引言近年来，农场的现代化建设得到了快速发展，农场往往处于山区，远离市区，交通不便，一些偏僻的农场生活用电还需要架设长远的电力设施或没有通电，生活用水也需要通过原始的燃烧加热的方式获取。太阳能制热是一种成熟的制热方式，近年来国内外已有相关研究提出直接利用风能制热的方法[1-6]。王熙[7]等研究表明，当风功率从3级提升至4级，可减小山西大同某地区风力制热供暖项目投资回收期。史丙苓[8]等研究表明当制热器的转速为500 r/min时，制热器的吸收效率最好，且不会造成噪声污染。赵建柱[9]对风力制热的风力机与制热器的匹配问题研究发现，制热器尺寸和转速对制热器吸收功率有重要影响。李博[10]研究表明了风力机直接制热在不同风况下制热效率不同。此外，风能间歇性和不稳定导致风力机制热的系统可靠性不高，系统效率低[11-13]。为了进一步研究风能、太阳能联合制热的技术。以贵州山区某日用250 L、温度为55 ℃热水的农场为研究对象，设计一种风光联合制热系统，基于TRANSYS软件对风光联合制热进行系统仿真，分析系统效率和经济性。1风光联合制热装置工作原理设计的风光联合制热系统装置如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F001图1风光联合制热系统系统的工作原理为：白天太阳能丰富时，通过调整调节阀A和调节阀C开度，控制水流流经太阳能集热器的速度和时间，使水温达到设置温度经调节阀A存储至储热罐中，垂直风力发电机将风能主要转化为电能，经逆变器转换输送至蓄电池和用户用电单元；夜晚或太阳光照强度低时，调整调节阀A和调节阀C开度，使水流经搅拌制热器，此时垂直风力发电机将风能主要转化为机械能和工质热能。2风光联合制热系统数学模型为了进一步分析风光联合制热系统的性能，针对各个部件建立了数学模型。2.1风力机模型文献[6]指出垂直轴风力机从来流风能中获取功率可以用如下公式表示：P=12ρDhV3Cp (1)式中：ρ——空气密度；D——风轮直径；h——叶片高度；V——来流方向的风速；Cp——风力机的风能利用系数。2.2制热器模型2.2.1制热器性能计算方法风力制热器利用风力机旋转动能驱动制热器旋转，搅拌工质受到制热器旋转做涡旋流动，在离心力作用下冲击制热器的阻尼板。此过程将工质动能转换成工质内能，使工质温度升高。搅拌制热器结构[3]如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F002图2搅拌制热器结构文献[10]指出制热器吸收功率方程：P=4.328 8ρh1.412 8D-0.396 1b0.714 7L0.326 8w0.423 1ω2.2 (2)式中：ρ——搅拌工质的密度，kg/m3；h——工质高度，m；b——搅拌叶片的宽度，m；w——阻流板宽度，m；ω——叶片的角速度，rad/s；L——阻流板的长度，m；D——搅拌桶直径，m。2.2.2制热器搅拌桶尺寸确定为求解制热器功率，需要确定制热器搅拌器的转速和尺寸。有研究[8]发现：制热器转速会直接影响制热器吸收功率，转速过高，传动比会变大，噪声也会增大，转速太小，同样吸收功率情况下会导致制热器尺寸很大，转速为500 r/min时制热器效率较高且噪声污染较小。因此确定制热器转速为500 r/min，根据所选风力机的额定转速，可以确定制热器与风力机的传动比而确定制热器的尺寸，具体如下：参照文献[9]，设搅拌制热器参数为B。B=ρ1SR32ρ2i3η(Cpλ3) (3)式中：λ——风力机叶尖速度比；η——风力机与制热器的传动效率；S——风轮旋转面积；R——风轮旋转半径；ρ1——空气密度；ρ2——搅拌工质密度；i——风力机与制热器的传动比。根据B可确定搅拌桶直径范围为：d1min=(B0.006 1)15 (4)d1max=(B0.003 6)15 (5)d2min=10010μωy (6)d2max=1 0005μωy (7)maxd1min , d2min≤d≤mind1max , d2max (8)式中：μ——搅拌工质的运动黏度。搅拌直径的范围确定后，搅拌制热器的其他尺寸与搅拌直径之间应满足：0.1b/d0.4，0.35d/D0.8，1/10Dw1/12D，1.111h/d1.379，l=1.2hmax。2.3太阳能集热模型参照文献[14]，太阳能集热的制热量为：Qcol=IηcolAcol1 000 (9)ηcol=0.77-4.47(tcol-toI) (10)式中：I——太阳辐照度，W/m2；Acol——太阳能集热器集热面积，m2；tcol——太阳能集热器进水温度，℃；ηcol——太阳能集热器集热效率；to——室外温度，℃。2.4各系统效率的计算方法制热器的吸收功与风能的比值为风力制热的系统效率：η2=W制W风2 (11)太阳能集热器吸收功与太阳辐射功比值为太阳能集热系统效率：η3=W吸W辐 (12)制热器吸收功与太阳能集热器吸收功之和、太阳总辐射功和风能之和的比值为风光联合制热系统系统效率：η4=W制+W吸W风2+W辐 (13)式中：η1——制热器制热效率；η2——风力机制热的系统效率；η3——太阳能集热效率；η4——风光联合制热系统效率；W制——制热器的吸收功；W风1——风力机的输出功；W风2——风力机吸收的风能；W吸——太阳能的吸收功；W辐——太阳能集热器的辐射功。3结果与讨论3.1风光联合制热系统参数分析该农场位于贵州毕节某乡镇，农场每日的热水用量为250 L温度为55 ℃热水。春季1~3月的月平均风速比其他月份平均风速大，最大风速为2月7.7 m/s，最小风速为10月6.38 m/s，年平均风速为6.7 m/s。6~9月太阳辐射功率较丰富，其中最大为9月213.5 MJ/m2，12月~次年2月太阳辐射功率较小，其中最小为2月52.1 MJ/m2，年平均太阳辐射功率为120.01 MJ/m2。毕节市年平均风速以及太阳辐射功率曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F003图3毕节市年平均风速以及太阳辐射功率曲线3.1.1风力机选型垂直轴风力机安装在地上，具有气动扭矩大、启动风速低等特点，考虑到联合制热系统后期维护保养等因素，风机选用垂直轴风机。垂直轴风机参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.T001表1垂直轴风机参数项目型号XX-H1 kWXX-H2 kWXX-H3 kWXX-H4 kWXX-H5 kW额定功率/kW12345叶片数量/片55555叶轮高度/m2.403.003.203.804.50风轮直径/m1.601.802.653.203.60启动风速/（m/s）2.502.502.502.502.50额定风速/（m/s）11.5011.5011.5011.5011.50额定转速/（r/min）220220220220220价格/万元0.750.981.982.583.30在额定风速下，风力机的功率才会达到额定功率，农场所在地区一年中的月平均风速随季节变化且低于额定风速，风力机不能在额定风速下运行。垂直轴风力机的实际输出功率月平均变化趋势如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F004图4垂直轴风力机的实际功率月平均变化趋势由图4可知，在农场风资源条件下，1 kW、2 kW、3 kW、4 kW、5 kW的月平均风机功率变化趋势基本相同，呈现季节性分布特点。1月、2月、3月、7月、8月、9月的风机功率比其他月份高，2月的风机功率最大。3.1.2制热器尺寸根据风速等因素确定不同功率风力机对应的制热器尺寸。风力机匹配的制热器尺寸及功率如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.T002表2风力机匹配的制热器尺寸及其吸收功率参数风力机功率/kW12345h/m0.128 00.140 00.160 00.180 00.195 0D/m0.180 00.200 00.220 00.230 00.250 0L/m0.150 00.180 00.200 00.220 00.220 0w/m0.014 90.016 60.018 30.019 00.020 7b/m0.015 00.016 00.017 80.019 20.020 9d/m0.150 00.160 00.178 00.192 00.209 0P/W1902704436539083.2风光联合制热系统模拟结果分析3.2.1基于TRANSYS风光联合制热系统模型设置水箱体积为1.5 m3，用水温度为55 ℃（质量流量为0.002 9 kg/s），模拟时间为一年。采用TRANSYS软件模拟研究单独风力机制热、太阳能集热制热、风光联合制热的制热性能。基于TRANSYS的风光联合制热系统模型如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F005图5基于TRANSYS的风光联合制热系统模型根据输入的天气文件，设置太阳能集热器模拟太阳能集热，太阳能集热控制器根据太阳能集热器的温度，控制太阳能集热的开关。通过编辑公式模拟风力机制热器制热模块；储水前三通连接冷水端，通过三通分别连接太阳能集热和风力机搅拌制热回路，通过储水后三通连接变频泵，通过变频泵后连接供热水箱，供热水箱连接农场热水管道。3.2.2制热性能分析结合1 kW、2 kW、3 kW、4 kW、5 kW风力机和农场地区风资源特点，基于TRANSYS分别模拟了风机制热、太阳能集热和风光联合制热系统的制热性能。采用20 m2太阳能集热可以满足农场全年85%以上的时间的制热要求，模拟结果如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F006图6采用20 m2太阳能集热模拟结果由图6可知，单独采用太阳能集热器时，水箱温度的波动范围较大，甚至出现水箱温度低于用水温度的情况，若完全采用太阳能集热制热，不仅系统供热水不稳定，且无法完全保证100%的用户制热需求，是太阳能的间歇性特点造成的。传统的太阳能集热器主要利用辅助电加热器解决太阳能的间歇性对集热器不稳定性造成的影响，风力制热在风力机运行的情况下，能够持续工作。考虑将太阳能集热和风力制热2种方式结合，研究风光联合制热系统的性能特点。20 m2+风机（1 kW、2 kW、3 kW、4 kW、5 kW）制热模拟结果如图7~图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F007图720 m2太阳能集热+1 kW风机制热模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F008图820 m2太阳能集热+2 kW风机制热模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F009图920 m2太阳能集热+3 kW风机制热模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F010图104 m2太阳能集热+4 kW风机制热模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F011图115 kW风机制热模拟结果在相同的太阳能集热面积条件下，风力制热介入能够缓解风光联合制热系统因太阳能间歇性导致的系统不稳定情况。在太阳能集热器集热面积相同的情况下、增大风机制热功率，系统水箱温度波动减小，系统运行稳定性更好。4 kW的风力制热不能满足使用要求，需要额外配置4 m2太阳能集热才能满足使用要求。5 kW的风力制热在没有太阳能集热的条件下，完全可以满足用户制热要求。模拟结果显示，1月、2月、3月、10月、11月、12月水箱温度较低，4月、5月、6月、7月、8月、9月水箱温度基本能够维持在100 ℃。3.2.3风光联合制热系统效率分析风力机制热器系统效率、风光联合制热系统效率如图12、图13所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F012图12风力机制热器系统效率10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F013图13风光联合制热系统效率不同功率风力机对应的月平均系统制热效率变化趋势基本一致。1 kW风力机系统制热效率维持在17.1%~29.3%之间，最大系统制热效率为5月29.3%，最小系统制热效率为2月17.1%；2 kW风力机系统制热效率维持在17.3%~29.7%，最大系统制热效率为5月29.7%，最小系统制热效率为2月17.3%；3 kW风力机系统制热效率维持在18.1%~30.9%，最大系统制热效率为5月30.9%，最小系统制热效率为2月18.1%；4 kW风力机系统的制热效率维持在18.5%~31.9%，最大系统制热效率为5月31.9%，最小系统制热效率为2月18.5%；5 kW风力机系统的制热效率维持在19.3%~33.3%，最大系统制热效率为5月33.3%，最小系统制热效率为2月19.3%。1 kW风能光制热的平均系统制热效率提高了6.5%~10.6%，最大为2月10.6%，最小为12月6.5%；2 kW风能光制热的平均系统制热效率提高了6.7%~11.3%，最大为2月11.3%，最小为12月6.7%；3 kW风能光制热的平均系统制热效率提高了3.6%~6.1%，最大为2月6.1%，最小为12月3.1%；4 kW风能光制热平均系统制热效率提高了0.6%~1.1%，最大为2月1.1%，最小为12月0.6%。综上所述，太阳能集热的介入能够有效提高系统制热效率，且太阳能对风光联合制热的系统效率的提升效果会随着风力机功率的增加而减弱。3.2.4系统效益分析完全利用太阳能集热系统成本最低，完全利用风机制热成本最高，太阳能集热成本低，但系统波动较大，稳定性较差；风机制热成本较高，但风机制热系统稳定性较好。太阳能集热和风机制热结合的风光联合制热系统，不仅能够降低系统成本，还能够改善太阳能间歇性导致的太阳能集热系统的不稳定性。太阳能集热的成本为280 元/m2。根据毕节地区年平均风速，结合风力机的成本价、风力制热成本、太阳能集热成本、面积等因素，确定日用250 L温度为55 ℃热水的用户所需风光联合制热系统规模为4 m2太阳能集热+4 kW风机制热。风光联合制热系统中，风机制热功率提高，风力机价格会导致系统成本增加。夏秋两季（2 160~6 552 h），水箱温度保持在较高温度，因为水温较高且太阳能比较丰富。考虑在夏秋两季保持太阳能集热面积4 m2不变，研究满足要求的风力机制热性能。4 m2太阳能集热+风机（2 kW、4 kW）制热模拟结果如图14、图15所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F014图144 m2太阳能集热+4 kW风机制热模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F015图154 m2太阳能集热+2 kW风机制热模拟结果在4 m2太阳能集热器+2 kW功率风机制热的联合制热下，在夏秋两季就能满足日常用水需求；冬春两季需要用4 m2太阳能集热器+4 kW功率风机制热才能满足制热要求。结合功率曲线，若使用2 kW风力机制热器，将夏秋两季多余风能机发电利用，可累计发电2 193.2 kWh，按居民电费市场价0.56 元/kWh计算，每年可创造1 228.2元的收益，有效降低系统成本，提高经济效益。综合考虑风力机、太阳能集热器、系统面积、系统成本以及后期经济收益等，以4 m2太阳能集热+4 kW风力制热系统为例，分析其经济效益。风光联合制热与传统太阳能集热经济效益对比结果如图16所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.012.F016图16风光联合制热系统与传统太阳能集热经济效益对比随着使用年限增加，传统的太阳能集热和风光联合制热系统的成本都逐渐增加，4 m2太阳能集热+4 kW风力制热成本为27 900~29 800元。将夏秋两季多余风力用于发电，节约了系统成本。随着使用年限增加，4 m2太阳能集热+4 kW风力制热系统成本第5年及以后系统成本优于40 m2太阳能集热+2 kW的风力制热成本；第9年及以后系统成本优于40 m2太阳能集热+1 kW的风力制热成本。说明用风力制热代替传统电加热辅助成本，具有明显经济效益优势。4结语（1）太阳能间歇性会导致太阳能集热方式制热系统供水不稳定，且不能完全满足用户制热要求。采用太阳能制热与风机制热的联合制热方式，相同条件下，风机制热功率越大，制热系统稳定性越好，用风力制热代替传统电加热辅助成本，具有明显经济效益优势。（2）太阳能集热的介入能够有效提高太阳能集热与风机制热的联合制热效率，1 kW、2 kW、3 kW、4 kW系统制热效率分别提高了10.6%、11.3%、6.1%、1.1%。（3）传统的太阳能集热制热方式，随着使用年限的增加，系统产生的水垢等系统效率降低，且需要配置相应的电加热辅助设备。风光联合制热系统不需要电加热辅助系统，太阳能较丰富时，可以利用风力机发电产生额外的经济效益。在农场中运用此方式代替传统的燃烧方式制热，具有良好的经济利用价值。