垂直軸風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵壓縮機(jī)匹配特性研究

趙斌，馬海鵬，汪建文，鐘曉暉

垂直軸風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵壓縮機(jī)匹配特性研究

趙斌1,2，馬海鵬1,2，汪建文2，鐘曉暉1

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063210；
2.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)），呼和浩特010051）

風(fēng)能供熱是多風(fēng)寒冷地區(qū)，減少霧霾有效途徑之一。針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)，分析300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出和開(kāi)啟式渦旋壓縮機(jī)輸入扭矩及功率特性，研究不同風(fēng)速下垂直軸風(fēng)力機(jī)與開(kāi)啟式渦旋壓縮機(jī)特殊匹配特性。根據(jù)效率理論分析匹配特性，系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率應(yīng)略高于壓縮機(jī)所需輸入功率，通過(guò)選擇合理變速比，獲得垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按額定工況運(yùn)行。為風(fēng)能供熱系統(tǒng)參數(shù)選型提供理論參考。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；熱泵；開(kāi)啟式渦旋壓縮機(jī)；變速比；匹配特性

我國(guó)“三北”地區(qū)風(fēng)能豐富區(qū)主要包括東北三省、內(nèi)蒙古、河北、甘肅、寧夏和新疆等區(qū)域，最大年平均風(fēng)速可達(dá)9 m·s-1以上，大部分地區(qū)年平均風(fēng)速6~8 m·s-1，且覆蓋面積廣?！叭薄钡貐^(qū)冬季供熱主要以燃煤發(fā)電機(jī)組為主，其中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組占比較高。多風(fēng)寒冷區(qū)采暖期與強(qiáng)風(fēng)季重疊，可利用風(fēng)能資源，克服“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象。近年，我國(guó)京津冀地區(qū)霧霾嚴(yán)重，霧霾天氣頻發(fā)。利用風(fēng)能供熱可有效緩解電力緊張和霧霾頻發(fā)問(wèn)題[1]。利用風(fēng)能作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組供熱，可有效減少燃煤供熱比例[2]。

鐘曉暉等提出一種機(jī)械儲(chǔ)能直驅(qū)式風(fēng)能熱泵系統(tǒng)，利用風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵方式有效降低轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量損失，通過(guò)機(jī)械儲(chǔ)能裝置解決風(fēng)能多變問(wèn)題，提高系統(tǒng)效率，但并未深入研究系統(tǒng)選型[3]；馮毅等研究風(fēng)能驅(qū)動(dòng)熱泵風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)匹配關(guān)系，結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)可通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，但未探討給定供熱面積熱泵壓縮機(jī)與風(fēng)力機(jī)匹配規(guī)律[4]；劉竹青等討論風(fēng)能熱利用方法，在分析系統(tǒng)氣動(dòng)扭矩與負(fù)載之間關(guān)系基礎(chǔ)上，比較不同風(fēng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備特性，提出獨(dú)立式小規(guī)模風(fēng)能利用系統(tǒng)最佳選型方案，但未涉及風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)匹配特性研究[5]。王福寶等通過(guò)垂直軸阻力差型風(fēng)力機(jī)與傳動(dòng)比匹配試驗(yàn)，確定直接驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)制熱效果最佳方案，選用壓縮機(jī)為1 kW小型空調(diào)壓縮機(jī)，試驗(yàn)最高熱負(fù)荷為2.8 kW，但未確定風(fēng)力機(jī)匹配選型方案[6]。

本文以某住宅垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)為例，分析垂直軸風(fēng)力機(jī)和開(kāi)啟式渦旋壓縮機(jī)特性，選用建筑供暖熱負(fù)荷指標(biāo)，研究垂直軸風(fēng)力機(jī)與開(kāi)啟式渦旋壓縮機(jī)匹配特性，探索系統(tǒng)工作參數(shù)選取方法。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

垂直軸風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵機(jī)組壓縮機(jī)供熱系統(tǒng)如圖1所示。

垂直軸風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)增速箱直接驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組壓縮機(jī)，系統(tǒng)選用氟利昂等低沸點(diǎn)液體作為工質(zhì)，經(jīng)膨脹閥減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，從低溫環(huán)境吸取熱量變成蒸汽，進(jìn)入壓縮機(jī)將蒸汽壓縮，提高溫度，經(jīng)冷凝器放熱后液化，釋放熱量傳遞給供熱循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)供熱。系統(tǒng)可持續(xù)將熱量從溫度較低環(huán)境轉(zhuǎn)移至溫度較高環(huán)境，供熱系數(shù)（Coefficient of heat supply，COP）約為3。供熱系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置蓄熱水箱，在無(wú)風(fēng)狀態(tài)或風(fēng)速低時(shí)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)供熱，確保供熱熱源穩(wěn)定，也可通過(guò)備用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)[7]。

圖1 垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)Fig.1Vertical axis wind turbine driven heat pump unit heating system

2 垂直軸風(fēng)力機(jī)

2.1 理論分析

輸出功率P計(jì)算如下：

式中：CP-風(fēng)能利用系數(shù)；ρ-空氣密度（kg·m-3）；A-風(fēng)輪掃掠面積（m2）；v-來(lái)流風(fēng)速（m·s-1）。

H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪掃掠面積計(jì)算公式為：

式中：D-風(fēng)輪直徑（m）；h-葉片高度（m）。

將掃掠面積代入式（1），H型垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率P可表示為：

由式（3）可知，單臺(tái)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)功率主要取決于來(lái)流風(fēng)速及風(fēng)能利用系數(shù)CP。來(lái)流風(fēng)速不變時(shí)，對(duì)于給定風(fēng)力機(jī)，只要CP值達(dá)最大，輸出功率即對(duì)應(yīng)Pmax[7]。而風(fēng)力機(jī)CP值主要取決于葉尖速比，參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，利用雙向多流管理論模型計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得典型風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比λ間關(guān)系曲線如圖2所示，即可調(diào)節(jié)λ值使垂直軸風(fēng)力機(jī)在Cpmax工況下運(yùn)行。

圖2 Cp-λ關(guān)系曲線Fig.2Curve ofCp-λrelationship

由式（4）可知，λ不僅取決于來(lái)流風(fēng)速，還與風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)。

式中：n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（r·min-1）。

因此，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，獲得最佳葉尖速比λ，使垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)CP達(dá)到最大值，即可獲得最大風(fēng)力機(jī)輸出功率。

2.2 特性分析

選取某額定功率為300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)和性能等設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1Design parameters of vertical axis wind turbine

對(duì)于給定垂直軸風(fēng)力機(jī)，已知風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，假設(shè)空氣密度不變。因此由式（3）可知，在來(lái)流風(fēng)速一定時(shí)，輸出功率是風(fēng)能利用系數(shù)單調(diào)函數(shù)。風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比有關(guān)，葉尖速比反映風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，不同風(fēng)速下垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系特性呈拋物線，隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增大，葉尖速比變化，輸出功率先增后減。對(duì)應(yīng)來(lái)流風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)輸出功率存在最大值。

風(fēng)力機(jī)扭矩可通過(guò)式（5）求得。因此，在不同來(lái)流風(fēng)速下，隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速改變，垂直軸風(fēng)力機(jī)扭矩變化如圖4所示。

圖3 垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.3Curve of vertical axis wind turbine output power varies with wind wheel speed

圖4 垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出扭矩隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4Curve of vertical axis wind turbine output torque varies with wind wheel speed

由式（5）可知，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，扭矩和功率成正比。因此，扭矩（圖4）與功率（圖3）變化趨勢(shì)基本一致，不同風(fēng)速下垂直軸風(fēng)力機(jī)扭矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線同樣呈拋物線，隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增大，扭矩先增后減，輸出扭矩同樣存在最大值。

3 壓縮機(jī)

3.1 理論分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟式或半封閉式壓縮機(jī)，考慮給定供熱負(fù)荷較小，選定開(kāi)啟渦旋式壓縮機(jī)作詳細(xì)分析，此類(lèi)壓縮機(jī)主要用于汽車(chē)空調(diào)和熱泵領(lǐng)域。

普通汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式與之類(lèi)似，由于風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相差較大，二者通過(guò)增速箱、聯(lián)軸器等連接，使其轉(zhuǎn)速匹配。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及空調(diào)產(chǎn)生冷量（熱量）均隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速改變而改變。汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)重要指標(biāo)是排量和功耗，排量(cc·r-1)是決定其制冷（制熱）能力重要因素[10]，可由式（6）表示：

即壓縮機(jī)制冷量可用式（7）得出：

式中：Vh為壓縮機(jī)排量（cc·r-1）；Q0為壓縮機(jī)制冷量（kW）；v1為壓縮機(jī)吸氣比容（m3·kg-1）；q0為制冷循環(huán)單位質(zhì)量制冷量（kJ·kg-1）；n1為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r·min-1）；μ為壓縮機(jī)輸氣系數(shù)。

由式（6）、（7）可知，熱泵壓縮機(jī)產(chǎn)生制冷量（制熱量）除與壓縮機(jī)容積效率及工作熱力工況有關(guān)以外，還與轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系。

目前汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速通常選取1 800或2 000 r·min-1，但實(shí)際根據(jù)壓縮機(jī)類(lèi)型確定，如渦旋式壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速下可保持較高容積效率并平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，渦旋壓縮機(jī)一般采取較高轉(zhuǎn)速。另外，壓縮機(jī)功耗與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，由式（8）可知，壓縮機(jī)消耗功率隨轉(zhuǎn)速升高而增大。

式中：M為壓縮機(jī)軸切向力扭矩（N·m）；N為壓縮機(jī)功耗（kW）；n1為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r·min-1）。

3.2 特性分析

汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)輸入功率雖無(wú)嚴(yán)格要求，但壓縮機(jī)正常工作并保證壓縮比，扭矩須達(dá)到某一特定值。

假定選取壓縮機(jī)額定輸入功率為300 W，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1，根據(jù)式（8）得出其額定輸入扭矩為1.592 N·m，垂直軸風(fēng)力機(jī)通過(guò)增速箱提速后再驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，增速箱傳動(dòng)比可通過(guò)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速比值選?。▊鲃?dòng)比選取6）。機(jī)械能經(jīng)增速箱轉(zhuǎn)換后盡管功率無(wú)變化，但由于轉(zhuǎn)速增大，扭矩相應(yīng)改變。為保證壓縮機(jī)輸入扭矩達(dá)到額定值，應(yīng)依據(jù)傳動(dòng)比使垂直軸風(fēng)力機(jī)扭矩達(dá)到相應(yīng)值。

首先保持壓縮機(jī)額定功率不變，將垂直軸風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速代入式（8）計(jì)算得到此時(shí)風(fēng)力機(jī)扭矩為9.55 N·m；再保持該扭矩不變，以風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，壓縮機(jī)扭矩對(duì)應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)扭矩為縱坐標(biāo)，得到壓縮機(jī)額定扭矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖5所示。

保持壓縮機(jī)輸入扭矩對(duì)應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)上扭矩一定，其轉(zhuǎn)速用風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速代替，根據(jù)式（8），可獲得壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)所需功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化功率曲線，如圖6所示。

圖5 壓縮機(jī)輸入扭矩對(duì)應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)扭矩Fig.5Vertical axis wind turbine torque corresponding to compressor input torque

圖6 壓縮機(jī)輸入功率對(duì)應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)功率Fig.6Vertical axis wind turbine power corresponding to compressor input power

同理可獲得額定功率分別為250、200 W時(shí)，壓縮機(jī)輸入扭矩和功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化如圖5、6所示?？芍?，在相應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下，垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出扭矩及功率只要滿(mǎn)足壓縮機(jī)所需輸入扭矩及功率即可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

4 風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)匹配特性

4.1 理論分析

風(fēng)能供熱系統(tǒng)中垂直軸風(fēng)力機(jī)與熱泵機(jī)組壓縮機(jī)匹配，即垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率和扭矩同時(shí)達(dá)到熱泵機(jī)組壓縮機(jī)所需輸入功率和扭矩，確保該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)額定工況運(yùn)行。

垂直軸風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)扭矩及功率關(guān)系匹配曲線見(jiàn)圖7，8。

圖7 垂直軸風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)扭矩特性匹配曲線Fig.7Characteristics matching curve of vertical axis wind turbine and compressor torque

圖8 垂直軸風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)功率特性匹配曲線Fig.8Characteristics matching curve of vertical axis windturbine and compressor power

如圖7所示，理論分析表明，用額定功率為300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)相同功率熱泵機(jī)組壓縮機(jī)時(shí)，在來(lái)流風(fēng)速大于8 m·s-1時(shí)，風(fēng)力機(jī)扭矩可達(dá)壓縮機(jī)所需扭矩。垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)額定功率為250 W或200 W壓縮機(jī)，在風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)力機(jī)扭矩可匹配壓縮機(jī)需要扭矩。

如圖8所示，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速大于8 m·s-1，在最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速工況下，額定功率300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)可驅(qū)動(dòng)相同功率壓縮機(jī)；相同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速工況下，額定功率300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)250W或200 W壓縮機(jī)時(shí)，較低來(lái)流風(fēng)速即使壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)額定工況運(yùn)行。

以張家口地區(qū)城鎮(zhèn)采用節(jié)能措施的15 m2居民臥室為例，選用面積熱指標(biāo)法概算所需熱負(fù)荷，依照城鎮(zhèn)熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ34-2010），采暖熱負(fù)荷計(jì)算如式（9）：

式中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷（kW）；qh為采暖熱指標(biāo)（W·m-2）；Ac為采暖建筑物建筑面積（m2）。

我國(guó)“三北”地區(qū)建筑在綜合考慮管網(wǎng)熱消耗及采取節(jié)能措施情況下，采暖熱指標(biāo)推薦值為40~ 45 W·m-2。結(jié)合房屋節(jié)能指標(biāo)及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，采暖熱指標(biāo)選取45 W·m-2，故15 m2住宅供暖所需熱負(fù)荷約為675 W。

4.2 匹配特性

由于垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和開(kāi)啟式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相差較大，若采用直聯(lián)方式，難以使壓縮機(jī)在需求工況范圍下正常工作，故需安裝齒輪箱增速，使壓縮機(jī)達(dá)合理轉(zhuǎn)速。

①根據(jù)供暖所需熱負(fù)荷、熱泵及壓縮機(jī)特性，推算壓縮機(jī)軸功率。熱負(fù)荷675 W，熱泵COP選取3，壓縮機(jī)輸出功率225 W時(shí)，即可達(dá)額定工況，壓縮機(jī)效率ηysj取0.9，壓縮機(jī)軸功率為250 W，即額定功率N0為250 W，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1，傳動(dòng)比為6，如圖9所示A點(diǎn)為對(duì)應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)額定工況點(diǎn)。此外，圖9中B點(diǎn)為對(duì)應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下300 W壓縮機(jī)額定工況點(diǎn)。

②根據(jù)壓縮機(jī)軸功率選擇較合適垂直軸風(fēng)力機(jī)功率，繪制垂直軸風(fēng)力機(jī)功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化曲線，以300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)為例，輸出功率—轉(zhuǎn)速特性曲線見(jiàn)圖3。

圖9 風(fēng)力機(jī)輸出功率與壓縮機(jī)輸入功率匹配特性Fig.9Matching characteristics of wind turbine output power and compressor input power

③確定增速箱傳動(dòng)比k、傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率ηcd，將壓縮機(jī)軸功率隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)橫坐標(biāo)除以k，縱坐標(biāo)除以ηcd，繪制輸出功率—轉(zhuǎn)速特性曲線?，F(xiàn)選取傳動(dòng)比為6，傳動(dòng)系統(tǒng)效率ηcd取0.95，可得垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出功率需要滿(mǎn)足額定工況點(diǎn)A'。

如圖9所示垂直軸風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)功率匹配關(guān)系，N0'為考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率后壓縮機(jī)所需軸功率，圖中分別表示額定功率為250和300 W壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)需要達(dá)到額定工況點(diǎn)，即圖中A'和B'。匹配相同功率垂直軸風(fēng)力機(jī)，受裝置效率影響，在其額定風(fēng)速下，無(wú)法滿(mǎn)足壓縮機(jī)需要達(dá)到額定工況點(diǎn)。如用300 W垂直軸風(fēng)力機(jī)通過(guò)連接增速箱聯(lián)軸器等裝置驅(qū)動(dòng)額定功率為250 W熱泵壓縮機(jī)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速≥8 m·s-1，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約為300 r·min-1時(shí)，可使熱泵壓縮機(jī)達(dá)到額定工況或處于更優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

5 討論

①研究旨在通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱水箱解決由于風(fēng)能多變?cè)斐晒岵环€(wěn)定問(wèn)題，綜合考慮裝置效率后垂直軸風(fēng)力機(jī)與開(kāi)啟式壓縮機(jī)匹配特性，確定二者匹配選型關(guān)系。

②根據(jù)一定供熱面積房屋所需熱負(fù)荷，分別分析垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性和開(kāi)啟式壓縮機(jī)輸入特性，結(jié)果可為風(fēng)能直驅(qū)熱泵供熱系統(tǒng)選型提供理論參考。

③受條件限制，未能開(kāi)展整體系統(tǒng)試驗(yàn)增速箱傳動(dòng)比調(diào)整控制和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速限速控制，還需后續(xù)深入研究。

6 結(jié)論

a.基于所需熱負(fù)荷675 W，熱泵COP選取3，壓縮機(jī)效率ηysj取0.9，選取傳動(dòng)比k為6，傳動(dòng)系統(tǒng)效率ηcd取0.95，選用額定功率為300W垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)額定功率為250 W開(kāi)啟式壓縮機(jī)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速≥8 m·s-1時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約為300 r·min-1時(shí)，可使風(fēng)能熱泵系統(tǒng)處于更優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

b.理論分析供暖熱負(fù)荷、垂直軸風(fēng)力機(jī)及匹配壓縮機(jī)特性，垂直軸風(fēng)力機(jī)可在大于某一額定風(fēng)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)相同功率熱泵機(jī)組壓縮機(jī)。綜合考慮垂直軸風(fēng)力機(jī)和匹配壓縮機(jī)效率及傳動(dòng)裝置效率，應(yīng)選用額定功率大于開(kāi)啟式壓縮機(jī)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)額定工況運(yùn)行。

c.在風(fēng)能直驅(qū)熱泵機(jī)組供熱系統(tǒng)主機(jī)選型過(guò)程中，應(yīng)從供暖熱負(fù)荷出發(fā)，結(jié)合熱泵制熱系數(shù)，考慮壓縮機(jī)自身效率以及增速箱、聯(lián)軸器傳動(dòng)效率，并通過(guò)合理選取變速比，確定垂直軸風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速及額定功率。

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Study on matching characteristics of vertical axis wind turbine direct-driven heat pump compressor/

ZHAO Bin1,2,MA Haipeng1,2,WANG Jianwen2,ZHONG Xiaohui1(1.School of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Hebei, Tangshan 063210,China;2.Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Utilization Technology(Inner Mongolia University of Technology),Ministry of Education Key,Hohhot 010051,China)

Wind energy heating was one of the effective ways to reduce haze in windy cold area.In view of the vertical axis wind turbines direct-drive heat pump compressor system,torque and power characteristics of the 300W vertical axis wind turbine output and opening scroll compressor input were analyzed.Special matching characteristics of opening scroll compressor was studied with the vertical axis wind turbines under different wind speed.In the selection design of the system,results showed that the efficiency of the device should be considered.The vertical axis wind turbine output power should be slightly higher than the compressor power input.Required vertical axis wind turbine design parameters could be obtained by selecting reasonable speed ratio,in order to make the system working in the rated conditions. Research results could lay theoretical basis for the parameter selection of wind energy heating system.

vertical axis wind turbine;heat pump;opening scroll compressor;speed ratio;matching characteristics

TK83

A

1005-9369（2017）06-0069-07

時(shí)間2017-6-26 17:28:56[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1728.018.html

趙斌,馬海鵬,汪建文,等.垂直軸風(fēng)力機(jī)直驅(qū)熱泵壓縮機(jī)匹配特性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(6):69-75.

Zhao Bin,Ma Haipeng,Wang Jianwen,et al.Study on matching characteristics of vertical axis wind turbine direct-driven heat pump compressor[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):69-75.(in Chinese with English abstract)

2017-04-27

風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（201601）

趙斌（1968-），男，教授，博士，主要從事工程熱物理及先進(jìn)發(fā)電技術(shù)研究。E-mail：zhaobin19680507@163.com