2013年生资格考试

研究背景研究现状及目标系统介绍已开展工作后续研究计划研究背景大型农村能源环境调研共调研约4500多户农村家庭，覆盖北方15个省份的88个县和南方9个省份的62个县，内容包括农宅形式、能耗、经济、社会等相关情况。调研县、市的分布情况北方采暖，35.8%煤炭1亿吨生物质0.5亿吨单位：万tce农宅分项用能分布比例情况调研发现：农村住宅用能总量已达3.2亿tce，约占

建筑总能耗26%。其中北方农宅采暖占了最大的比例35.8%。改善农宅采暖问题是北方农村节能的关键研究背景我国北方农村地区以看到，北方地区冬季采暖方式主要为火炕和土暖气。数据来源“中国建筑节能年度发展2012”风能 能未能得到很好的利用份冬季采暖方式的比例分布情况如下图所示。可TransparentAbsorber

plateOffset

strip

finOutletBack

plate(thermal

insulated)Side

plate(thermal

insulated)AirflowBlockInletStagnant

air

layercover

Vent

pipe研究背景能在农宅采暖中的应用博士开发了低成本、运行控制方便、系统易

或免

的能空气集热系统很好的改善了北方农宅采暖问题。但是，由于

能受天气的限制，在阴天和夜晚都没办法工作。然而这些时候一般都是北方的冬天最冷的时候，同时也是风最大的时候，此时如果能够利用风能来为农宅供暖，能够更好的改善北方农村的采暖问题，节约能源。风能在这个领域还未得到应用。研究现状国家风能利用方式总结不足丹麦2000kW风力发电机组80%用于供暖，20%主要致力

于大功率

的风力发

电机组的

研究，先

将风力资

源转化为

电之后，

再通过一

些其他的

方式（驱动热泵等）来将这些

电用来采暖风能

机械能 电能热多了一次能源转换过程，增加了能量损失机械能直接转换成热的效率要高于机械能转换成电能的效率电能这种高品位的能源应该被更好的利用连接电网芬兰H型垂直轴风力发电机组，驱动 热转换装置水平风力发电机组驱动式热转换系统水平风力发电机组驱动搅拌式制热和涡电流式制热装置风力发电驱动热泵，风力发电联合

能集热器和生物质能锅炉研究现状存在问题具体做法研究总结国外风能热利用研究特点能源转化效率低先转化为电，与电力系统联合结构复杂，成本高规模大不适用于分散的农村采暖研究现状研究单位研究方式总结不足中国用变频电机仿真风车的不同转速对液体搅拌致热装置进行研究对不同风

力致热方

式制热效

果进行了

研究，得

出的多为

定性结论，并无实际

的产品应

用于解决

采暖问题局限于的仿真实验研究无实际的产品应用于解决采暖问题西安交通大学用800W电机仿真风车对流体节流致热装置进行研究沈阳航空工业学院在系统中用350W直流电机代替风轮驱动泵运转对节流制热进行仿真研究研究现状国内高校研究仿真得到定性的结论，无实际产品的应用研究目标研究开发一套适用于农宅采暖的风能致热系统研究现状大型化不适用单体农宅 电热耦合结构复杂成本高风能在农宅采暖领域没有应用系统介绍1-风力机叶片，2-风力机尾翼，3-传动装置，4-搅拌发热装置，5-支架，6-锥齿轮，7-锥齿轮，8-弹簧

，9-

，10-发热油桶层，11-取热水套层，12-搅拌动叶轮，13-阻流静叶片。吸收风能，将风能转化为机械能齿轮箱，将机械能传递给搅拌轴搅拌发热装置，将机械能转化为热专利申请号：201310484724.3201320639195.5已开展工作中来测试仿真实验实验主要用电机代替了风叶在搅拌制热的效果致热器1、温度传感器2、转速传感器3、数据传输线4、 处理系统5、交流电机6、变频器7、电源线8、电压传感器9、电流传感器10、液位计11已开展工作仿真实验实验工况变转速变液位高度已开展工作扭矩达到1.82Nm时，开始转动，决定着启动风速;转速达到325r/min,功率达到116W时，油温能升到

80℃，足以用于加热水来供暖；随着转速的升高，功率增大，油所能达到的最高温度越高，温度升高越快。10203040908070605000:00:00温度/℃1:12:00

2:24:00

3:36:00

4:48:00

6:00:00

7:12:00

8:24:00

9:36:00时间240r300r325r平均转速(r/min)平均扭矩(Nm)平均功率(W)1821.82352392.23562962.92903243.42116仿真实验已开展工作仿真实验在此次实验工况下，输入功率与转速成2-3次方的幂指数关系输入功率与液位高度基本成线性关系y

=

4427.2x

-165.18R²

=

0.96901002003004005006007000.10.120.140.160.180.2400r时功率与液位高度功率/W液位高度/my

=

0.0003x2.2317R²

=

0.9972200400600800功率与转速的关系功率/W5004504003503002502001501005000转速/r/min风能的吸收风力机吸收效率风力机输出特性热能的转换热能的转化效率搅拌装置的阻力特性系统匹配风力机输出特性与搅拌装置阻力特性的匹配，选取最高效率的工作点传动系统的匹配选型设计后续研究计划谢谢大家！欢迎老师指导！研究内容与方法吸收风能，决定了有多少风能可以利用研究内容与方法研究内容与方法风力性能计算主要方法：理

（BEM法）基于涡系理论的升力 、改进升力

和升力面等方法直接使用Euler

方程或N-S方程的CFD

法理

（BEM法）把叶片看成由无限多的叶片微段或构成面作为一个二维翼型来产生气动作用，通过诱导速度计入尾迹的影响。优点：已经证实了它对各种不同的转子和来流条件都具有一定的精确性，而且简单易懂、使用方便，随时可以在任何计算机平台上运行。缺点：只能在宏观上风力涡轮的性能，不能体现出间的相互干扰，不能体现出叶片表面的气动特性（尖部损失、叶片表面气流的三维效应以及动态失速等特性）所以

法不能精确的反映风力涡轮的运行特点。研究内容与方法涡系理论该理论计算风轮气动性能的关键在于如何合理模拟风轮后面的的尾涡几何结构，而在动量里一般用修正的办法进行弥补。尾流模型目前主要有刚性尾流模型、预定尾迹模型、尾流模型和修正的尾流模型三种主要模型。优点：可以使用相应的经验模型来代替，所以有很好的扩展性。并且可以根据精度、计算机硬件水要求，使用不同的子模型。缺点：不同的尾流模型有不同的适用条件，有不同的局限性（这里就不做具体阐述）。CFD法对叶片周围的流体建立相应的守恒方程，并求解取出流体微元的流动特性。优点：从理论上来说，基于Euler方程或N-S方程的CFD法可以完全求出叶片上的空气流动特性因此使用CFD

方法来流场流缺点：计算耗时风力机的性能优化风洞试验风力机

翼型族通过优化设计而得到风力机的翼型族可再生能源(NREL)研制的部分翼型Delft大学研制的DU翼型族研究内容与方法Fluent模拟计算搭建计算模型实验验证反算设计风力机输出特性Cp、CM实验测试风力机输出验证计算模型反算设计出符合风力致热系统输出特性的风力机翼型，优化Cp其处理方法虽然与风力发电相似，但是由于风电与风热的负载特性不一样，所以他们最后要求的输出特性也会不同而难点在于，目前的风力机翼型都是针对风电来进行设计的，需要开发设计新的翼型研究内容与方法齿轮箱，传动效率影响了整个系统的效率与设计计算研究内容与方法传动装置的优化设计理论分析：分别根据传统的机械设计方法与不同风力机对装置的需求来设计和选择相应的传动装置（是否需要转换传动方向，是否需要增速或

）不同的传动装置的传动效率，传动装置在传动过程中会导致多少能源损失如何通过设计的改进来减少在传动上引起的能源损失实验研究：根据理论分析的结果，来进行相应的实验和测试（扭矩和转速），得到在传动过程中造成的能源损失不同传动比的齿轮箱的效率和能量损失利用实验测试得到的实际结果来对理论计算得到的数据进行修正，以确定传动装置设计的理论计算方法风叶扭矩传感器齿轮箱扭矩传感器搅拌桶研究内容与方法搅拌发热装置，其阻力特性决定了风力机的输出特性研究内容与方法搅拌装置在化工领域有一定的研究基础，研究方法主要有：黑箱法运动网格法滑移网格法内外迭代法多重坐标法快照法搅拌器的模拟计算黑箱法（Black

Box）将搅拌桨处理为一个包含桨在内的圆柱区域而不关心桨的实际形状需要输入控制体积表面处的平均速度、湍流动能和耗散描述搅拌桨（动速率的实验值，或者通过一套源汇量源法）计算耗时少在靠近搅拌桨处的平均速度吻合较好，但在离开桨区后吻合性变差不适用多种搅拌桨配置搅拌器的模拟计算运动网格法（MG）使用单一的网格和单参考坐标，与桨连接在一起的网格单元同桨一起旋转引起网格变形，属于非稳态模拟不需要输入边界的实验数据，原则上是最准确的方法计算成本高搅拌器的模拟计算滑移网格法（SG）容器被分为两个网格区域，一个与搅拌桨像连接，一个与 边界相连接，属于非稳态模拟不需要输入边界的实验数据。桨被视为以已知角速度旋转的固体壁面，用标准壁面函数模拟湍流动能和耗散率平均速度有很好的一致性计算成本偏高搅拌器的模拟计算内外迭代法（IO）将容器分成两个部分 的区域， 接桨，接 壁面，并分别在每个区域上进行迭代求解，直到区域偏差在合理范围之内，属于稳态模拟不需要实验数据，一个区域的求解作为另一个区域的边界条件计算时间一般，平均速度预报较为准确低估了湍流动能搅拌器的模拟计算多重坐标法（MRF）与内外迭代法相似，但两个区域之间没有。桨所在区域是以桨叶速度旋转的参考系，其他区域用

参考系，为稳态模拟需要界面处的实验数据或确定的界面处速度转换方程计算成本较低，平均速度吻合较好，低估了湍流动能搅拌器的模拟计算快照法（SA）叶片之间的流动假定为充分发展的，通过在叶片前后引入质量源汇项（吸入和排出）来说明叶片的作用，为稳态法不需要实验数据，平均速度的吻合较好，可直接用于多相流模拟，计算成本低不能模拟湍动搅拌器的性能优化不同形式搅拌桨对功率的影响在Re<100

时，NP从大到小依次为

锚、Rushton

涡轮、45oPBT

及CBY

桨.Rushton涡轮及45oPBT

分别为径向流及混流型桨，而

CBY为能量效率较高的翼形轴流式桨，因此NP逐渐降低.当Re在100～300时，锚与

Rushton

及45oPBT的NP相近，均明显高于CBY

桨.另外，最近还有很多学者对复合桨对功率的影响进行了一定的研究。搅拌器的性能优化不同角度对功率的影响搅拌器的性能优化液位高度对功率的影响各桨Np均随H增加而略有增加，随H增加物料量增多，达到相同程度所耗费能量也增加，表现在搅拌桨耗费功率增大。搅拌槽的尺寸对功率的影响不同尺寸比例、不同形状的搅拌槽对功率也有着明显的影响。液体粘度对功率的影响在其他条件相同的情况下，随粘度的增加输入功率增加。研究内容与方法Fluent建模模拟计算理论研究实验研究理论研究阻力特性搅拌轴扭矩M2与转速n2的关系阻力特性搅拌轴扭矩M2与转速n2的关系对模型进行修正优化设计通过理论分析和模型计算找出阻力特性的影响因素研究内容与方法次方的幂指数关系y

=

0.0028x1

2317R²

=0.993154321067仿真实验