基于清洁能源风热储能的研究

摘要：中国风能资源资源丰富，其开发潜力巨大，因风能开发主要集中在风力发电，受时间地域的影响，具有局限性。本文旨在讲述开发一种“风热系统+储能”机组装置，利用风能通过机械运动转化为热能，增强风能的利用率，以解决现有风电发展瓶颈特别，促进新能源行业的发展，并减少对传统能源的依赖，降低能源成本，提升经济效益，降低环境污染，应用于可持续性的再生清洁能源供热方向。

关键词：风能；储能；风热系统

中图分类号：P754.1

引言：

国家大力支持可再生能源替代行动，要通过多元化手段提高电力系统调节水平，通过强化对传统电源设备和技术改造，加大对先进电源储能的科技攻关和多场和充分利用。本篇文章重点介绍的，是通过研究运用于洁净燃料供热中的"风热系统+储能"机组设备，将借助风能的动力转变成机械动力，再利用机械运动增加热炉内介质内的能以获得热能。借助风力发电技术，利用风力带动风车叶片旋转，带动齿轮加速器提高中心轴连接热炉装置旋转的速度进行做功，使热炉内部介质分子相互摩擦、撞击，产生热能。此技术不仅能有效利用可再生能源，且在减少化石燃料消耗、降低环境污染方面具有显著优势。特别是沿海地区，通过风热系统为工业园区提供供暖，可以大大减少沿海地区电网用电紧张，减少对煤炭和天然气的依赖，从而减少温室气体排放效应。

1、背景技术

风能是由地球表面空气流动产生的动能。由于风速具有较强的随机波动性，要准确估算其平均风功率密度，需要经过长期的监测数据积累。基于风能的气候特征，通常从过去十年的风速数据中选取年平均风速最大、最小及中位的三年，计算每年的风功率密度，再对这些数值进行平均，以得出该地区的年平均风功率密度。中国气象科学研究院通过对全国900多个气象站数据的分析，已大致揭示了我国风能资源的区域分布，为进一步评估各地风能潜力提供了重要的数据支持。

我国10米高度层的风能理论总储量约为3226GW，这一数据通常被视为风能开发的“理论上限”。然而，实际可利用的风能储量往往只有这一理论值的十分之一。为了更精确地评估现实情况，还需根据风能转换设备的扫掠面积进行相应修正，并考虑面积系数0.785（即圆形区域面积与正方形面积的比值）。因此，通过这些调整，10米高度层的实际可开发风能储量大约为253GW，这一数字甚至超出了2009年我国全国发电装机容量的总和，显示出我国风能资源的显著潜力。不过，如何准确评估并确定经济上可开发的风能储量，还需要进一步的研究与实践验证。

我国的风能资源主要分布在西北、华北和东北的草原、戈壁地区，以及东部和东南沿海及岛屿等地，这些地方的能源供应通常依赖风能，而缺乏煤炭等传统能源。风力的季节性变化呈现出冬春季节风速较强且降水较少的特征，而夏季则风速较低，降水量增多。这一季节性规律与水电的丰水期和枯水期具有良好的互补性，为能源的多元化利用提供了可行的策略，图-1展示了中国有效风能密度的空间分布情况。

考虑到我国地形的复杂性，风能资源存在明显的地区性差异。为了便于识别具有风能开发潜力的区域，表1-1列出了我国风能资源的大致分布情况。通常，风能资源的潜力和特点主要通过两个指标来衡量：有效风能密度和可利用年积累小时数。根据相关气象数据分析，我国可利用的风能区域大致可分为三个类型，即风能丰富区（I类区域）、较丰富区（II类区域）、可利用区（III类区域），列表-1如下：

随着全球能源需求的不断增加以及环保压力的日益加大，各国正加快推进新能源的开发与应用。清洁能源作为一种无污染、绿色环保、可再生的能源形式，已成为当前全球能源开发的主要方向。在众多可再生能源中，风能作为最具代表性的清洁能源之一，对于环境保护、生态平衡的维持、以及减少对传统能源的依赖、优化能源结构具有重要的战略意义。目前，风能开发的核心任务之一是通过风力发电机将风能转化为电能，但是目前风电发展出现的“弃风限电”问题，严重地限制风力发电行业的整体发展。因此，在该市场环境下，提出通过风力叶轮将风能通过机械做工转换成热能。

我国风能等新能源发电行业具有广阔的发展前景，预计在未来相当长一段时间内将保持高速增长，并随着技术的不断进步，行业的盈利能力也将稳步提升。能源的开发与利用是社会快速发展的基础，各行业的进步与技术革新同样离不开能源的支持。然而，当前能源需求不断增长，而我国的发电仍主要依赖传统的常规能源，尤其是煤电。煤炭等化石能源不仅是不可再生资源，其储量因不断开采而日益减少，且在利用过程中，即便采取了相应的环保措施，仍对环境产生严重影响。尤其是二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等温室气体和污染物的排放，已经对环境和气候造成了深远的负面效应。这些影响日益显现，促使人类比以往任何时期都更加重视环境保护。能源短缺和环境污染已成为全球亟待解决的重大问题，解决之道在于发展可替代的可再生清洁能源，并坚持可持续发展的战略。风能的优势就显现出来了，廉价、清洁、具有开发价值的新能源。本发明的目的针对现有的风电技术，提出利用风资源作为能源，通过机械做功转换成热能，实现清洁能源的高效利用，同时解决行业发展存在的“弃风限电”等问题。

2、风热机组内容

风热机组通过以下子系统来实现：一种风热转换装置在清洁能源供热行业中的应用，其应用系统包含如下部分：

（1）风叶加速系统

在风热机组中叶片的设计直接影响风热转换效率。在风力发电系统中，叶片作为能量转换的关键部件，其设计、材质和性能对风机的稳定性至关重要。由于风力机在极端环境中长期运行，叶片必须具备较低的质量和较高的密度，同时具备良好的疲劳强度和卓越的力学特性，能够应对暴风等极端气候以及不断变化的负载。此外，叶片在运转时需要具备一定的弹性，并确保其旋转惯性和振动频率满足规范要求，从而保证在使用过程中具备稳定的负载传递能力，避免因离心力作用引起的叶片断裂或飞脱现象。同时，风机不能在低风速条件下出现共振现象。叶片表面应平滑无瑕，以降低空气阻力，因为表面粗糙可能导致风流产生破坏性影响。另需注意的是，叶片设计要避免产生强烈的电磁干扰、光反射或过大的噪声，以免对周围环境和系统性能造成不良影响。同时，材料需具有较强的抗腐蚀性、耐紫外线辐射以及良好的抗雷击能力。此外，叶片的制造成本应尽可能低廉，且维护费用应保持在较低水平。

（2）涡轮增压器转子轴系统

涡轮增压器转子轴系统，由转子连接轴端和涡轮叶片端组成。转子连接轴和涡轮相连，二者转速相同，但是转速方向相反。当具有一定势能、动能和热能的液体进入涡轮的热炉系统，转子连接轴带动涡轮叶片，热炉内部涡轮喷嘴环叶片对液体做功，加速热炉内部液体相互摩擦、撞击，产生热能。

（3）T系列90°换向器

T系列90°一级螺旋锥齿轮换向器，平均效率98%。T系列90°换向器，将风叶水平轴获得的动能进行垂直转换，实现能量在热炉中的聚集， T系列90°螺旋锥齿轮换向器采用单轴传输，螺旋锥齿采用高速平稳传动，噪声低，承压力大等特点。

（4）热炉集热系统

热炉集热系统是一种将风能能转换为热能的装置。由于风能是一中矢量能量比较分散，必须设法把它集中起来，所以热炉集热系统是利用风热转换装置的关键部分。

热炉集热系统通过风力驱动风车叶片，风机的水平轴与桨叶通过齿轮加速器联接，将转矩力传递至热炉集热系统的传动轴。为确保系统的平稳运行，联轴节必须具备良好的阻尼吸收和震动抑制功能，能够有效地吸收适量的径向、轴向及角度偏移。这一特性有助于提高加速轴的旋转速率，从而带动与热炉内部涡轮叶片相连接的中心旋转轴，使其通过与介质的摩擦生成热量。

（5）偏航系统

风力机的偏航系统，又称为对风装置，主要功能是在风速方向发生变化时，迅速而平稳地调整风轮的朝向，使其始终面向风向，从而最大限度地捕捉风能，提高风能转换效率。

（6）风热塔支架

风热塔支架是支撑机舱、风轮和热炉装置的部件。通过增加风热塔架高度，使装置达到满足风能资源利用条件，风叶在风资源作用下加速旋转，带动热炉内部机械做功产生热量。

（7）储能系统

风热机组中加入储能系统，解决系统在运行过程中，把多余的弃风、弃电及谷电等多种不稳定能源，通过该储热材料进行热存储，解决能源在时间和空间上的差异性，实现能源的高效利用。

3、风热机组与现有技术相比，具有有益效果是：

（1）经济性；

风能作为一种可再生能源，其利用过程中具有波动性、随机性、间歇性和不可调度性等特点，这使得风能的利用在时间和空间上存在较大差异。然而，风能的一个重要优势是没有燃料成本，一旦风电场建设完成并投入运行，其后续运营成本相对稳定。参照内蒙古巴彦卓尔地区风资源数据，搭建150m2非保温建筑结构采暖每天用能曲线数据模型，数据如下表-3：

综上数据用能曲线，结合地区风资源情况完全满足150m2冬季采暖需求。清洁能源替代燃煤、燃气，已成为我国偏远地区清洁能源供暖/热水/蒸汽的主要方向，风-热技术可以根据地区风资源状况，通过机械装置做功，以热的形式实现能量的稳定输出，从根本上解决偏远地区居民采暖/热水成本过高及风电发展出现的“弃风限电”等问题。

（2）稳定性；

由于自然界中的风速具有易变形和不可控性，风热机组的出力也就具有了随机性，这对用热的质量和稳定行以及可靠性都会产生一定的影响。风-热场的集热系统是一个高维的强非线性的动态系统，系统中许多环节都存在着随机扰动的现象。

（3）、广泛适应性；

风-热装置的一个特点是可以制造成独立的设备，利用现有风力发电设备，并不需要改造绝大部分装置，仅需将原有风力发电电机进行改造为热炉装置，就可以方便使用。针对不同地区风资源情况分析，提出风-热装置，得到了广泛应用。尤其适用于偏远地区、城市热力管网无法覆盖地区及热量供给不连续或供给与需求不协调的地区。系统具有初始投资低、运行成本低、限制条件较少等优点，尤为适应于我国西北、西南（高海拔地区）、华北、东北以及东部和东南沿海及岛屿风资源丰富地区。

结论：

通过对我国风能的深入研究，充分利用风热转换装置，风能通过机械做功产生热能，被加热的循环液体在热炉内部温度升高，经板式换热器进行换热送至用户末端，将“多余”弃之可惜的风，用于产热供热、物尽其用。特别是缓解北方地区冬季供暖期电力负荷低谷时段风电并网运行困难；沿海地区，工业园区多且集中，风转热的案例南方非常少，沿海地区大量需电且逢枯水季节的前提导致风热储能方案前景非常光明，风能储能的应用有助于推动工业园区的发展，增加城镇清洁能源的使用比例，减少非可再生能源低效燃烧所带来的环境污染，从而显著改善当地的整体环境质量，加强绿色可持续性发展战略具有意义重大。

参考文献：

[1]臧俊霞.便携式小型风力发电机的结构优化设计[D].燕山大学，2002.

[2]蒋浩.风能转换系统的建模与控制[D].四川大学，2003.

作者简介：林立琪（1972-），男，汉族，广东揭阳人，大专学历，中级职称，研究方向为电力系统。