專利名稱：一種風(fēng)力致熱系統(tǒng)及其熱量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)能或風(fēng)力的利用領(lǐng)域，尤其涉及將風(fēng)能或風(fēng)力轉(zhuǎn)化成熱能的系統(tǒng)及其熱量控制方法。
背景技術(shù)：
與化石能源相比，新能源(風(fēng)能、太陽能、潮汐能等)因無污染性和可再生性，而受到越來越強(qiáng)的重視。這其中，風(fēng)能是目前最有可能大規(guī)模開發(fā)利用的新能源，風(fēng)能利用已經(jīng)有幾個世紀(jì)的歷史，而且風(fēng)力發(fā)電也進(jìn)入成熟階段并被廣泛應(yīng)用。然而，在許多場合最終需要的卻是熱能，例如在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，家庭供暖所需要的熱能，如西北地區(qū)農(nóng)村家庭的供熱或取暖系統(tǒng)。若將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，再將電能轉(zhuǎn)化成熱能；雖然電能轉(zhuǎn)換成熱能的效率是100%，但風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率卻很低，且需要發(fā)電機(jī)和電能儲存裝置，系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本高，因此從能量利用率和實(shí)用性的角度看，這種風(fēng)能致熱方法是不可取的。目前，除了先發(fā)電后致熱的方式以外，風(fēng)力致熱的方法還有以下幾種一、由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成空氣的壓縮能，再轉(zhuǎn)換成熱能，即由風(fēng)力機(jī)帶動空氣壓縮機(jī)，對空氣進(jìn)行絕熱壓縮而釋放出熱量。這種方法效率較高，適應(yīng)壓力范圍廣，但是系統(tǒng)組成較復(fù)雜、成本較高，不利于家庭供暖使用。二、攪拌液體致熱，即風(fēng)力機(jī)帶動攪拌器轉(zhuǎn)動，利用摩擦生成熱能，從而使液體 (水或油)變熱，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但熱能的儲存和傳送不便。三、固體摩擦致熱，風(fēng)力機(jī)輸出軸驅(qū)動摩擦片，利用摩擦生成熱能。具有結(jié)構(gòu)簡單的顯著優(yōu)點(diǎn)，但摩擦片磨損嚴(yán)重，需經(jīng)常更換，且熱能的儲存、傳送和使用不便。四、由風(fēng)力機(jī)帶動液壓泵，使液體加壓后再從狹小的阻尼孔中高速噴出而使液體加熱。例如，中國專利(申請?zhí)?00820098679.2)就描述了這種液體擠壓致熱的方式。然而，專利中描述的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，遇到問題必須有專人維修，不便于在農(nóng)村地區(qū)推廣使用；而且也不便于控制熱量的轉(zhuǎn)化量。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述液體擠壓致熱系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本發(fā)明提出一種風(fēng)力致熱系統(tǒng)，該風(fēng)力致熱系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)部分、傳動部分、液壓致熱部分和儲熱散熱部分；所述風(fēng)機(jī)部分將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成軸的旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能；所述液壓致熱部分包括液壓泵、油液被充分供給的油箱、連通所述液壓泵與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壓控制閥和回油管路；所述液壓泵的主軸通過所述傳動部分與所述風(fēng)機(jī)部分的軸聯(lián)接；所述回油管路的一端連通所述液壓控制閥的出口，另一端連通所述儲熱散熱部分的入口 ；當(dāng)所述風(fēng)機(jī)部分的軸在風(fēng)力的帶動下旋轉(zhuǎn)時，所述液壓泵的主軸隨之轉(zhuǎn)動，從而使得液壓泵通過吸油管路從所述油箱中吸油，然后通過排油管路將高壓油液排出，所述高壓油液進(jìn)入液壓控制閥并且產(chǎn)生壓力損失后帶著熱量通過所述回油管路流入所述儲熱散熱部分中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再從機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能，由液壓系統(tǒng)中的液壓控制閥將液壓能轉(zhuǎn)化成熱能，其轉(zhuǎn)換方便、裝置簡單、 容易實(shí)現(xiàn)而且成本低，適宜風(fēng)能與熱能的轉(zhuǎn)換、儲存和利用，在風(fēng)能資源豐富且集中供熱實(shí)施困難的西北地區(qū)，尤其是廣大的農(nóng)村地區(qū)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 優(yōu)選地，所述液壓控制閥是流量控制閥。或者，優(yōu)選地，所述液壓控制閥是直動式溢流閥。采用上述兩種液壓控制閥，便于控制閥口的壓力損失。優(yōu)選地，所述液壓泵為定量泵。這樣液壓泵輸出的流量不變，便于控制閥口的壓力損失。優(yōu)選地，所述傳動部分是齒輪傳動機(jī)構(gòu)或者聯(lián)軸器。優(yōu)選地，所述儲熱散熱部分是所述液壓致熱部分中的油箱。這樣，更簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述風(fēng)機(jī)部分包括帶軸的輪轂和安裝在輪轂上的葉片。本發(fā)明還提出了熱量控制的方法。當(dāng)所述風(fēng)力致熱系統(tǒng)采用流量控制閥時，通過控制流量控制閥的閥口面積來控制熱量的轉(zhuǎn)化量。當(dāng)所述風(fēng)力致熱系統(tǒng)采用直動式溢流閥時，通過控制所述直動式溢流閥中的彈簧的預(yù)壓縮量來控制熱量的轉(zhuǎn)化量。


圖I是本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)的一種原理圖；圖2是本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)所采用的一種直動式溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)部分、傳動部分、液壓致熱部分和儲熱散熱部分。所述風(fēng)機(jī)部分包括塔架I、支撐在塔架I上的殼體2、殼體2內(nèi)部靠近外側(cè)的具有主軸的輪轂、以及安裝在輪轂上的葉片3。所述傳動部分是指將風(fēng)機(jī)部分的機(jī)械能傳遞給液壓致熱部分的機(jī)構(gòu)，可以是齒輪傳動機(jī)構(gòu)4，也可以是聯(lián)軸器4。所述液壓致熱部分包括液壓泵5、油箱6、吸油管路7、排油管路8，以及在排油管路8與儲熱散熱部分之間的液壓控制閥9和連通液壓控制閥9與儲熱散熱部分的回油管路10。液壓泵5通過傳動機(jī)構(gòu)4與輪轂的軸聯(lián)接，當(dāng)葉片3在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)時，葉片帶動輪轂及其軸轉(zhuǎn)動，這樣風(fēng)能就轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。輪轂軸的轉(zhuǎn)動通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)或聯(lián)軸器4傳遞給液壓泵5，從而帶動液壓泵轉(zhuǎn)動，液壓泵5通過吸油管路7從油箱6中吸油，使油液的壓力升高，這樣機(jī)械能就轉(zhuǎn)化成了油液的壓力能。高壓油液通過排油管路8輸送到液壓控制閥9，在液壓控制閥9的閥口處產(chǎn)生壓力損失，把液壓能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能隨著油液通過回油管路10進(jìn)入到儲熱散熱部分中。所述儲熱散熱部分可以是與油箱6類似的油箱，熱油進(jìn)入到該油箱后通過油箱表面的散熱面將熱量傳遞給供暖系統(tǒng)。在這樣的情況下，油箱6必須被不斷的供油，該供給油可以是儲熱散熱部分中冷卻的油，此時可以將儲熱散熱部分放置于較高處，冷卻油液通過自身重力就進(jìn)入到油箱6中，供給油也可以是另外一單獨(dú)油箱的油。當(dāng)然，為了簡便，該儲熱散熱部分可以是油箱6本身，如圖I所示。在油箱6上可以設(shè)置液位液溫計(jì)11，以觀察油箱6 中油液的液位和溫度。在本發(fā)明中，液壓泵是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它把由葉片輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油液的壓力能并排出高壓油液；液壓控制閥是控制油液的壓力或流量的控制元件，油液流過液壓控制閥的閥口會產(chǎn)生壓力損失從而產(chǎn)生能量損失，并最終將其轉(zhuǎn)化為熱量隨著油液進(jìn)入儲熱散熱部分中。液壓控制閥是本發(fā)明中產(chǎn)生熱能的主要元件。本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)也非常便于對轉(zhuǎn)換的熱量進(jìn)行控制。根據(jù)能量守恒定律，單位質(zhì)量油液在液壓控制閥的進(jìn)口處的各種形式能量的總和與出口處的各種形式能量的總和相等，即
Pxa ,V1 P1α2υ2 ,
—+ ^l +-^ = —+ ^2+-V~ + ^w P2 p2( I )
在公式⑴中
公式左右兩邊的第一項(xiàng)為單位質(zhì)量油液的壓力能，P1為液壓控制閥的進(jìn)口處的油 P2S液壓控制閥的出口處的油液壓力，P為油液的密度；
公式左右兩邊的第二項(xiàng)為單位質(zhì)量油液的重力勢能；
公式左右兩邊的第三項(xiàng)為單位質(zhì)量油液的動能；
公式右邊的第四項(xiàng)ghw為單位質(zhì)量油液流過液壓控制閥的能量損失，即產(chǎn)生的熱
液壓力，倉泛。在液壓系統(tǒng)中，單位質(zhì)量油液的動能和重力勢能與壓力能相比很小，常忽略不計(jì)， 公式⑴可變?yōu)?br> P1 P2 ApSK =---=——，、
PPP(2)公式(2)中，Λρ為油液流過液壓控制閥的閥口產(chǎn)生的壓力損失。由公式(2)可見，通過控制油液流過液壓控制閥的閥口產(chǎn)生的壓力損失Λρ就可按要求對轉(zhuǎn)化的熱量進(jìn)行控制。流過液壓控制閥閥口的油液流量和壓力損失Λρ之間滿足以下關(guān)系q = CdAyIlApZp( 3 )公式(3)中，q為流過液壓控制閥閥口的油液流量，Cd為液壓控制閥閥口流量系數(shù)，A為液壓控制閥閥口面積。當(dāng)液壓泵采用定量泵，在葉片轉(zhuǎn)速不變的情況下，液壓泵輸出的流量q恒定不變， 液壓控制閥采用液壓流量控制閥，由式(3)可見，通過改變流量控制閥的閥口面積A即可改變油液流過閥口的壓力損失△ P，從而對轉(zhuǎn)化的熱量進(jìn)行控制。當(dāng)液壓控制閥采用直動式溢流閥時，本發(fā)明的風(fēng)力致熱系統(tǒng)對轉(zhuǎn)化的熱量也是可以控制的。如圖2所示，直動式溢流閥的進(jìn)油口 P與圖I中的排油管路8相接，回油口 T與儲熱散熱部分(例如，圖I中的油箱6)相接。當(dāng)閥進(jìn)油口中的油液壓力較低時，閥芯13被彈簧14緊壓在閥體12中的孔口上，閥口關(guān)閉；當(dāng)閥進(jìn)油口中的油液壓力升高到能克服彈簧力時，便推開閥芯13使閥口打開，油液就由進(jìn)油口 P經(jīng)閥口流入閥腔，再從回油口 T流回儲熱散熱部分。當(dāng)直動式溢流閥穩(wěn)定工作時，作用在閥芯上的力處于平衡狀態(tài)。忽略液動力、重力等，則閥芯的力平衡方程為Δ pA = Fs(4)式中，Λρ為直動式溢流閥進(jìn)出油口油液的壓力差，也是油液流過直動式溢流閥的閥口產(chǎn)生的壓力損失；Α為閥芯左端的承壓面積；Fs為彈簧力，F(xiàn)s = k(x+x0)。所以
公式(5)中，K為彈簧的剛度；Χ(Ι為彈簧的預(yù)壓縮量；x為閥口開度由公式(5)可見，直動式溢流閥的閥口處產(chǎn)生的壓力損失Λρ由彈簧力所限定，由于X << Χ(ι，因此通過旋擰調(diào)節(jié)手輪15改變彈簧預(yù)壓縮量Xtl便可以直接調(diào)節(jié)油液流過直動式溢流閥閥口的壓力損失△ P，從而對轉(zhuǎn)換的熱量進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)機(jī)部分、傳動部分、液壓致熱部分和儲熱散熱部分；所述風(fēng)機(jī)部分將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成軸旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能；所述液壓致熱部分包括液壓泵、油液被充分供給的油箱、連通所述液壓泵與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壓控制閥和回油管路；所述液壓泵的主軸通過所述傳動部分與所述風(fēng)機(jī)部分的軸聯(lián)接；所述回油管路的一端連通所述液壓控制閥的出口，另一端連通所述儲熱散熱部分的入口 ；當(dāng)所述風(fēng)機(jī)部分的軸在風(fēng)力的帶動下旋轉(zhuǎn)時，所述液壓泵的主軸隨之轉(zhuǎn)動，從而使得液壓泵通過吸油管路從所述油箱中吸油，然后通過排油管路將高壓油液排出，所述高壓油液進(jìn)入液壓控制閥并且產(chǎn)生壓力損失后帶著熱量通過所述回油管路流入所述儲熱散熱部分中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓控制閥是流量控制閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓控制閥是直動式溢流閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓泵為定量泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，所述傳動部分是齒輪傳動機(jī)構(gòu)或者聯(lián)軸器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)，其特征在于，所述儲熱散熱部分是所述液壓致熱部分中的油箱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的，其特征在于，所述風(fēng)機(jī)部分包括帶軸的輪轂和安裝在輪轂上的葉片。
8.一種熱量控制方法，對權(quán)利要求2所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)進(jìn)行熱量控制，其特征在于， 通過控制流量控制閥的閥口面積來控制熱量的轉(zhuǎn)化量。
9.一種熱量控制方法，對權(quán)利要求3所述的風(fēng)力致熱系統(tǒng)進(jìn)行熱量控制，其特征在于， 通過控制所述直動式溢流閥中的彈簧的預(yù)壓縮量來控制熱量的轉(zhuǎn)化量。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力致熱領(lǐng)域，對現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜及無法控制熱量轉(zhuǎn)化量的問題，本發(fā)明提出一種風(fēng)力致熱系統(tǒng)，包括風(fēng)機(jī)部分、傳動部分、液壓致熱部分和儲熱散熱部分；風(fēng)機(jī)部分將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成軸的旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能；液壓致熱部分包括液壓泵、油箱、吸油管路和排油管路以及液壓控制閥和回油管路；所述液壓泵的主軸通過所述傳動部分與所述風(fēng)機(jī)部分的軸聯(lián)接；回油管路的一端連通所述液壓控制閥的出口，另一端連通所述儲熱散熱部分的入口；液壓泵通過吸油管路從油箱中吸油，通過排油管路將高壓油液排出，高壓油液進(jìn)入液壓控制閥產(chǎn)生壓力損失后帶著熱量通過回油管路流入儲熱散熱部分。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，并且可以控制熱量的轉(zhuǎn)化量。
文檔編號F03D9/00GK102606409SQ20121009648
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者王崢嶸, 王建森, 王志文, 鄭健 申請人:蘭州理工大學(xué)