風能熱利用是一種可以替代燃煤鍋爐供暖并提高風能消納能力的變革性潔凈能源技術(shù)。在總結(jié)和分析國內(nèi)外風能熱利用系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以中國科學院院士徐建中為首的國家能源風電葉片研發(fā)（實驗）中心基于風能利用與熱力學交叉理論提出了“風熱機組”的創(chuàng)新理念，該機組以風能作為驅(qū)動力，不經(jīng)過發(fā)電環(huán)節(jié)而直接將風能轉(zhuǎn)化為熱能，由于減少了風能與電能的能量轉(zhuǎn)換損失，使系統(tǒng)造價降低的同時系統(tǒng)效率大幅度提升，經(jīng)濟指標遠優(yōu)于當前主流的清潔能源供熱/供冷技術(shù)。風熱機組機艙結(jié)構(gòu)如圖1所示。圍繞“風熱機組”創(chuàng)新概念，主要取得了如下幾方面進展：
基于風力機模擬系統(tǒng)搭建了風熱機組半物理仿真實驗平臺和計算仿真平臺，如圖2所示。利用風力機模擬系統(tǒng)控制伺服電機，可以模擬不同工況風力機的功率輸出,進而以伺服電機為驅(qū)動動力,以調(diào)節(jié)熱泵輸入功率變化，利用高溫恒溫水槽和低溫恒溫水槽模擬高低溫熱源，可以測量不同工況條件下風熱機組制熱性能系數(shù)COP（制熱量/機械能）變化規(guī)律。另一方面，搭建了風熱機組仿真計算模型，圖3為熱泵機組COP實測與模擬值對比結(jié)果。由此可見，實驗平臺驗證了風熱機組仿真模型的可靠性。
以美國可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)的Aerodyn/FAST風力機仿真平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合BEM理論和開啟式壓縮機模型，構(gòu)建了1.5MW風熱機組仿真模型?；谠撃Ｐ?，獲得不同風速時的性能曲線和典型工況下的運行規(guī)律。圖4為風熱機組風能利用系數(shù)Cp（機械能/風能）及一次能源利用率Cp×COP（制熱量/風能），可以得出，風熱機組Cp先降低后增加，風速7.74 m/s時Cp達到峰值0.4627，之后逐漸降低；風熱機組一次能源利用率Cp×COP和Cp呈類似變化規(guī)律，但其峰值向高風速后移，風速8.54 m/s時達到峰值1.9363。圖5為1.5MW風熱機組應(yīng)用于張家口涿鹿地區(qū)黃帝城小鎮(zhèn)的冬季典型工況機械能和制熱量變化，該機組制熱量逐時變化值最高可達5.34MW，平均制熱功率約3.0MW，可滿足5萬平方米建筑物供暖需求。
為更好地推動風能熱利用向產(chǎn)業(yè)化邁進，在中科院Ａ類戰(zhàn)略性先導科技專項支持下，經(jīng)過一年多的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與整機優(yōu)化，團隊于2019年12月完成了百千瓦級風熱機組樣機研制，并計劃于2020年在河北省涿鹿縣黃帝城小鎮(zhèn)完成工程示范應(yīng)用，為某酒店5000平方米建筑提供冷熱源，風熱機組以土壤源為低溫熱源，制熱工況下將產(chǎn)生50~60℃的熱水，制熱COP可達3.5以上（詳見圖6），該示范工程將為后續(xù)風熱機組產(chǎn)業(yè)化推廣打下堅實的基礎(chǔ)。
圖1 風熱機組機艙結(jié)構(gòu)圖
圖2 風熱機組性能測試實驗平臺照片
圖3 熱泵機組COP實測與模擬值
圖4 風熱機組風能利用系數(shù)及一次能源利用率
圖5 冬季典型工況機械能和制熱量變化
圖6 黃帝城小鎮(zhèn)100kW風熱機組供熱供冷系統(tǒng)流程圖
