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.
