Как нагревать воду ветром

Разработанный в Сибири ветрогенератор может нагревать воду при слабом ветре

Dennis van Gils/YouTube/Pexels/Indicator.Ru

Ученые из Института теплофизики СО РАН создали концепт ветрогенератора, который может работать при низкой скорости ветра и нагревать воду практически без потерь энергии. Статья, посвященная разработке, опубликована в журнале Applied Energy.

Обычно, чтобы нагреть воду, используя ветряную установку, сначала нужно выработать электричество, а затем подать его на нагревательный элемент. Устройство, спроектированное сибирскими учеными, может превращать механическую энергию вращающегося ветряка в тепловую, минуя дополнительные этапы преобразования энергии, которые снижают КПД установки.

«Мы сделали два цилиндра, в каждом из которых есть набор каналов. Цилиндры вкладываются друг в друга так, чтобы стенки каналов одного из них располагались внутри пространства каналов другого. Эта система помещается в емкость со специальной вязкой жидкостью. Цилиндры вращаются в противоположные стороны под действием ветряка (в экспериментальной установке ИТ СО РАН его заменяет электрический привод), создавая цилиндрические каналы со взаимно движущимися стенками. Поток жидкости в них становится неоднородным, возникают вихри, которые повышают эффективность получения тепловой энергии», — рассказывает старший научный сотрудник института Александр Назаров.

Саму установку исследователи собирали около трех лет. Ученые получили широкий диапазон параметров — состав и вязкость жидкости, температура, размеры цилиндров, скорость вращения — и вычислили такую их комбинацию, при которой установка будет наиболее эффективной. Используя эти цифры, легко посчитать характеристики оборудования для конкретных целей. Благодаря этим данным теперь можно точно спрогнозировать, сколько энергии получится при той или иной скорости ветра. Так, при скорости ветра в 4 м/с (наиболее вероятной для Новосибирской области) установка способна нагреть воду до 60 °С примерно за час.

Для создания прототипа установки осталось разработать необходимый для ее работы роторный генератор (то есть лопасти) с вертикальной осью вращения. Если привычные генераторы внешне напоминают пропеллер, то такой будет скорее похож на колесо.

Источник

Возобновляемая энергия от ветра, солнца и воздуха, или как нагревать воду летом без обжига в духовке

Не было бы замечательно провести весенне-летний отпуск от курения в духовке? Это возможно, если мы инвестируем в возобновляемые источники энергии для отопления воды. Только если такая инвестиция всегда окупается?

Установка солнечных коллекторов может быть объединена с фотогальваническими панелями, что делает ее независимой от сети.

Солнечные и теплые, часто горячие, и все еще каждый день мы организуем паломничество в котельную. В противном случае горячей воды не будет, и при замораживании, даже самой большой жаре никто не любит стирать. Разве солнце, когда оно уже прогревается, не нагреет воду и не сэкономит нам силы и текущие затраты? Ну, может быть.

Однако вначале следует отметить, что этот тип установок в нашей климатической зоне не всегда будет работать на сто процентов, а высокие инвестиционные затраты означают, что он будет платить в лучшем случае через несколько, а иногда и более двадцати лет. Несомненно, однако, хорошо продуманные инвестиции в возобновляемые источники энергии являются не только экологическими, но и удобными. И хорошо для тех, кто предпочитает тратить больше денег в свое время, чтобы впоследствии сократить свои текущие расходы.

Солнечные коллекторы: только на полгода

Коллекторы могли успешно работать в течение всего года. К сожалению, в Польше почти половина своего времени им не хватает солнечного топлива. Поэтому, поскольку поддержка отопления собственности будет полезна только в очень ограниченной степени — весной и ранней осенью. Однако с апреля по октябрь самый удобный и наиболее экономичный способ получить теплую воду. Условие является подходящим местом, позволяющим собирать коллектор под таким углом, чтобы он собирал как можно больше солнечного света с рассвета. Благодаря этому, даже в 8 часов утра вы можете принять теплый душ. Чтобы сделать нашу установку полностью работоспособной, необходимо учитывать несколько факторов.

Интересная тема: Установка солнечных коллекторов — из жизни инвестора

Наиболее важным параметром является мощность нагрева, полученная от одного квадратного метра солнечной установки. Именно она решает об энергоэффективности при определенных условиях.
И погодные условия варьируются в зависимости от региона Польши.

Самая высокая средняя годовая доза солнечной радиации характеризуется приморским поясом. Это 1064 кВтч / м2, с 1624 часами радиации в год. Однако для Варшавы и ее окрестностей параметры ниже и составляют 967 кВтч / м2 и 1580 часов соответственно. Здесь инвестиционные затраты будут несколько выше, из-за необходимости покупать коллекторы с более высокой мощностью и площадью, чтобы нагревать такое же количество воды.

Давайте также помнить, что солнечный коллектор нуждается в электричестве. Чтобы сделать его самодостаточным, вы также можете установить небольшую фотогальваническую ячейку и инвертор, что увеличит инвестиционные затраты на минимум. 1000 злотых

Для кого это будет самая выгодная инвестиция? Разумеется, для владельцев приморских пансионатов и агротуризма, где наибольшее потребление воды в летние месяцы. Это также решение, достойное интереса для семей с несколькими лицами, в которых спрос на столицу он также значителен. Чтобы нагревать содержимое резервуара емкостью 500 литров и поддерживать температуру в течение дня, потребуются сборщики площадью около 6-9 м2. Стоимость такой установки составляет около 12 000-20 000 злотых.

Ветряная мельница: включите нагреватель

При правильных условиях вы можете нанять ветер для работы на собственном дворе. Энергия от ветряной фермы на заднем дворе будет снабжена обогревателем, который нагревает воду. Условием точности инвестиций в ветряной мельнице является правильное количество и сила ветра в течение года. И с этим случается с нами иначе.

Доступны ветровые электростанции с различной мощностью и напряжением. Во избежание необходимости получения разрешения на установку ветровой электростанции он не может превышать определенный уровень мощности, а также высоту мачты. Небольшие ветряные мельницы мощностью 300-600 Вт и 24 В могут монтироваться на небольшой мачте, прикрепленной к стене здания или на другом элементе садовой архитектуры. Большим ветряным электростанциям потребуется отдельная мачта, строительство которой может потребовать разрешения на строительство (если оно должно быть уложено) или, по крайней мере, уведомления. Чтобы избежать монотонного звука ветряной мельницы, рекомендуется найти его на расстоянии не менее 20 метров от жилых зданий.

Нагреватели в резервуарах для воды также должны быть настроены на соответствующее напряжение питания и питания. Есть, среди прочих 500 Вт, питание от 24В. Такой нагреватель может быть успешно снабжен небольшой ветряной электростанцией. Это решение имеет преимущество перед коллектором, что ветры (если есть) дуют днем ​​и ночью, в солнце и дождь. Ветровая турбина мощностью 500 Вт стоит около 3500 злотых, чего достаточно для постоянного нагрева резервуара для воды 150-200 литров. Однако стоимость полной установки, производимой специализированной компанией, намного выше и составляет примерно 15 000-20 000 злотых

Тепловые насосы: без каких-либо перерывов в поставке

Нагревательные установки, основанные на тепловых насосах, определенно являются круглогодичным решением. И как таковой, их стоит только рассмотреть, поскольку, учитывая инвестиционные затраты, вода, нагретая таким образом, была бы дьявольски дорогой. Поэтому вам не о чем беспокоиться, если вы не хотите использовать насос для питания центральной системы отопления.

Разумеется, это решение стоит рассмотреть для всех тех, кто не имеет доступа к другим видам топлива или использует самые дорогие, такие как мазут. Хотя изначально затраты на установку будут намного выше, чем традиционные (печь или камин с водяной рубашкой), во время операции мы будем платить гораздо меньше в отношении нефти или угля.

Также читайте: Использование теплового насоса в новом и старом доме

Здесь основой является выбор правильного размера насоса, который должен точно соответствовать потребностям здания для отопления и горячей воды. Однако важно выбрать подходящий более низкий источник тепла: коллектор, зонд, вода или воздух. Если выбор неправильный, насос может работать неэкономично: негабаритный имеет большую тепловую мощность и, следовательно, больше электроэнергии, которая будет потреблять больше электроэнергии. Потому что следует помнить, что текущий насос потребляет довольно много — сравнимо с холодильником. Потому что он также работает по аналогичному принципу, только это … отменено.

Наиболее проблематичным является установка воздушного насоса с воздушно-водяным теплообменником. Он состоит из двух основных элементов: внешнего и внутреннего блока и не требует дорогостоящих раскопок. Он менее эффективен, чем рассол или вода, но и самый дешевый среди них. Самые дешевые модели с воздушно-водяными теплообменниками для использования в домах с одной семьей, мы закроем в пределах 30 000-5 000 злотых.

Источник

Обогреться ветром

Когда говорят о возобновляемых источниках энергии, под энергией почти всегда понимают электричество. Однако человечество потребляет заметно больше энергии тепловой, чем электрической. Преобразование же последней в тепло экономически неэффективно.

Солнечные тепловые коллекторы и пруды обеспечивают нас тепловой энергией напрямую, минуя выработку электроэнергии, откуда их высокая эффективность. Но немногие знают, что то же самое могут делать ветровые колёса. Оснастив такое колесо «тормозной системой» в виде джоулевой мешалки, можно получать тепловую энергию непосредственно из энергии вращения, используя эффект гидродинамического нагрева жидкости.

НЕ ВОЮЙТЕ С МЕЛЬНИЦАМИ

Всем известная старая добрая ветряная мельница служит людям как минимум две тысячи лет. Она передаёт энергию вращения лопастей непосредственно на вал, приводящий мельничные жернова. Такая конструкция остаётся актуальной и сегодня, поскольку оказывается более эффективной, чем преобразование энергии вращения в электричество с последующим обратным преобразованием его в кинетическую энергию (например, электропривод тех же мельничных жерновов).

Но ветряная мельница может вырабатывать не только механическую, но и тепловую энергию. Для этого ветряк соединяют с так называемой джоулевой мешалкой, или водяным тормозом. Она представляет собой погружённую в теплоизолированный сосуд с жидкостью мешалку, или крыльчатку, приводимую во вращение валом ветряка. За счёт гидродинамического взаимодействия, возникающего между потоками воды в мешалке, механическая энергия преобразуется в тепловую. Получаемая таким образом горячая вода может подаваться в отопительную систему дома, использоваться для мытья и других целей. Возможно её применение в технологических процессах, не требующих высоких температур.

Джеймс Джоуль построил свою мешалку с ручным приводом в 1840 гг. для знаменитого эксперимента по измерению механического эквивалента тепла. Самое удивительное, что подобные ветряки гипотетически могли быть созданы сотни, если не тысячи лет назад. Для них не требуется никаких экзотических материалов — достаточно дерева и/или металла. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что их никогда не использовали в доиндустриальные времена, первое упоминание о тепловых ветряках датируется 1970-ми годами, когда грянул нефтяной кризис и датчане начали строить их из-за нехватки нефтепродуктов.

Тогда Дания практически полностью зависела от импорта нефти, поэтому из-за перерывов в её поставках многие дома оставались без отопления. К тому времени датчане уже неплохо освоили постройку своими руками небольших ветровых турбин, вырабатывающих электроэнергию для ферм. Некоторые просто использовали для отопления генерируемое ими электричество, другие же стали строить отдельные ветряки, вырабатывающие тепло.

ДЕШЕВЛЕ И ЭФФЕКТИВНЕЕ

Во-первых, механические тепловые ветряки значительно проще по конструкции, чем классические ВЭУ, а, следовательно, доступнее и требуют меньше материалов для изготовления. Благодаря простоте конструкции у них больше время безотказной работы. Им не нужны тяжеленные редуктор, генератор, трансформатор и преобразователь частоты. Благодаря значительно меньшему весу такой ветряк не нуждается в столь основательной башне и фундаменте под неё. Джоулева мешалка легче, меньше по размерам и дешевле, чем электрический генератор. Немаловажно и то, что удельная стоимость накопителя тепловой энергии на 60-70% ниже, чем электрохимической батареи.

Во-вторых, преобразование ветровой или солнечной энергии непосредственно в тепло или механическую энергию более энергоэффективно, чем через промежуточное преобразование в электричество. Это значит, что для выработки того же количества тепла понадобится меньше земельных площадей и других ресурсов.

Наконец, прямая генерация тепла значительно улучшает экономические показатели и загрузку небольших ветряков. Многие исследования показали, что небольшие ВЭУ за весь срок службы могут произвести меньше энергии, чем было затрачено на их изготовление. Используя же ветряки аналогичного класса для выработки тепла, можно снизить энергетические и финансовые затраты, нарастить время безотказной работы и эффективность оборудования.

КАКАЯ МОЩНОСТЬ?

Датские ветряки с джоулевой мешалкой в 1970-х были сравнительно небольшими, с диаметром ротора около 6 м и высотой башни около 12 м. В 1980-х были построены более крупные машины. В большинстве случаев в них использовались простые деревянные лопасти. В литературе описано как минимум 12 различных моделей — как самодельных, так и коммерческих. Многие из них строились из деталей от списанных в утиль автомобилей и другой техники со свалок.

Один из ранних датских небольших тепловых ветряков прошёл официальные испытания. Агрегат Calorius type 37 с ротором диаметром 5 м и башней высотой 9 м вырабатывал 3,5 кВт тепла при скорости ветра 11 м/с. Это сравнимо с теплопроизводительностью малых электрических отопительных котлов. С 1993 по 2000 гг. датская компания Westrup построила 34 основанных на этой конструкции тепловых ветряка, и к 2012 г. 17 из них продолжали работать.

Позднее, в 1980-х, Кнуд Бертоу построил наиболее сложный на тот момент тепловой ветряк — модель LO-FA. В других моделях тепло генерировалось в нижней части башни — от ротора через всю башню шёл вал, который вращал мешалку. Но в LO-FA мешалка и все остальные механические части размещались в верхней части башни. Нижние 10 метров 20-метровой башни были заполнены примерно 15 тоннами воды, заключённой в теплоизолированном резервуаре.

LO-FA также считается самым большим из известных тепловых ветряков — его ротор имел диаметр 12 м. Теплопроизводительность машины оценивалась в 90 кВт при скорости ветра 14 м/с. Этот показатель кажется завышенным в сравнении с другими моделями, но стоит отметить, что выработка растёт быстрее, чем увеличиваются диаметр ротора и скорость ветра. В качестве «тормозной жидкости» использовалась не вода, а гидравлическое масло, которое можно нагревать до значительно более высоких температур. Масло передавало своё тепло воде в нижнем резервуаре.

НАКОНЕЦ-ТО ВСПОМНИЛИ

Несколько лет назад интерес к тепловым ветрякам начал возрождаться, хотя пока количество научных исследований на эту тему можно пересчитать по пальцам. В статье 2011 г. немецкие и британские учёные отметили, что «небольшим и территориально удалённым домовладениям в северных районах необходима скорее тепловая энергия, чем электричество, так что ветровые турбины в таких местах должны вырабатывать тепло, а не электроэнергию» .

Исследователи объяснили и иллюстрировали работу джоулевой мешалки и рассчитали её оптимальные характеристики. Они обнаружили, что скорость вращения и крутящий момент ротора и перемешивающей крыльчатки должны быть тщательно согласованы. Так, для очень небольшого ветряка Савониуса (с вертикальной осью вращения), который учёные использовали в качестве модели (ротор диаметром 0,5 м на башне высотой 2 м), расчётный диаметр крыльчатки — 0,388 м.

Затем учёные провели 50-часовое тестирование, чтобы определить теплопроизводительность ветряка. Хотя ротор Савониуса низкоскоростной и плохо подходит для выработки электроэнергии, оказалось, что он очень недурной производитель тепла: крошечная машина вырабатывала до 1 кВт тепла при скорости ветра 15 м/с.

Понятно, что штормовая погода бывает не часто, поэтому не меньшее значение имеет средняя скорость ветра в конкретной местности. В 2015 г. было проведено исследование возможности генерировать тепло ветряками в Литве, прибалтийской стране с довольно холодным климатом, зависимой от дорогого импортного топлива. Учёные подсчитали, что при средней местной скорости ветра 4 м/с (3 балла по шкале Бофорта) для выработки одного киловатта тепла потребуется ветряк с диаметром ротора 8,2 м.

СОХРАНЕНИЕ ТЕПЛА

Ветер достигает даже своей средней скорости далеко не всегда, а это значит, что необходим какой-либо накопитель тепла — иначе дом будет отапливаться только в хороший ветер. Один кубометр (1 т) горячей воды может хранить до 90 кВт·ч тепловой энергии, чего достаточно примерно на один-два дня отопления дома на четыре человека.

Чтобы обеспечить отопление в течение безветренной недели, потребуются 7 куб. м воды плюс теплоизоляция здания. Учитывая потери энергии, вы поймёте, почему в датских тепловых ветряках устанавливались резервуары на 10 и даже 20 т воды.

Тепловой ветряк можно объединить с солнечным нагревателем, чтобы водяной резервуар наполнялся энергией и солнца, и ветра. В этом случае появляется возможность создать достаточно надёжную отопительную систему с резервуаром меньшего размера.

По некоторым подсчётам, переход на прямую выработку тепловой энергии из ветра позволит экономить в три раза больше ископаемого топлива при том же количестве ветряков, которые к тому же выйдут дешевле в производстве и эксплуатации. Будем надеяться, что эту технологию вскоре оценят по заслугам, по крайней мере — в странах с холодным и умеренным климатом.

Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.

Портал Энерговектор — ​это ​ всегда свежие новости, комментарии финансовых аналитиков, оперативные фото- и видеорепортажи. На портале также размещаются расширенные версии статей, публикуемых в газете Энерговектор, с дополнительными иллюстрациями и видеовставками. Мы придаём большое значение вопросам престижа энергетических профессий, развитию отечественного энергетического машиностроения и энергоинжиниринга, обмену опытом и новым «прорывным» технологиям.

Источник