部分间隙进行监测。
（b）风力发电环节。涡轮扇叶13与中心轴处设计一种风力接收装置，将涡旋集风式风力发电机下半部分的水平风力集中到中部提高风速，将风力发电机的效率提升，自然风流经风机时，下部风力经过集风结构与流经上部的风力汇合，共同带动风机涡轮扇叶13转动，产生电能。
（c）制热环节，通过变频器22是风力机所发电能达到压缩机工作要求，通过导线连接为要锁及提供所需电能，通过压缩机23做功，热泵循环工质变为高温高压气体，进入冷凝器33，通过循环水泵的换热，是高温水向升温，达到供暖的目的，此时，冷凝器33出口温度压力降低，通过电子膨胀阀30后进入蒸发器25，工质将吸收低温侧温度完成一个循环。
1、风力机相关参数：额定功率：3kW；启动风速：4m/s；额定风速：18m/s；叶片数量：4片；叶片材料：玻璃钢；工作温度：-40℃-80℃。
2.压缩机相关参数：转速：3400转/分；额定功率：3080w；电流：13A；名义制热量：12600w；排气量：30.7ml/rev
3.循环系统参数：循环泵流量：2m3/h；管道直径：25mm；循环工质：R410a
构成本发明所述热泵制热循环装置的各功能产品均为市售产品。
以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，它包括: 涡旋集风式风力发电机和热泵制热循环装置，其特征是，所述涡旋集风式风力发电机通过变频器与热泵制热循环装置连接，所述热泵制热循环装置包括制冷剂循环回路、低温水循环回路和高温水循环回路；所述制冷剂循环回路包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器依次连接；所述低温水循环回路包括蒸发器与低温侧循环水泵、低温水箱依次连接；所述高温水循环回路包括冷凝器与高温侧循环水泵、蓄热水箱依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，在所述压缩机与冷凝器的连接管路上串接压缩机出口压力测量表。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，在所述冷凝器与电子膨胀阀之间的连接管路上串接电子膨胀阀入口压力测量表、流量计。
4.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，在所述电子膨胀阀与蒸发器之间的连接管路上串接电子膨胀阀出口压力测量表。
5.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，在蒸发器与压缩机之间的连接管路上串接压缩机入口压力测量表。
6.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，所述低温水箱置有低温侧热电偶温度计，用以测量低温水箱内的温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置，其特征是，所述蓄热水箱置有高温侧热电偶温度计，用以测量蓄热水箱内的温度。
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- 2021-05-20 CN CN202110548639.3A patent/CN113137782A/zh active Pending
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