摘 要

目前，随着世界的快速发展，化石能源开始被过度开采使用，化石能源危机已经到来，故需要大力开发对新能源的利用。而风能致热是国内近些年发展的新的风能的利用形式，风力致热的能量利用率高，对于风的变化适应性更加良好，主要的是风力致热装置的结构相比其它能量转化装置要简单，能够更好的运用于生活，具有很好的前景与潜力。

为此，本文旨在设计一种能够有效将风能转化为热能的能量转换装置，完成装置整体结构的设计，确定垂直轴风力机的型号与参数。使用Solidworks三维机械设计软件完成风磁致热器的建模，使用Ansoft Maxwell电磁场分析软件对Halbach永磁阵列进行仿真分析，仿真结果显示各项指标满足设计要求。本文对此类型的风磁致热器的进一步研发，提供了一部分理论依据。

关键词：涡流法 风磁致热 垂直轴风力机 Halbach永磁阵列

Abstract

At present, with the rapid development of the world, fossil energy has begun to be over-exploited and the fossil energy crisis has come. Therefore, it is necessary to vigorously develop the use of new energy. The wind-induced heat is a new form of wind energy that has been developed in recent years in China. The energy efficiency of wind-induced heat is high, and the adaptability to wind changes is better. The main point is that the structure of wind-heating devices is compared with other energy conversions. The device should be simple and can be applied to life better. It has good prospects and potential.

Therefore, this paper aims to design an energy conversion device that can effectively convert wind energy into heat energy, complete the design of the overall structure of the device, and determine the model and parameters of the vertical axis wind turbine. The three-dimensional mechanical design software of Solidworks was used to complete the modeling of the wind-heating heater. The Halbach permanent-magnet array was simulated using Ansoft Maxwell electromagnetic field analysis software. The simulation results showed that the indicators met the design requirements. This article provides some theoretical basis for the further development of this type of wind-magnetic heater.

Keywords: Eddy-current method Wind magnetic heating Vertical axis wind turbine Halbach permanent magnet array

目录

摘 要 3

Abstract 4

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 风能致热发展概述 1

1.2.1 风力致热的方式 1

1.2.2 国外研究现状 3

1.2.3 国内研究现状 4

1.3 论文内容安排 4

第2章 风磁致热器的总体结构 6

2.1 风磁致热器的总体结构 6

2.2 风磁致热器的工作原理 6

2.3 风力机的基本理论与设计方法 7

2.3.1 风力机的类型 7

2.3.2 H型垂直轴风力机的选型过程 7

2.3.3 H型垂直轴风力机结构综述 8

2.3.4 H型垂直轴风力机零部件校核 9

2.4 齿轮增速结构的基本理论与设计方法 9

2.4.1 增速齿轮结构的设计过程 10

2.4.2 增速齿轮结构综述 11

2.5 本章小结 11

第3章 永磁涡流致热结构致热原理 12

3.1 永磁涡流致热结构的基本物理原理 12

3.1.1电磁感应定律 12

3.1.2 涡流现象 13

3.1.3 涡流的趋肤效应与趋肤深度 14

3.2 永磁涡流致热结构综述 15

3.2.1 永磁涡流致热结构的工作原理 15

3.2.2 永磁涡流致热结构 15

3.3 永磁涡流致热结构发热功率影响因素 15

3.4 Maxwell软件静磁场分析基础 16

3.5 不同气隙宽度的永磁涡流致热结构的静磁场有限元分析 16

3.5.1 模型建立 16

3.5.2 建立求解器与求解域 17

3.5.3 添加材料 17

3.5.4 边界条件设置 18

3.5.5 求解计算 19

3.5.6 计算结果 19

3.5.7 结论分析 22

3.6 不同极距的永磁涡流致热结构的静磁场有限元分析 22

3.6.1 模型建立 22

3.6.2 计算结果 22

3.6.3 结论分析 24

3.7 不同磁极对数的永磁涡流致热结构的静磁场有限元分析 25

3.7.1 模型建立 25

3.7.2 计算结果 25

3.7.3 结论分析 26

3.8 本章小结 26

第4章 风磁致热器的效益分析 28

4.1 风磁致热器发热效率计算 28

4.1.1输入风能的计算 28

4.1.2输出热能的计算 28

4.1.3能量转换效率的计算 29

4.2 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

我国自从2010年以来已经超越美国成为了全球一次能源第一消费大国，而且随着工业化的发展，我国对能源的需求也会进一步增加，所以现在发展新能源是必然趋势。根据国际上对新能源的定义，新能源主要分为三大类：（1）大型与中型水电；（2）新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、潮汐能；（3）传统生物质能。从能源的发展角度来看，新能源具有清洁、环保、发展潜力大等优势。因此，现阶段需要对于新能源能量转换装置的设计是十分必要的，用于减少化石能源的使用。

表 1.1 2014年世界能源生产量与消费量对比表

（t油当量）

目前，我国大多数的研究是致力于风力发电与风力提水，风能制热领域的研究较少。风力发电是目前最为成熟且具规模化的可再生能源的利用形式，但是风力发电由于风存在不稳定因素，风力发电产生的电压不是很稳定，存在一定的弊端。相比风能致热，热量可以通过合适的介质来保存即可减少风速不稳带来的影响。风磁致热器这一装置的设计能够拓展新能源的应用领域，更加平民化，将风这一条件受制较小的能源转化为人们日常生活中普遍需要的热能，且风磁致热相比风电致热，效率更高，成本更低，更具有推广的意义。

1.2 风能致热发展概述

1.2.1 风力致热的方式

目前，根据不同的原理，将风能直接转化为热能的方式主要有以下四种：

（1）液体搅拌致热

液体搅拌致热的基本致热原理是使用风力机去驱动搅拌器转动，搅拌器、容器中的介质与容器内壁存在摩擦，由于液体分子间的不规则碰撞导致液体的升温，从而达到风能到热能的转化。该方式的优势在于能量转化的次数较少，但是对于设备的要求较高，首先要能接受液体不间断的摩擦冲击带来的振动与碰撞，其次要能保证液体不被侵蚀，所以该方式致热装置易出现故障，而且需要定期保养与检修。

图1.1 液体搅拌式风能致热装置

（2）固体摩擦致热

固体摩擦致热的基本致热原理是使用风力机的传动输出轴的一端去驱动摩擦材料旋转，产生摩擦对液体进行加热。当风力机被驱动时，其输出轴旋转，摩擦体在摩擦缸缸体内壁上产生摩擦，而当风力机未启动时，其摩擦力为零，原因是摩擦体与内壁之间不存在相对运动，有利于风力机开始起动。该装置的优势在于利用离心力，使摩擦体与摩擦缸内壁摩擦生热，结构简单，但是缺陷也显而易见，是因为利用摩擦进行机械能与热能的交换，所以摩擦材料存在严重的损耗。

图1.2 固体摩擦风能致热模型

（3）挤压气（液）体致热

挤压气体致热的基本致热原理是制冷剂在风力机驱动的压缩机的工作下，通过热循环，在冷凝装置中释放出热量，与空调的原理大致相同，该方式的优势在于运行安全，结构较为简单，但是也由于需要压缩气体，对于装置的要求较高，整体成本也增加了不少，空气压缩机作为该设备中最关键的部分需要合理的设计与选型。

（4）涡电流法致热

涡电流法致热的基本致热原理是利用变化的磁场产生电能，再由电能转化为热能。因此该装置的基本结构是由转子、定子和永磁体组成，当风力机转动时，带动转子转动，同时安装在输出轴上的永磁体也会同步转动，产生变化的磁场，使得定子盘能够切割磁力线从而产生涡电流，并由此产生热能。该装置的优势在于热转化效率较高。

1.2.2 国外研究现状

国外的风力致热技术研究开展的较早，如今的风力致热技术已较为成熟，开始向经济实用阶段过渡。风力致热的技术在国外应用较为广泛，风力致热装置的运用主要集中在家庭生活供暖，干燥农副产品，以及畜牧业中孵化室、养殖区域的加温。早在上个世纪，日本、美国、荷兰、德国、英国、芬兰和丹麦等国家就已成功研制大型高功率的风力致热装置。

1.美国

上世纪70年代末期，美国科罗拉多州立大学已经成功研制出功率为5KW的风力热泵，利用的致热方式是使用制冷剂通过风力机驱动的压缩机，流入冷凝装置，加热过的水流入热水箱之中，从而达到风力致热这一目的，该装置主要用于对热牛奶进行加热。

2.日本

日本的起步时间稍晚于美国。在1980年前后日本开始运用风能致热装置对其水产池进行加温，该风能致热系统安装于静冈县龙阳町，起初是使用液体搅拌致热的方式来进行风能与热能的转化，但是由于风速极其不稳定，响应较慢，控制方面存在问题，最终换成涡电流式风热装置，在风速为8时，其额定功率为25KW。

在1986年，经过6年的研发，制造了一台风轮直径在14m，输出功率在20KW的风力致热装置，该装置安装在日本秋田县，用于温室采暖，当室外的气温仅为-5℃的情况之下，140㎡的室内温度可稳定在15℃左右。

日本小松制造厂研制的搅拌式风力致热装置，其风轮直径达15m，起动风速为3.5~4，额定风速为8，输出功率可达25KW，30L的水通过一次加热器即可升温15~20℃，可以通过循环加热的方式得到高温热水。

3.其他国家

芬兰自1984年开始就一直在研制一个风轮直径在40m的立轴式风力机，通过驱动油压式致热系统来进行风热转换，产生的热能主要用于室内供暖，通过该机组，每年可节约大量电能。

作为风车之国的荷兰，上个世纪就成功研制了一套以风力致热为主、烧稻壳为辅的装置，该装置可保证面积1000㎡的温室温度稳定在15℃以上。

丹麦同为风力资源丰富的国家，2000年时，整个国家的10％的电力是依靠风能转换得到，而丹麦在1978年建造了世界上唯一的兆瓦级的风能热能转换装置，该装置为茨宾道学院用水供暖。

1.2.3 国内研究现状

目前国内主要有三所高校在风力致热方向进行研究，这三所高校分别是中国农业大学、沈阳工业大学和西安交通大学，其中中国农业大学主攻的方向是液体搅拌制热，沈阳工业大学和西安交通大学主要研究的则是液体挤压制热方向。

1.中国农业大学

在1998年，中国农业大学农村能源研究所对搅拌式风力致热系统进行了实验性研究，得出了功率吸入方程和压力方程，为设计搅拌式风力致热器提供了基础且关键的理论依据，同时也给出了搅拌式风力致热器的设计方法以及相应的计算机软件设计程序。

在2002年，中国农业大学研制出一套液体搅拌致热装置，使用该装置进行了一系列实验，使用油液作为实验材料，得到结论，在所测定的风速范围内，转速越高，发热效率越高。

2.沈阳工业大学

1985年，沈阳工业大学热能研究所研制了油压式风力致热系统，该系统的功率可达20KW。

之后在1990年，通过理论研究推导出风力机与致热器的关系，在额定工况下，可以达到最佳匹配关系的函数关系。

3.西安交通大学

2004年郭新生等依据流体节流与摩擦学原理对一个800W的风力节流致热装置进行了实验研究，得到的结果是液体工质在3小时内升温达50℃，温升曲线与理论分析得到的结果一致。

1.3 论文内容安排

本文将进行风磁致热器的磁热转化结构设计，完成风力机的选型，进行磁场的仿真分析，完成总体结构的设计，全文共六章，论文具体结构如下：

第1章为绪论，首先介绍了目前国内外对于化石能源的使用现状，对比了国内与国外对于各类能源使用的占比，以此来突出发展新能源的目的与意义，接着对于风磁致热器的发展进行了部分赘述，不难得知国外在此方向的技术较为领先，国内近年也在稳步发展，但是存在差距。最后，在第1章的末尾，提出自己的研究目标与整体论文安排。

第2章为风磁致热器的总体结构，在这一章节，先给出风磁致热器的整体结构，再进行细化的各部分设计与选型，包括风力机的基础理论和选型过程以及齿轮增速结构的设计过程，在选型之后，对于风磁致热器中的传动轴进行校核。

第3章为永磁涡流致热结构的分析与设计，该结构为风磁致热器的核心结构，会给出永磁涡流结构的原理，以及设计过程。这章节的后半部分是永磁涡流致热结构的静磁场有限元分析，这一部分将会使用Maxwell软件对于永磁涡流结构静磁场进行分析，并对其各个影响因素进行仿真分析。

第4章为风磁致热器的能量转换效率计算，在完成各部分设计以后，需要对风磁致热器进行评估，最重要的是对风能转换为热能的效率进行评估。

第5章为对以上研究结果进行总结和分析，得出所研究的结论和成果，并提出以后工作中所需要改进与解决的问题。

第2章 风磁致热器的总体结构

2.1 风磁致热器的总体结构

风磁致热器的总体结构可以分为三个部分：分别是风力机部分、齿轮增速部分与涡流致热部分。

图2.1 风磁致热器的总体结构

2.2 风磁致热器的工作原理

风磁致热器的工作原理是：其基本工作原理是电磁感应定律，具体来说首先选用风力机作为驱动装置，驱动力的来源即为风能，风力机在风力的带动下旋转，再经过齿轮增速机构，带动转子盘旋转，由于转子盘上粘贴的有永磁体，故在转子盘与定子加热板之间存在磁场，从而定子加热板会产生感应电流，达到产生热量的目的。

2.3 风力机的基本理论与设计方法

2.3.1 风力机的类型

风力机是风磁致热器的驱动装置，是将风能转换为机械能的装置，根据不同的风轮结构以及风力机在气流中位置，可以将风力机分为两大类，一是水平轴风力机，二是垂直轴风力机。水平轴风力机需要不停地变向来保证与风向的一致，故需要偏航装置，而且受到的限制较多，故适合用于做大型风力发电机组。垂直轴风力机可以接受来自任何方向的风，由于本文设计的目的是将风磁致热器平民化，使得风能转换为日常生活中的热能，所以本文的设计选择垂直轴风力机。

目前市场上的垂直轴风力机根据叶片的工作原理分为阻力型垂直轴风力机、升力型垂直轴风力机和升力-阻力型垂直轴风力三种。本文设计选用升力型垂直轴风力机，选用H型垂直轴风力机，H型垂直轴风力机是由ψ型垂直轴风力机改进而来，H型垂直轴风力机在低风速的情况下自启动，工作风速范围较宽，并且稳定性较好，在大风情况下实现恒速运行。

2.3.2 H型垂直轴风力机的选型过程

（1）启动风速的确定

由题目要求，启动风速为1.8。

（2）额定风速的确定

初步设定风力机的额定风速为12。

（3）额定功率的确定

本文设计的风力机的功率为=0.5KW

（4）计算风轮扫风面积

根据风力机的额定功率，可以根据式子（2.1）进行估算，

（2.1）

式中：

为风力机的额定功率；

为风能利用系数；

为空气密度；

为风轮扫风面积；

为额定风速；

为传动链效率；

初步拟定风能利用系数为0.3，由式（2.1）可以得出风轮扫风面积

同时为了在一定转速下保证垂直轴风力机的叶尖速比，选取风轮直径为，则高度为。在额定转速为360r/min时的叶尖速比为

（2.2）

表2.1 风力机叶片数与叶尖速比的匹配

再由式子

（2.3）

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