Ветряк для отопления дома своими руками: Надежный ветряк для отопления и его принцип действия

Надежный ветряк для отопления и его принцип действия

Содержание

1. Отопление ветром
2. Принцип действия ветрогенератора
3. Схема отопления дома при помощи ветрогенератора
4. Как рассчитать теплопотери дома
5. Подбор мощности ветряка
6. Рекомендуемые товары

Обогрев дома — сложная и очень ответственная задача. Расходы на отопление составляют большую часть от всех выплат, и возможность в какой-либо степени снизить их является весьма ценной для владельца дома. Тем более привлекательна возможность организовать отопление в автономном режиме, опираясь только на собственные ресурсы. Такие возможности существуют, хотя для их воплощения необходимо приложить определенные усилия. Рассмотрим вопрос подробнее.

Отопление ветром

Один из способов обогрева дома — радиаторные батареи, распределенные по всему дому и питаемые от источника из сети ЦО или от собственного котла. Нагрев теплоносителя производится в газовых или твердотопливных котлах, иногда используются и электрические нагреватели, но такой способ считается временным или дополнительным, используемым в крайнем случае. Причина такого отношения — дороговизна электроэнергии, которой уходит на подогрев теплоносителя очень много.

При этом, если создать систему, позволяющую вырабатывать собственное электричество, то ситуация в корне меняется. Газ, уголь или иное топливо надо покупать, его невозможно сделать самостоятельно. Электроэнергия — особый вид, ее можно производить самому.

Наиболее распространенными способами являются бензиновые или дизельные генераторы, а в последнее время популярность набирают ветрогенераторы. Они производят энергию, которая используется для нагрева теплоносителя, обеспечивающего обогрев дома. Таким образом, температура в помещениях поддерживается при помощи ветра, что звучит несколько фантастически, но вполне реально.

Принцип действия ветрогенератора

Ветрогенератор — устройство, использующее ветровые потоки для вращения вала, который соединен с генератором электрического тока. Существуют два основных вида ветряков:

• горизонтальный
• вертикальный

Горизонтальные конструкции имеют более высокую эффективность, меньшее сопротивление вращению и большую стабильность в работе. При этом, они требовательны к углу атаки ветра на лопасти, что вынуждает создавать устройство наведения на поток (типа флюгера). Кроме того, горизонтальные ветряки нуждаются в подъеме конструкции над землей, причем, чем выше, тем лучше.

Вертикальные роторы (так называется вращающаяся часть ветрогенератора) не зависят от направления ветра, одинаково реагируя на поток с любой стороны. Они очень нетребовательны в обслуживании, точнее, практически не нуждаются в нем. При этом, вертикальные роторы нуждаются в довольно сильном ветре, многие из них «залипают» на слабых потоках и не хотят начинать вращение.

Вращение ротора передается на генератор напрямую или через мультипликатор (редуктор), увеличивающий число оборотов вала. Генератор при вращении вырабатывает электроток, от которого через выпрямитель заряжаются аккумуляторы. С аккумуляторов напряжение подается на инвертор, перерабатывающий постоянный ток в переменный трех- или однофазный с привычными параметрами (220 В или 380 В, 50 Гц). Такая сложная схема используется потому, что вращение ветряка — процесс нестабильный, зависимый от скорости и силы ветра.

Подавать напряжение с генератора напрямую потребителям нельзя, так как оно скачет то к максимуму, то опускается до нуля. Поэтому используется накопитель в виде аккумуляторных батарей, который передает свой заряд на инвертор, выдающий стабильное и одинаковое напряжение.

Схема отопления дома при помощи ветрогенератора

Схема отопления мало отличается от обычной, используемой при использовании собственного котла. Разница лишь в способе нагрева теплоносителя. Нужна емкость, в которой нагревается теплоноситель (вода), соединенная с отопительной системой дома. Самый простой способ — использование температурного подъема воды (гравитационный метод). Горячая вода поднимается вверх, проходит по радиаторам, отдает тепловую энергию и, остывая, возвращается в емкость для повторного нагрева.

Такой метод не требует наличия сложных устройств, но естественная циркуляция — процесс неустойчивый, при некоторых изменениях температур он может прекратиться. Для обеспечения равномерности циркуляции используются насосы, устанавливающие в системе определенное циркуляционное давление и скорость движения теплоносителя. Это делает систему более требовательной к нагреву, точнее, к стабильности температуры теплоносителя.

Подача электроэнергии для отопления должна быть максимально непрерывной. Это еще одна причина использования аккумуляторов и инверторов, позволяющих во время спадания ветра обеспечивать подачу тока на нагреватели. Таким образом, схема проста: ветрогенератор — нагреватели воды — система отопления дома.

Для обеспечения стабильности и непрерывности отопления надо иметь резервный источник нагрева — твердотопливный котел, бензогенератор и т.п.

Как рассчитать теплопотери дома

Теплопотери дома — это величина, тождественная необходимому количеству энергии, затраченной на нагрев. Иными словами, для того, чтобы узнать мощность источника тепла, надо определить теплопотери. Они рассчитываются по формуле:

Q = S ∙ dT / R

• Где Q — величина теплопотерь
• S — площадь ограждающих конструкций дома (имеются в виду все конструкции, включая стены, полы, потолки, окна и двери)
• dT — разница температуры внутри помещения и снаружи. Например, если внутри +20°, а снаружи — -20°, то dT будет составлять 40°.
• R — тепловое сопротивление конструкции, определяется по таблицам СНиП или определяется самостоятельно.

Для расчета теплопотерь надо вычислить по отдельности их значение для стен, потолка и пола, окон и т.д. Сумма полученных значений покажет общие теплопотери дома, определяющие мощность нагревателя. Это означает, что водонагреватели, осуществляющие подготовку теплоносителя, должны иметь суммарную мощность, равную значению теплопотерь.

На практике мощность нагревателей принимается с некоторым запасом, необходимым на случай сильных морозов. Кроме того, со временем нагреватели начинают терять свои качества, поэтому надо заранее предвидеть эту ситуацию и устанавливать более мощные устройства. Потребуется также блок управления, позволяющий регулировать температуру нагрева, чтобы имелась возможность изменять режим отопления соответственно с температурой наружного воздуха.

Подбор мощности ветряка

КПД нагревателей воды — ТЭНов — равен 100%. Это облегчает подбор мощности ветряка, который должен обеспечивать напряжение и силу тока, достаточные для питания ТЭНов и соответствующие их мощности. Поэтому, рассчитывая теплопотери дома, мы, по сути, одновременно рассчитываем мощности ТЭНов и ветрогенератора. При расчетах обязательно на каждой позиции делать запас мощности, который поможет корректировать ошибки, допущенные при расчетах или спад параметров, произошедший оттого, что попалось некачественное оборудование.

Следует также учитывать, что размеры и объемы дома могут однажды увеличиться, что потребует одновременной замены нагревателей или всей системы. Эту проблему можно в какой-то степени решить заранее, увеличив мощность системы и эксплуатируя ее в режиме, несколько сниженном по сравнению с номиналом.

Кроме того, надо помнить о необходимости полного соответствия всех узлов системы — аккумуляторов, инвертора, контроллера и т.д. Все они должны подходить друг к другу по своим характеристикам, поскольку мощность системы равна мощности самого слабого элемента. Единственный прибор, неподходящий к остальным узлам, создает ситуацию, когда качественное оборудование не в состоянии выдавать номинальные показатели. Поэтому подбором только лишь генератора дело не окончится, надо с одинаковой тщательностью составить весь комплект приборов и устройств.

Рекомендуемые товары

 

 

Как вам статья?

Отапливание дома самодельной ветряной установкой

Наш заголовок — не шутка и не опечатка. Ветер действительно может обогреть жилище. Правда, для этого потребуется собрать ветряной генератор, об этом и пойдет наш рассказ.

Взгляните на схему. Электрическая энергия, выработанная вращающимся ветряком, с генератора поступает непосредственно на электронагреватели, напоминающие всем известные кипятильники. Они встроены в корпус теплового аккумулятора — большого теплоизолированного бака, наполненного водой. Нагрев воды происходит непрерывно, пока работает генератор: чем сильнее ветер, тем больше ток и соответственно больше тепловой энергии.

Таков вкратце принцип работы системы.

Наш самодельный тепловой аккумулятор связан с обычной системой водяного отопления дома. Поскольку емкость аккумулятора велика, поступление тепла в батареи будет стабильным. А чтобы у аккумулятора не было лишних потерь энергии, он запакован, словно в шубу, в теплоизоляционный материал.

Для регулирования и перераспределения теплового потока служат краны-регуляторы. Ушли на работу люди — можно краны немного прикрыть, чтобы тепла в аккумуляторе накопилось к их приходу побольше.

Вода перемещается по трубам самотеком: ведь теплая вода имеет меньшую плотность, чем холодная, и поэтому она поднимается вверх. А более плотная холодная вода опускается вниз, попадает через нижнюю трубу в аккумулятор, и все начинается сначала. Хотя, конечно, никакого «начала» или «конца» тут нет, а есть лишь постоянное конвекционное движение теплоносителя.

Итак, теоретическая картина ясна. Остается построить установку? Не спешите, сначала нужно рассчитать необходимую мощность генератора. Он должен быть тем мощнее, чем больше теплопотери дома, который мы собираемся обогревать.

Эти теплопотери рассчитываются по формуле: Q = Vq_o(t_bh —t_ар)n, где V — объем здания (м³), t_bh — минимально допустимая температура воздуха в помещении, равная 18°С, (t_нар — минимальная температура наружного воздуха для данного района; q_o — объемная теплоемкость здания, для одноэтажных домов принимаемая равной 0,81 Вт/м³°С; n— безразмерный поправочный коэффициент на климатические условия, принимаемый равным при t_нар: — больше или равно —10°С…..1,2; — больше или равно —20°С…..1,1; — больше или равно —30°С…..1,0; — больше или равно —40°С …. 0,9.

На рисунке: 1 — ротор; 2 — короткие растяжки; 3 — узел подшипника; Л — ось ротора; 5 — повышающий редуктор; 6 — длинные растяжки; 7 — вышка; 8 — генератор; 9 — расширительный бачок; 10 — батареи; 11 — обратная магистраль; 12 — краны-регуляторы; 13 — нагреватели; 14 — емкость теплового аккумулятора. К примеру, в Одесской области средняя температура наиболее холодной пятидневки —15°С. Для Киевской области это уже —21°С, а для Ленинградской области —25°С. Какую из этих областей взять для примера? Возьмем «среднюю» киевскую.

Если площадь хорошо утепленного зимнего дома составляет 46м² при высоте потолка 2,5м, то при объеме 46*2,5=115м³ теплопотери в единицу времени для Киевской области составят: Q = 115*0,81*(18— (—21))*1,1 = 4000 Вт. Следовательно, для отопления дома в наиболее холодный период с учетом коэффициента запаса (1,15 … 1,17) нам нужно иметь теплопроизводительность системы отопления примерно 4700 Вт. Такой должна быть минимальная мощность генератора для Киевской области.

Думается, для вас не составит труда провести аналогичный расчет, исходя из климатических данных района, где вы живете.

В системе конвекционного отопления лучше всего использовать чугунные радиаторы, например, М-140АО. Они продаются в магазинах стройматериалов. Такие радиаторы дают возможность применить трубы большого диаметра, что очень важно для хорошей циркуляции воды. Кроме того, благодаря большой массе они хорошо накапливают и долго сохраняют тепло, отличаются долговечностью по сравнению со стальными.

Пусть суммарная длина наружных стен самой большой комнаты (см. рис.) составляет примерно 30% от общей длины наружных стен дома. Тогда теплопотери этой комнаты составят 4700*0,3 = 1410 Вт. Исходя из того, что каждый квадратный метр поверхности батареи имеет теплопотери около 500 Вт, подсчитаем количество секций в самой большой комнате, при условии, что поверхность каждой секции равна 0,3м²: 1410:(500*0,3)= приблизительно 10 секций. Для всех помещений дома суммарное число секции составит приблизительно 32 секции. Эти батареи следует распределить по помещениям так, чтобы в жилых комнатах секций было больше, чем в других местах.

Генератор, мощность которого мы определили, — переменного или постоянного тока с любым рабочим напряжением. В качестве генераторов можно использовать некоторые типы электродвигателей, например, любой двигатель постоянного тока. Если рабочее число оборотов генератора, при которых он производит ток, большее, чем число оборотов нашего ветряного ротора (в зависимости от силы ветра оно может составить 150—500 об/мин), нужно использовать повышающий редуктор. Подойдет редуктор от подвесного лодочного мотора мощностью не менее 5 л.с. Применение повышающего редуктора, кроме того, даст возможность расположить генератор горизонтально: ведь лодочный редуктор передает усилие под углом 90°.

Нагревателями служат готовые спирали от электроутюгов и электрокаминов, имеющиеся в продаже. Если мощность одного нагревателя мала, нужно сделать несколько одинаковых нагревателей, которые в сумме будут соответствовать по мощности максимальной мощности генератора. Нагреватели подключаются к генератору параллельно, причем несколько нагревателей монтируется про запас. Каждая спираль вставлена в U-образную медную трубку внутренним диаметром 12—16 мм, в зависимости от размера спирали. Трубка припаивается к корпусу емкости обычным оловянным припоем.

Посмотрите, какой ветрогенератор получился у одного из наших постоянных читателей:

Обогрейте свой дом с помощью механической ветряной мельницы

Это веб-сайт, работающий на солнечной энергии, что означает, что он иногда отключается. Солнечная энергия

При правильных условиях механический ветряк с увеличенной тормозной системой является дешевой, эффективной и устойчивой системой отопления.

Изображение: Иллюстрация Роны Бинай для журнала Low-tech Magazine.

Производство возобновляемой энергии почти полностью направлено на производство электроэнергии. Однако мы используем больше энергии в виде тепла, которое солнечные батареи и ветряные турбины могут производить только косвенно и относительно неэффективно. Солнечный тепловой коллектор пропускает преобразование в электричество и поставляет возобновляемую тепловую энергию прямым и более эффективным способом.

Гораздо менее известно, что механический ветряк может делать то же самое в ветреную погоду — за счет увеличенной тормозной системы ветряк может генерировать много прямого тепла за счет трения. Механический ветряк также может быть соединен с механическим тепловым насосом, что может быть дешевле, чем использование газового котла или электрического теплового насоса, приводимого в действие ветряной турбиной.

Тепло по сравнению с электричеством

В глобальном масштабе потребность в тепловой энергии соответствует одной трети предложения первичной энергии, в то время как потребность в электроэнергии составляет лишь одну пятую часть. ¹ В умеренном или холодном климате доля тепловой энергии еще выше. Например, в Великобритании тепло составляет почти половину общего потребления энергии. ² Если рассматривать только домохозяйства, то тепловая энергия для отопления помещений и нагрева воды в умеренном и холодном климате может составлять 60-80% от общего бытового спроса на энергию. ³

Несмотря на это, возобновляемые источники энергии играют незначительную роль в производстве тепла. Основным исключением является традиционное использование биомассы для приготовления пищи и отопления, но в «развитом» мире даже биомасса часто используется для производства электроэнергии вместо тепла. Использование прямого солнечного тепла и геотермального тепла обеспечивает менее 1% и 0,2% мирового спроса на тепло соответственно ^{4 5} . В то время как на возобновляемые источники энергии приходится более 20% мирового спроса на электроэнергию (в основном гидроэнергетика), на них приходится только 10% глобального спроса на тепло (в основном биомасса). ^{5 6}

Прямое и косвенное производство тепла

Электричество, производимое возобновляемыми источниками энергии, может быть преобразовано – и преобразуется – в тепло косвенным путем. Например, ветряная турбина преобразует энергию вращения в электричество с помощью своего электрического генератора, а затем это электричество можно преобразовать в тепло с помощью электрического нагревателя, электрического котла или электрического теплового насоса. В результате получается тепло, вырабатываемое энергией ветра.

В частности, многие правительства и организации продвигают электрический тепловой насос как устойчивое решение для производства тепла из возобновляемых источников. Однако солнечную и ветровую энергию можно использовать и напрямую, без предварительного преобразования их в электричество, и, конечно же, то же самое относится и к биомассе. Прямое производство тепла дешевле, может быть более энергоэффективным и более устойчивым, чем косвенное производство тепла.

Изображение: прототипы ветряков, производящих тепло, построенные Эсрой Л. Соренсен в 1974. Фото Клауса Нюбро. Источник: ¹³

Прямая альтернатива солнечной фотоэлектрической энергии – солнечная тепловая энергия, технология, появившаяся в девятнадцатом веке вслед за более дешевыми технологиями производства стекла и зеркал. Солнечную тепловую энергию можно использовать для нагрева воды, отопления помещений или промышленных процессов, и это в 2-3 раза более энергоэффективно по сравнению с непрямым путем, включающим преобразование электроэнергии.

Почти никто не знает, что ветряк может производить тепло напрямую

Прямая альтернатива ветряной энергии, известная всем, — это старомодный ветряк, которому не менее 2000 лет. Он передавал энергию вращения от своего ветряного ротора непосредственно на ось машины, например, для распиловки дерева или измельчения зерна. Этот старомодный подход остается актуальным, в том числе в сочетании с новыми технологиями, потому что он был бы более энергоэффективным по сравнению с преобразованием энергии сначала в электричество, а затем обратно в энергию вращения.

Однако старомодный ветряк может производить не только механическую, но и тепловую энергию. Проблема в том, что об этом почти никто не знает. Даже Международное энергетическое агентство не упоминает прямое преобразование ветра в тепло, когда представляет все возможные варианты производства возобновляемого тепла. ¹

Ветряная мельница с водяным тормозом

Ветряная мельница оригинального типа преобразует энергию вращения непосредственно в тепло путем создания трения в воде с использованием так называемого «водяного тормоза» или «машины Джоуля». Теплогенератор, основанный на этом принципе, представляет собой ветряной смеситель или крыльчатку, установленную в изолированном баке, наполненном водой. Благодаря трению между молекулами воды механическая энергия преобразуется в тепловую. Нагретую воду можно закачивать в здание для обогрева или стирки, и та же концепция может быть применена к производственным процессам на заводе, требующим относительно низких температур. ^{7 8 9}

Изображение; система отопления на основе водяного тормозного ветряка. Источник: ⁸

Изначально машина Джоуля задумывалась как измерительный прибор. Джеймс Джоуль построил его в 1840-х годах для своего знаменитого измерения механического эквивалента тепла: одна калория равна количеству энергии, необходимой для повышения температуры 1 кубического сантиметра воды на 1 градус Цельсия. ¹⁰

Теплогенератор, основанный на этом принципе, представляет собой ветряной смеситель или крыльчатку, установленную в изолированном баке, наполненном водой.

Самое интересное в ветряных мельницах с водяным тормозом то, что гипотетически они могли быть построены сотни или даже тысячи лет назад. Для них требуются простые материалы: дерево и/или металл. Но хотя мы не можем исключить их использование в доиндустриальные времена, первое упоминание о ветряках, производящих тепло, относится к 1970-м годам, когда датчане начали их строить после первого нефтяного кризиса.

Изображение: теплогенератор теплового ветряка. Источник: ⁸

В то время Дания почти полностью зависела от импорта нефти для отопления, что оставило многие домохозяйства в холоде, когда были перебои с подачей нефти. Поскольку у датчан уже была сильная культура изготовления небольших ветряных турбин, вырабатывающих электроэнергию на фермах, они начали строить ветряные мельницы для обогрева своих домов. Некоторые избрали непрямой путь, преобразуя электроэнергию, вырабатываемую ветром, в тепло с помощью электронагревательных приборов. Другие, однако, разработали механические ветряные мельницы, которые напрямую производили тепло.

Дешевле строить

Прямой подход к производству тепла значительно дешевле и устойчивее, чем преобразование энергии ветра или солнца в тепло с помощью электрических нагревательных устройств. На это есть две причины.

Во-первых, и это самое главное, механические ветряные мельницы менее сложны, что делает их более доступными и менее ресурсоемкими в изготовлении, а также увеличивает срок их службы. В ветряной мельнице с водяным тормозом можно исключить электрический генератор, силовые преобразователи, трансформатор и редуктор, а из-за экономии веса ветряная мельница должна быть менее прочной. Машина Джоуля имеет меньший вес, меньшие размеры и более низкую стоимость, чем электрический генератор. ¹¹ Также немаловажно, что стоимость аккумулирования тепла на 60-70% ниже по сравнению с аккумуляторными батареями или использованием резервных тепловых электростанций. ²

Ветряная мельница с водяным тормозом, построенная в Институте сельскохозяйственной техники в 1974 году. Фото Рикарда Матцена. Источник: ¹³

Во-вторых, преобразование энергии ветра или солнца непосредственно в тепло (или механическую энергию) может быть более энергоэффективным, чем при преобразовании электричества. Это означает, что для подачи определенного количества тепла требуется меньше преобразователей солнечной и ветровой энергии и, следовательно, меньше места и ресурсов. Короче говоря, ветряная мельница, вырабатывающая тепло, устраняет основные недостатки энергии ветра: ее низкая удельная мощность и ее прерывистость.

Механические ветряные мельницы менее сложны, что делает их более доступными и менее ресурсоемкими в строительстве, а также увеличивает срок их службы

Кроме того, прямое производство тепла значительно повышает экономичность и устойчивость небольших типов ветряных мельниц. Испытания показали, что небольшие ветряные турбины, производящие электроэнергию, очень неэффективны и не всегда производят столько энергии, сколько необходимо для их производства. ¹² Однако использование аналогичных моделей для производства тепла снижает потребление энергии и затраты, увеличивает срок службы и повышает эффективность.

Сколько тепла может производить ветряная мельница?

Датская ветряная мельница с водяным тормозом 1970-х годов была относительно небольшой машиной с диаметром ротора около 6 метров и высотой около 12 метров. Более крупные ветряные электростанции, производящие тепло, были построены в 1980-х годах. Чаще всего используются простые деревянные лопасти. Всего задокументировано не менее дюжины различных моделей, как самодельных, так и коммерческих. ⁷ Многие из них были построены из использованных автомобильных запчастей и других выброшенных материалов. ¹³

Изображение: ветряк Calorius, производящий до 4 кВт тепла. Изображение предоставлено Nordic Folkecenter в Дании.

Один из первых датских тепловых ветряков меньшего размера прошел официальные испытания. Calorius type 37 с ротором диаметром 5 метров и высотой 9 метров производил 3,5 киловатта тепла при скорости ветра 11 м/с (сильный ветер, 6 баллов по шкале Бофорта). Это сравнимо с тепловой мощностью самых маленьких электрических котлов для отопления помещений. с 19С 93 по 2000 год датская фирма Westrup построила в общей сложности 34 водяных тормозных ветряка на основе этой конструкции, а к 2012 году в эксплуатации оставалось еще 17. ⁷

Более крупный водяной ветряк (диаметр ротора 7,5 м, башня 17 м) был построен в 1982 году братьями Сванеборг и отапливал дом одного из них (другой брат выбрал ветряк и электрическое отопление). система). Ветряк, имевший три лопасти из стеклопластика, по неофициальным замерам производил до 8 киловатт тепла — сравнимо с тепловой мощностью электрического котла для скромного дома. ⁷

Далее в 1980-х годах Кнуд Бертоу построил самую сложную на сегодняшний день ветряную электростанцию: LO-FA. В других моделях выделение тепла происходило в нижней части башни — от вершины ветряка к низу шла шахта, где устанавливался водяной тормоз. Однако в ветряной мельнице LO-FA все механические части для преобразования энергии были перемещены на вершину башни. Нижние 10 метров 20-метровой башни были заполнены 15 тоннами воды в изолированном резервуаре. Следовательно, горячую воду можно было буквально выкачивать из ветряной мельницы. ⁷

Башня ветряной мельницы LO-FA была заполнена 15 тоннами воды в изолированном баке: горячую воду можно было буквально выкачивать из ветряной мельницы.

LO-FA также был самым большим из теплогенерирующих ветряков с диаметром ротора 12 метров. Его тепловая мощность оценивалась в 90 киловатт при скорости ветра 14 м/с (по шкале Бофорта 7). Этот результат кажется чрезмерным по сравнению с другими ветряками, производящими тепло, но выход энергии ветряной мельницы увеличивается более чем пропорционально диаметру ротора и скорости ветра. Кроме того, фрикционной жидкостью в водяном тормозе была не вода, а гидравлическое масло, которое можно нагревать до гораздо более высоких температур. Затем масло передало свое тепло резервуару для воды в градирне. ⁷

Возобновление интереса

Интерес к ветряным мельницам, вырабатывающим тепло, вновь проявился несколько лет назад, хотя на данный момент он касается лишь нескольких научных исследований. В статье 2011 года немецкие и британские ученые пишут, что «небольшие и отдаленные домохозяйства в северных регионах нуждаются в тепловой энергии, а не в электроэнергии, и поэтому в таких местах следует строить ветряные турбины для выработки тепловой энергии». ⁸

Исследователи объясняют и иллюстрируют работу ветряной мельницы с водяным тормозом и рассчитывают оптимальную производительность технологии. Было обнаружено, что характеристики крутящего момента ветрового ротора и крыльчатки должны быть тщательно согласованы для достижения максимальной эффективности. Например, для очень маленького ветряка Савониуса, который ученые использовали в качестве модели (диаметр ротора 0,5 м, башня 2 м), было рассчитано, что диаметр крыльчатки должен составлять 0,388 м.

Затем исследователи провели моделирование в течение пятидесяти часов, чтобы рассчитать тепловую мощность ветряной мельницы. Хотя Савониус — тихоходный ветряк, плохо приспособленный для выработки электроэнергии, он оказался отличным производителем тепла: небольшой ветряк производил до 1 кВт тепловой мощности (при скорости ветра 15 м/с). ⁸ Исследование, проведенное в 2013 году с использованием прототипа, дало аналогичные результаты и рассчитало, что эффективность системы составляет 91%. ⁹ Это сравнимо с эффективностью ветряной турбины, нагревающей воду с помощью электричества.

Исследование, проведенное в 2013 году с использованием прототипа, показало, что эффективность системы составляет 91%

Очевидно, не всегда штормовая погода, а значит, не менее важна средняя скорость ветра. В исследовании 2015 года исследуются возможности использования ветряных электростанций для выработки тепла в Литве, прибалтийской стране с холодным климатом, зависящей от импорта дорогого топлива. ¹⁴ Исследователи подсчитали, что при средней скорости ветра в стране (4 м/с по шкале Бофорта 3) для выработки одного киловатта тепла требуется ветряк с диаметром ротора 8,2 метра.

Теплогенерирующий ветряк с водяным тормозом, размещенный внутри нижней части башни. Мельница была построена Йоргеном Андерсеном в 1975 году и стояла в Серритслеве. Фото Клауса Нибро. Источник: ¹³

Они сравнивают это с потребностью в тепловой энергии энергоэффективного нового здания площадью 120 м2, отапливаемого по современным стандартам комфорта, и делают вывод, что тепловая ветряная установка может покрыть от 40 до 75% годовой потребности в отоплении ( в зависимости от класса энергоэффективности сооружения). ¹⁴

Аккумулятор тепла

Средняя скорость ветра также не гарантируется, а это означает, что ветряк, производящий тепло, требует аккумулирования тепла, иначе он будет обогревать только при дуновении ветра. Один кубический метр нагретой воды (1 тонна, 1000 литров) может содержать до 90 кВтч тепла, что составляет примерно один-два дня подачи для семьи из четырех человек.

Та же ветряная мельница, что и на фото выше, вид снизу. Источник: ⁷

Таким образом, чтобы обеспечить достаточное хранилище для моста в течение недели без ветра, требуется до 7 тонн воды, что соответствует объему 7 кубических метров плюс изоляция. Однако следует также учитывать потери энергии (саморазряд), и это объясняет, почему датские ветряки, производящие тепло, обычно имели накопительный бак, вмещающий от десяти до двадцати тысяч литров воды. ¹³

Ветряная мельница, производящая тепло, также может быть объединена с солнечным котлом, так что солнце и ветер могут напрямую давать тепловую энергию, используя меньший резервуар для воды.

Тепловой ветряк также можно комбинировать с солнечным котлом, чтобы и солнце, и ветер могли давать прямую тепловую энергию, используя один и тот же резервуар для хранения тепла. В этом случае появляется возможность построить довольно надежную систему отопления с меньшим баком-аккумулятором тепла, ведь сочетание двух – часто дополняющих друг друга – источников энергии увеличивает шансы прямого теплоснабжения. Особенно в менее солнечном климате ветряные мельницы, производящие тепло, являются отличным дополнением к солнечной тепловой системе, потому что последняя производит относительно меньше тепла зимой, когда потребность в тепле максимальна.

Замедлители и механические тепловые насосы

Самые последние и обширные исследования на сегодняшний день относятся к 2016 и 2018 годам и сравнивают различные типы ветряков, производящих тепло, с различными типами косвенного производства тепла. ^{1 15} В этом втором типе ветряной электростанции тепло вырабатывается механическими тепловыми насосами или гидродинамическими замедлителями, а не водяным тормозом.

Механический тепловой насос — это просто тепловой насос без электродвигателя. Вместо этого ветряной ротор напрямую соединен с компрессором (компрессорами) теплового насоса. Это включает в себя одно преобразование энергии меньше, что делает комбинацию как минимум на 10% более энергоэффективной, чем электрический тепловой насос, приводимый в действие ветряной турбиной.

Гидродинамический замедлитель хорошо известен как тормозная система большегрузных автомобилей. Подобно джоулевой машине, он преобразует энергию вращения в тепло без участия электричества. Ретардеры и механические тепловые насосы имеют те же преимущества, что и машины Джоуля, в том смысле, что они намного меньше, легче и дешевле, чем электрические генераторы. Однако в этом случае для достижения оптимальной эффективности требуется редуктор.

Сравнение различных типов прямого и непрямого нагрева. Источник: ¹⁵

В исследовании сравниваются тепловые ветряки на основе замедлителей и механических тепловых насосов с косвенным производством тепла с использованием электрических котлов и электрических тепловых насосов. В нем сравниваются эти четыре технологии для трех размеров систем: небольшой ветряк, предназначенный для обогрева автономного дома, большой ветряк, предназначенный для обеспечения теплом деревни, и ветряная электростанция, производящая тепло для 20 000 жителей. Четыре концепции отопления ранжированы на основе их ежегодных капитальных и эксплуатационных расходов, исходя из срока службы 20 лет. ^{1 15}

Непосредственное подключение механического ветряка к механическому тепловому насосу дешевле, чем использование газового котла или сочетание ветряной турбины и электрического теплового насоса.

Для автономной системы прямое подключение механического ветряка к механическому тепловому насосу является самым дешевым вариантом, тогда как сочетание ветряной турбины и электрического котла обходится в два-три раза дороже. Все остальные технологии находятся между ними. Принимая во внимание как инвестиционные, так и эксплуатационные затраты, небольшие ветряные генераторы тепла с механическими тепловыми насосами одинаково дороги или дешевле, чем обычные газовые котлы, если исходить из типичной производительности небольшого ветряка (который производит — в течение одного года — 12% до 22% от максимальной выходной энергии).

Изображение: Ветряк с водяным тормозом, разработанный О. Хельгасоном (слева), водяной тормоз с системой переменной нагрузки (справа). Изображения из «Испытания при очень высокой скорости ветра ветряной мельницы, управляемой водяным тормозом», О. Хелгасон и А.С. Сигурдсон, Научный институт Исландского университета. Источник: ⁷

С другой стороны, комбинация небольшой ветряной турбины и электрического теплового насоса требует, чтобы ветряная мельница с «коэффициентом мощности» не менее 30% стала конкурентоспособной по стоимости с газовым отоплением – но такая высокая исполнение очень необычное. Более крупные системы имеют те же рейтинги — комбинация механических ветряков и механических тепловых насосов является самым дешевым вариантом, — но они имеют до трех раз более низкие капитальные затраты из-за эффекта масштаба. Более крупные ветряные мельницы имеют более высокие коэффициенты мощности (16-40%), что приводит к еще большей экономии средств.

Из-за больших потерь энергии на транспортировку тепла ветряк лучше всего подходит в качестве децентрализованного источника энергии, обеспечивающего теплом автономное домашнее хозяйство или, в оптимальном случае, небольшой город.

Однако более крупные системы также обнаруживают проблему при масштабировании технологии: хранение тепла может быть дешевле и эффективнее, чем хранение электроэнергии, но для транспорта верно обратное: потери энергии при транспортировке тепла намного больше, чем потери энергии при транспортировке. передача электроэнергии. Ученые подсчитали, что максимальное расстояние, достижимое с точки зрения затрат при оптимальных ветровых условиях, составляет 50 км. ¹⁵

Следовательно, тепловая ветряная электростанция лучше всего подходит в качестве децентрализованного источника энергии, обеспечивая теплом автономное домашнее хозяйство или, в оптимальном случае, относительно небольшой город или промышленную зону. Для еще более крупных систем энергию необходимо транспортировать в виде электричества, и в этом случае прямое производство тепла со всеми его преимуществами становится непривлекательным.

Ослепленный электричеством

Ветряные мельницы, производящие тепло, также исследуются для производства возобновляемой электроэнергии, главным образом потому, что они предлагают лучшее решение для хранения энергии по сравнению с батареями или другими распространенными технологиями. ¹⁶ В этих системах вырабатываемое тепло преобразуется в электричество с помощью паровой турбины. Система хранения аналогична системе концентрированной солнечной электростанции (CSP), а солнечные концентраторы заменены ветряными мельницами, производящими тепло.

«Вихретоковый нагреватель». Источник: ⁹

Поскольку для эффективного производства электроэнергии с помощью паровой турбины необходимы высокие температуры, эти системы не могут использовать джоулевые машины или гидродинамические замедлители, а вместо этого полагаются на тип замедлителя, называемый «вихретоковым нагревателем». (или «индукционный нагреватель»). Они состоят из магнита, установленного на вращающемся валу, и могут достигать температуры до 600 градусов по Цельсию. Используя вихретоковые нагреватели, ветряные мельницы могут обеспечивать прямой нагрев при более высоких температурах, что еще больше расширяет их потенциальное применение в промышленности.

Однако использование аккумулированного тепла для производства электроэнергии значительно дороже и менее экологично по сравнению с использованием ветряных электростанций для прямого производства тепла. Преобразование накопленного тепла в электричество имеет эффективность не более 30%, а это означает, что две трети энергии ветра теряются из-за ненужных преобразований энергии, и то же самое верно, когда солнечная тепловая энергия используется для производства электроэнергии. ¹⁵

Таким образом, прямое производство тепла дает возможность сократить в три раза больше выбросов парниковых газов и ископаемого топлива, используя то же количество ветряных мельниц, которые также дешевле и экологичнее в строительстве. Будем надеяться, что прямому производству тепла будет отдан тот приоритет, которого оно заслуживает. Несмотря на потепление климата, спрос на тепловую энергию высок как никогда.

Крис Де Декер

• Читать журнал Low-tech в автономном режиме.
• Подпишитесь на нашу рассылку
• Поддержите журнал Low-tech через Paypal или Patreon.

Комментарии

Чтобы оставить комментарий, отправьте электронное письмо на адрес solar (at) lowtechmagazine (dot) com.

---

1. Нитто, дипломированный инженер Алехандро Николас, Карстен Агерт и Ивонн Шольц. «ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ (ВТЭС)». ↩↩↩↩

2. Интеграция хранилища тепловой энергии в энергетическую сеть, Шарьяр Ахмед, 2017 ↩↩

3. Светлое будущее заводов, работающих на солнечной энергии, Крис Де Декер, журнал Low-tech Magazine, 2011 ↩

   .

4. Solar Heat Worldwide, издание 2018 г., Международное энергетическое агентство (МЭА). ↩

5. Renewables 2018, Heat, Международное энергетическое агентство (МЭА). ↩↩

6. Всемирный банк: производство электроэнергии из возобновляемых источников. ↩

7. Расцвет современной энергии ветра: энергия ветра для всего мира. Pan Stanford Publishing, 2013. См. главу 13 («Ветряные мельницы с водяным тормозом», Йорген Крогсгаард) и главу 16 («Обреченные на забвение», Пребен Мегаард). Кажется, это единственные документы на английском языке о датских ветряных мельницах с водяным тормозом. ↩↩↩↩↩↩↩↩

8. Чакиров, Рустьам и Юрий Вагапов. «Прямое преобразование энергии ветра в тепло с помощью джоулевой машины». Четвертая международная конференция по экологии и компьютерным наукам (ICECS 2011), Сингапур, сентябрь 2011 г. ↩↩↩↩↩

9. МАЛАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВИХРЕТОЧНЫМ НАГРЕВАТЕЛЕМ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ, ИОН СОБОР, ВАСИЛЬ РАШЬЕ, АНДРЕЙ ШИЧУК и РОДИОН ЧЮПЕРЦЭ. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IAŞI. Publicat de Universitatea Tehnică «Georghe Asachi» din Iaşi Tomul LIX (LXIII), Fasc. 4 2013 ↩↩↩ 

10. Эксперимент Джоуля: историко-критический подход, советник Маркоса Поу Галло. ↩

11. Окадзаки, Тору, Ясуюки Шираи и Такетсуне Накамура. «Концептуальное исследование ветроэнергетики с использованием прямого преобразования тепловой энергии и аккумулирования тепловой энергии». Возобновляемая энергия 83 (2015): 332-338. ↩

12. Реальные испытания малых ветряных турбин в Нидерландах и Великобритании, Крис Де Декер, The Oil Drum, 2010.  ↩

13. Selfbuilders, веб-сайт Winds of Change, Эрик Гроув-Нильсен. ↩↩↩↩↩

14. Чернецкене, Юргита и Тадас Жданкус. «Использование энергии ветра для обогрева энергоэффективных зданий: анализ возможностей». Журнал устойчивой архитектуры и гражданского строительства 10.1 (2015): 58-65. ↩↩

15. Цао, Карл-Кьен и др. «Расширение горизонтов преобразования энергии в тепло: оценка затрат на новые концепции обогрева помещений с помощью ветряных тепловых энергетических систем». Энергия 164 (2018): 925-936. ↩↩↩↩↩

16. Окадзаки, Тору, Ясуюки Шираи и Такетсуне Накамура. «Концептуальное исследование ветроэнергетики с использованием прямого преобразования тепловой энергии и аккумулирования тепловой энергии». Возобновляемая энергия 83 (2015): 332-338. ↩

Ср, 27 февраля 2019 г.

Вт, 03 мая 2022 г.

Крис Де Декер

• ← новый артикул

  Журнал Low-tech: печатный веб-сайт

• старая статья →

  Поддерживая часть света: переосмысление энергетической безопасности

292. 83KB

7 причин, по которым домашняя ветряная турбина и электрические радиаторы хорошо работают вместе

Дом / Советы по отоплению / 7 причин, по которым домашняя ветряная турбина и электрические радиаторы хорошо работают вместе

В последнее время кажется, что люди всегда ищут новые способы помочь окружающей среде и сократить ежемесячные расходы, сохраняя при этом желаемый образ жизни. Мы надеемся, что сможем использовать наши системы охлаждения летом и системы отопления зимой без чувства вины. В последние годы использование ветра для получения энергии стало популярным способом получения дешевой и чистой энергии для наших домов и предприятий. Домашние ветряные турбины способны производить достаточно электроэнергии для вашего дома, а также помогают окружающей среде и снижают ежемесячные затраты на электроэнергию для вас и вашей семьи.

Если вы еще не знакомы с ветряными турбинами, то они представляют собой большие лопасти, устанавливаемые либо на здания, либо на столбы. Огромные лопасти улавливают дующий ветер и превращают его в энергию, которую вы можете использовать в своем доме на все нужды, включая электрические радиаторы для отопления. Еще лучше то, что ветер — это возобновляемая энергия, а это значит, что его можно восполнить за счет природных ресурсов, таких как ветер, солнце или дождь. Эти элементы встречаются в природе, и они не вызывают страха исчерпания запасов, как нефть и другие виды невозобновляемой энергии.

Ниже приведены семь преимуществ использования ветряной турбины вместе с электрическими радиаторами для вашего дома.

Это сэкономит вам деньги

Хотя первоначальные затраты на установку домашней ветряной турбины могут показаться дорогими, в долгосрочной перспективе это значительно сэкономит домовладельцам. После того, как турбина оплачена, нет ежемесячных затрат на доставку и использование энергии в вашем доме. Это также поможет сэкономить деньги в долгосрочной перспективе, потому что в будущем, вероятно, будет расти стоимость энергии, поскольку невозобновляемая энергия становится менее распространенной. Домовладельцу тяжело думать о том, насколько больше будут стоить наши ресурсы в будущем. С подачей энергии в ваш дом с помощью ветряной турбины вы избежите увеличения затрат. Единственным недостатком является то, что вы не увидите разницы при использовании традиционной газовой системы центрального отопления. Почему? Традиционное газовое центральное отопление нельзя использовать с ветряной турбиной, тогда как электрические радиаторы (которые работают на электричестве) являются идеальной альтернативой. В зимнее время затраты на электроэнергию могут возрасти, так как вы чаще пользуетесь системой отопления. Было бы выгоднее и экономичнее использовать энергию ветра вместе с электрическим радиатором в течение всего года.

Он экономит энергию, когда она вам понадобится

Многие люди могут беспокоиться о том, что если они используют ветряную турбину, энергия закончится. Это не тот случай. Во-первых, обилие ветра, даже если мы не чувствуем его постоянно. Вы, вероятно, можете видеть, как качаются ветки и листья, хотя ураганные ветры дуют не каждый день. Вторая хорошая новость заключается в том, что энергию можно хранить до тех пор, пока она вам не понадобится. Домашняя ветряная турбина продолжает собирать энергию по мере того, как дует ветер, и вы можете использовать ее для своего электрического радиатора, когда вам это нужно. Это означает, что даже если вам не понадобится использовать тепло в течение нескольких месяцев, энергия будет у вас, когда вы это сделаете.

Его можно использовать где угодно и в любое время года

Хотя в некоторых местах и ​​ситуациях использование домашнего ветрогенератора может оказаться невозможным из-за того, что районы не такие открытые, как другие, на самом деле ограничений нет. Единственное соображение — это то, куда он пойдет и как ветер дует в этом районе и направлении. В то время как некоторые из электросетей по всему миру ненадежны и могут не всегда работать, это не проблема с домашней ветряной турбиной из-за ее изобилия. Даже если вы используете больше энергии зимой, потому что она холоднее и темнее, у вас все равно будет много энергии, поскольку она хранится. Идите вперед и используйте эти электрические радиаторы, работающие от ветра. У вас будет хорошая и уютная зима.

Возобновляемая энергия

Возобновляемая энергия важна по многим причинам. Во-первых, он не иссякнет. Невозобновляемая энергия используется для многих вещей во всем мире. Мы используем нефть, природный газ и уголь для наших энергетических нужд. К сожалению, этих ресурсов не так много, как ветер, солнце и дождь. В конце концов, невозобновляемые ресурсы закончатся, и что это нас оставит? К сожалению, это будет означать, что у нас нет энергии, чтобы запустить все необходимое в наших домах, чтобы иметь возможность жить счастливой и успешной жизнью.

В наши дни люди используют все больше и больше энергии из-за технологий, которые разрабатывались годами. Если вы думаете обо всей электронике и приборах, работающих в ваших домах, это почти чудо, что у нас еще не закончилась энергия. Использование ветра для питания и обогрева вашего дома гарантирует, что энергия не иссякнет в будущем. Всегда будет ветер, который ваша ветряная турбина может собирать и снабжать энергией ваш дом. Это должно облегчить некоторые опасения по поводу исчерпания необходимых ресурсов для нашей повседневной жизни.

Она чистая и, следовательно, уменьшает ваш углеродный след

Чистая энергия лучше всего, потому что она поможет сохранить нашу Землю в безопасности. Использование домашнего ветряка поможет сократить выбросы углекислого газа, которые могут повлиять на Землю и ее обитателей. Есть даже исследования и доказательства того, что выбросы углерода от других видов энергии являются причиной того, что температура Земли выходит из строя. Хотя мы можем увидеть лишь небольшое увеличение атмосферы Земли на протяжении всей нашей жизни, поскольку люди больше заботятся о Земле, это, безусловно, создаст лучшую среду для будущих поколений. Сокращение вашего углеродного следа важно для обеспечения того, чтобы наша Земля могла поддерживать жизнь в будущем. Особенно, если у вас есть дети или внуки, то вы можете понять эту озабоченность.

В изобилии

Возобновляемой является не только энергия ветра, но и энергия ветра. Ветер дует постоянно, даже если кажется, что это не каждый день. Хотя в некоторые сезоны ветер дует сильнее, чем в другие, он всегда дует в течение всего года, где бы вы ни находились. Это означает, что домашние ветряные турбины могут производить большое количество энергии. Кроме того, это также означает, что есть постоянная энергия, которая может обеспечивать дома отоплением и электричеством. Наличие большого количества энергии означает, что даже во время перебоев в подаче электроэнергии или в периоды, когда у вас обычно может не быть электричества, вы и ваша семья сможете заниматься повседневной жизнью по мере необходимости.

Позволяет контролировать тепло в каждой комнате

Вы не можете находиться во всех комнатах своего дома одновременно, поэтому электрический радиатор в паре с домашним ветряком может помочь вам контролировать тепло в твоем доме. При использовании других видов энергии вы, возможно, не сможете контролировать уровень нагрева в каждой комнате, потому что многие домашние системы отопления имеют зоны. Использование электрического радиатора может гарантировать, что вы используете только то количество энергии, которое вам нужно в той области, в которой вы находитесь. Это почти как частный термостат для каждой комнаты в вашем доме. Электронагреватель, работающий от ветряной турбины, также позволяет сохранять энергию до тех пор, пока она вам не понадобится, поэтому в холодные зимние месяцы у вас не закончится источник энергии, когда он вам больше всего понадобится.

Final Words

По мере приближения зимы каждый год многие люди беспокоятся о том, как они смогут позволить себе газ или электричество для отопления своих домов, тем более что цены продолжают расти с каждым годом. Наличие ветряной турбины может быть именно тем ответом, который ищут многие люди, и это не только позволяет им сократить расходы на ежемесячные счета, но также имеет много других замечательных преимуществ.