Обогрев при помощи ветряка без электричества

Производство возобновляемой энергии почти полностью направлено на выработку электроэнергии. Однако мы используем больше энергии в виде тепла, которое солнечные панели 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 механическая ветряная мельница может делать то же самое в ветреном климате — за счет увеличения тормозной системы ветряная мельница может генерировать много прямого тепла за счет трения. Механическая ветряная мельница также может быть соединена с механическим тепловым насосом, что может быть дешевле, чем использование газового котла или электрического теплового насоса, приводимого в действие ветряной турбиной.

Тепло против электричества

В мировом масштабе спрос на тепловую энергию соответствует одной трети первичного энергоснабжения, тогда как спрос на электроэнергию составляет всего одну пятую. В умеренном или холодном климате доля тепловой энергии еще выше. Например, в Великобритании тепло составляет почти половину от общего потребления энергии. Если рассматривать только домохозяйства, тепловая энергия для нагрева помещений и воды в умеренном и холодном климате может составлять 60–80 % от общего внутреннего спроса на энергию. Несмотря на это, возобновляемые источники энергии играют незначительную роль в производстве тепла. Главным 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. В то время как возобновляемые источники энергии обеспечивают более 20% мирового спроса на электроэнергию (в основном гидроэлектроэнергия), они обеспечивают только 10% мирового спроса на тепло (в основном биомасса)

Прямое и косвенное производство тепла

Электричество, произведенное возобновляемыми источниками энергии, может быть — и преобразуется — в тепло косвенным способом. Например, ветряная турбина преобразует свою вращательную энергию в электричество с помощью своего электрогенератора, а затем это электричество может быть преобразовано в тепло с помощью электронагревателя, электрокотла или электрического теплового насоса. Результатом является тепло, вырабатываемое энергией ветра. В частности, электрический тепловой насос продвигается многими правительствами и организациями как устойчивое решение для возобновляемого производства тепла. Однако солнечную и ветровую энергию также можно использовать напрямую, без предварительного преобразования их в электричество — и, конечно, то же самое относится к биомассе. Прямое производство тепла дешевле, может быть более энергоэффективным и более устойчивым, чем косвенное производство тепла.

Прототипы ветряных мельниц, вырабатывающих тепло, построенные Эсрой Л. Соренсен в 1974 году. Фото Клауса Нюбро.

Прямая альтернатива солнечной фотоэлектрической энергии — это солнечная тепловая энергия, технология, которая появилась в девятнадцатом веке вслед за более дешевыми технологиями производства стекла и зеркал. Солнечная тепловая энергия может использоваться для нагрева воды, отопления помещений или промышленных процессов, и это в 2-3 раза энергоэффективнее по сравнению с использованием косвенного пути, включающего преобразование электроэнергии.

Почти никто не знает, что ветряная мельница может производить тепло напрямую!

Прямая альтернатива ветровой энергии, которую все знают, — это старомодная ветряная мельница, которой не менее 2000 лет. Она передавала вращательную энергию от своего ветрового ротора непосредственно на ось машины, например, для распиловки древесины или измельчения зерна. Этот старомодный подход остается актуальным, также в сочетании с новыми технологиями, поскольку он был бы более энергоэффективным по сравнению с первым преобразованием энергии в электричество, а затем обратно во вращательную энергию. Однако старомодная ветряная мельница может вырабатывать не только механическую энергию, но и тепловую. 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.

Ветряная мельница с водяным тормозом

Оригинальный тип ветряной мельницы, генерирующей тепло, преобразует энергию вращения непосредственно в тепло, создавая трение в воде, используя так называемый «водяной тормоз» или «Джоулевую машину». Теплогенератор, работающий по этому принципу, по сути, представляет собой работающий от ветра смеситель или рабочее колесо, установленное в изолированном резервуаре, наполненном водой. Благодаря трению между молекулами воды механическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Нагретую воду можно закачивать в здание для отопления или стирки, и ту же концепцию можно применить к промышленным процессам на заводе, требующим относительно низких температур.

Система отопления на основе ветряной мельницы с водяным тормозом.

Машина Джоуля изначально была задумана как измерительный прибор. Джеймс Джоуль построил ее в 1840-х годах для своего знаменитого измерения механического эквивалента тепла: одна калория равна количеству энергии, необходимому для повышения температуры 1 кубического сантиметра воды на 1 градус Цельсия.

Генератор тепла, работающий на этом принципе, по сути представляет собой работающую от ветра мешалку или рабочее колесо, установленные в изолированном баке, наполненном водой. (другими словами устройство и работа напоминает поговорку про «толочь воду в ступе», но с обратным смыслом).

Самое интересное в ветряных мельницах с водяным тормозом то, что гипотетически их могли построить 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 ветряных мельницах, вырабатывающих тепло, датируется 1970-ми годами, когда датчане начали их строить после первого нефтяного кризиса.

В то время Дания почти полностью зависела от импорта нефти для отопления, что оставляло многие домохозяйства в холоде, когда поставки нефти были нарушены. Поскольку у датчан уже была сильная культура производства самодельных небольших ветряных турбин, вырабатывающих электроэнергию на фермах, они начали строить ветряные мельницы для отопления своих домов. Некоторые выбрали косвенный путь, преобразуя вырабатываемую ветром электроэнергию в тепло с помощью электрических нагревательных приборов. Другие, однако, разработали механические ветряные мельницы, которые вырабатывали тепло напрямую.

Дешевле построить

Прямой подход к производству тепла значительно дешевле и более устойчив, чем преобразование электричества, вырабатываемого ветром или солнцем, в тепло с помощью электрических нагревательных приборов.

На это есть две причины.

Во-первых, и это самое важное, механические ветряные мельницы менее сложны, что делает их более доступными и менее ресурсоемкими для строительства, а также увеличивает их срок службы. В ветряной мельнице с гидротормозом можно исключить электрогенератор, преобразователи мощности, трансформатор и редуктор, а из-за экономии веса ветряная мельница должна быть менее прочной. Джоулевая машина имеет меньший вес, меньшие размеры и более низкую стоимость, чем электрический генератор. Также важно, что стоимость накопления тепла на 60-70% ниже по сравнению с батареями или использованием резервных тепловых электростанций.

Ветряная мельница с водяным тормозом, построенная в Институте сельскохозяйственных технологий в 1974 году. Фото Рикарда Матцена.

Во-вторых, преобразование энергии ветра или солнца непосредственно в тепло (или механическую энергию) может быть более энергоэффективным, чем при использовании электрической энергии. Это означает, что для подачи определенного количества тепла требуется меньше преобразователей солнечной и ветровой энергии, а значит, меньше места и ресурсов. Короче говоря, теплогенерирующая ветряная мельница устраняет основные недостатки ветровой энергии: ее низкую плотность мощности 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, прямая выработка тепла значительно улучшает экономичность и устойчивость ветряных мельниц меньшего размера. Испытания показали, что небольшие ветряные турбины, которые вырабатывают электричество, очень неэффективны, и не всегда вырабатывают столько энергии, сколько необходимо для их производства. Однако использование аналогичных моделей для выработки тепла снижает воплощенную энергию 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 мельницы, вырабатывающие тепло, были построены в 1980-х годах. Большинство использовали простые деревянные лопасти. Всего было задокументировано не менее дюжины различных моделей, как самодельных, так и коммерческих. Многие были построены из бывших в употреблении автомобильных деталей и других выброшенных материалов.

(в данном случае имеется ввиду гидродинамический тормоз, который применяется для обкатки и определения технических параметров двигателей внутреннего сгорания и турбовинтовых двигателей, при спуске бурильных труб, на локомотивах, и в качестве замедлителя и на тяговых автомобильных стендах. Побочным «продуктом» работы тормоза является выделяемое тепло)

Ветряная мельница Calorius, вырабатывающая до 4 кВт тепла. Изображение предоставлено Nordic Folkecenter в Дании.

Одна из самых маленьких ранних датских теплогенерирующих ветряных мельниц была официально испытана. Calorius тип 37, имевший диаметр ротора 5 метров и высоту 9 метров, вырабатывал 3,5 киловатта тепла при скорости ветра 11 м/с (сильный ветер, 6 баллов по шкале Бофорта). Это сопоставимо с тепловой мощностью самых маленьких электрических котлов для отопления помещений. С 1993 по 2000 год датская фирма Westrup построила в общей сложности 34 ветряные мельницы с водяным тормозом на основе этой конструкции, и к 2012 году их все еще работало 17. В 1982 году братья Сванеборг построили гораздо более крупную ветряную мельницу с водяным тормозом (диаметр ротора 7,5 м, башня 17 м), которая обогревала дом одного из них (другой брат выбрал ветряную турбину и электрическую систему отопления). Ветряная мельница с тремя лопастями из стекловолокна вырабатывала до 8 киловатт тепла по неофициальным измерениям — что сопоставимо с тепловой мощностью электрического котла для скромного дома. В 1980-х годах Кнуд Берту построил самую сложную на сегодняшний день теплогенерирующую ветряную мельницу: LO-FA. В других моделях выработка тепла происходила в нижней части башни — от вершины мельницы шел вал вниз к основанию, где был установлен 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, горячая вода могла буквально вытекать из мельницы.

LO-FA также была самой большой из теплогенерирующих ветряных мельниц с ротором диаметром 12 метров. Ее тепловая мощность оценивалась в 90 киловатт при скорости ветра 14 м/с (7 баллов по шкале Бофорта). Этот результат кажется чрезмерным по сравнению с другими теплогенерирующими ветряными мельницами, но выходная энергия ветряной мельницы увеличивается более чем пропорционально с диаметром ротора и скоростью ветра. Кроме того, фрикционной жидкостью в гидротормозе была не вода, а гидравлическое масло, которое можно нагревать до гораздо более высоких температур. Затем масло передавало свое тепло в хранилище воды в башне.

Возобновившийся интерес

Интерес к ветряным мельницам, вырабатывающим тепло, возобновился несколько раз, хотя пока он касается лишь нескольких научных исследований. В статье 2011 года немецкие и британские ученые пишут, что «небольшие и отдаленные домохозяйства в северных регионах требуют тепловой энергии, а не электричества, и поэтому ветряные турбины в таких местах следует строить для выработки тепловой энергии». Исследователи объясняют и иллюстрируют работу ветряной мельницы с гидротормозом и рассчитывают оптимальную производительность технологии. Было обнаружено, что характеристики крутящего момента и скорости ротора и рабочего колеса должны быть тщательно согласованы для достижения максимальной эффективности. Например, для очень маленькой ветряной мельницы Савониуса, которую ученые использовали в качестве модели (диаметр ротора 0,5 м, башня 2 м), было рассчитано, что диаметр рабочего колеса должен составлять 0,388 м.

Затем исследователи провели моделирование в течение пятидесяти часов, чтобы рассчитать теплопроизводительность ветряной мельницы. Хотя Savonius — это низкоскоростная ветряная мельница, которая плохо подходит для выработки электроэнергии, она оказалась отличным производителем тепла: небольшая ветряная мельница производила до 1 кВт тепловой мощности (при скорости ветра 15 м/с). Исследование 2013 года с использованием прототипа дало схожие результаты и вычислило эффективность системы, которая составила 91%.

Это сопоставимо с эффективностью ветряной турбины, нагревающей воду с помощью электричества.

Очевидно, что это не всегда штормовая погода, а это значит, что средняя скорость ветра по крайней мере так же важна. Исследование 2015 года изучает возможности ветряных мельниц, вырабатывающих тепло, в Литве, балтийской стране с холодным климатом, которая зависит от импорта дорогого топлива. Исследователи подсчитали, что при средней скорости ветра в стране (4 м/с по шкале Бофорта) для выработки одного киловатта тепла требуется ветряная мельница с диаметром ротора 8,2 метра.

Ветряная мельница, вырабатывающая тепло, с водяным тормозом, расположенная в нижней части башни. Мельница была построена Йоргеном Андерсеном в 1975 году и находилась в Серритслеве. Фото Клауса Нюбро

Они сравнивают это с потребностью в тепловой энергии нового энергоэффективного здания площадью 120 м2, отапливаемого в соответствии с современными стандартами комфорта, и приходят к выводу, что ветряная мельница, вырабатывающая тепло, может покрыть от 40 до 75% годовых потребностей в отоплении (в зависимости от класса энергоэффективности конструкции).

Хранение тепла

Средняя скорость ветра также не гарантируется, что означает, что ветряная мельница, вырабатывающая тепло, требует хранения тепла — в противном случае она будет обеспечивать отопление только тогда, когда дует ветер. Один кубический метр нагретой воды (1 тонна, 1000 литров) может удерживать до 90 кВт·ч тепла, что примерно соответствует запасу на один-два дня для домохозяйства из четырех человек.

Таким образом, для обеспечения достаточного хранения, чтобы перекрыть неделю без ветра, требуется до 7 тонн воды, что соответствует объему 7 кубических метров плюс изоляция. Однако потери энергии (саморазряд) также следует учитывать, и это объясняет, почему датские ветряные мельницы, вырабатывающие тепло, обычно имели резервуар для хранения, вмещающий от десяти до двадцати тысяч литров воды.

Теплогенерирующую ветряную мельницу можно также объединить с солнечным котлом, чтобы и солнце, и ветер могли напрямую вырабатывать тепловую энергию, используя меньший резервуар для воды.

Теплогенерирующий ветряк также может быть объединен с солнечным котлом, так что и солнце, и ветер могут поставлять прямую тепловую энергию, используя один и тот же резервуар для хранения тепла. В этом случае становится возможным построить довольно надежную систему отопления с меньшим резервуаром для хранения тепла, поскольку сочетание двух — часто взаимодополняющих — источников энергии увеличивает шансы на прямое теплоснабжение. Особенно в менее солнечном климате теплогенерирующие ветряки являются отличным дополнением к солнечной тепловой системе, поскольку последняя производит относительно меньше тепла зимой, когда потребность в тепле максимальна.

Ретардеры и механические тепловые насосы

Самые обширные исследования на сегодняшний день были проведены в 2016 и 2018 годах и сравнивают различные типы ветряных мельниц, генерирующих тепло, с различными типами косвенной генерации тепла. В этом втором типе ветряных мельниц, генерирующих тепло, тепло вырабатывается с помощью механических тепловых насосов или гидродинамических ретардеров, а не с помощью водяного тормоза. Механический тепловой насос — это просто тепловой насос без электродвигателя — вместо этого ротор ветра напрямую подключен к компрессору(ам) теплового насоса. Это подразумевает на одно преобразование энергии меньше, что делает комбинацию как минимум на 10% более энергоэффективной, чем электрический тепловой насос, приводимый в действие ветряной турбиной.

Гидродинамический ретардер хорошо известен как тормозная система в большегрузных автомобилях. Как и джоулевая машина, он преобразует энергию вращения в тепло без участия электричества. Ретардеры и механические тепловые насосы имеют те же преимущества, что и джоулевые машины, в том смысле, что они намного меньше, легче и дешевле электрических генераторов. Однако в этом случае для достижения оптимальной эффективности требуется редуктор.

Сравнение различных типов производства прямого и косвенного нагрева.

Исследование сравнивает теплогенерирующие ветряные мельницы на основе замедлителей и механических тепловых насосов с косвенным производством тепла с использованием электрических котлов и электрических тепловых насосов. Оно сравнивает эти четыре технологии для трех размеров систем: небольшая ветряная мельница, предназначенная для отопления автономного домохозяйства, большая ветряная мельница, предназначенная для снабжения теплом деревни, и ветряная электростанция, производящая тепло для 20 000 жителей. Четыре концепции отопления ранжируются на основе их годовых капитальных и эксплуатационных расходов, предполагая срок службы 20 лет.

Прямое соединение механической ветряной мельницы с механическим тепловым насосом обходится дешевле, чем использование газового котла или комбинации ветряной турбины и электрического теплового насоса.

Для системы, не подключенной к электросети, самым дешевым вариантом является прямое соединение механической ветряной мельницы с механическим тепловым насосом, в то время как комбинация ветряной турбины и электрического котла стоит в два-три раза дороже. Все остальные технологии находятся посередине. Принимая во внимание как инвестиционные, так и эксплуатационные расходы, небольшие теплогенерирующие ветряные мельницы с механическими тепловыми насосами столь же дороги или дешевле обычных газовых котлов, если предположить типичную производительность небольшой ветряной мельницы (которая производит — за период одного года — от 12% до 22% от своей максимальной выработки энергии).

Ветряная мельница с водяным тормозом, разработанная О. Хельгасоном (слева), водяной тормоз с системой переменной нагрузки (справа). Изображения из "Испытания ветряной мельницы, управляемой водяным тормозом, при очень высокой скорости ветра", О. Хельгасон и А.С. Сигурдсон, Научный институт, Университет Исландии.

С другой стороны, сочетание небольшой ветряной турбины и электрического теплового насоса требует ветряной мельницы с «коэффициентом мощности» не менее 30%, чтобы стать конкурентоспособной по стоимости с газовым отоплением, но такая высокая производительность очень необычна. Более крупные системы демонстрируют те же рейтинги — сочетание механических ветряных мельниц и механических тепловых насосов является самым дешевым вариантом — но они имеют в три раза меньшие капитальные затраты из-за экономии масштаба. Более крупные ветряные мельницы имеют более высокие коэффициенты мощности (16-40%), что приводит к еще большей экономии затрат.

Из-за больших потерь энергии при транспортировке тепла ветряная мельница, вырабатывающая тепло, лучше всего подходит в качестве децентрализованного источника энергии, обеспечивая теплом домохозяйство, не подключенное к электросети, 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 транспортировки справедливо обратное: потери энергии при транспортировке тепла намного больше, чем потери энергии при передаче электроэнергии. Ученые подсчитали, что максимальное расстояние, которое является экономически достижимым при оптимальных ветровых условиях, составляет 50 км. Следовательно, ветряная мельница, вырабатывающая тепло, лучше всего подходит в качестве децентрализованного источника энергии, обеспечивая теплом домохозяйство, не подключенное к электросети, или — в оптимальном случае — относительно небольшой город или город, или промышленную зону. Для еще более крупных систем энергию необходимо транспортировать в виде электричества, и в этом случае прямая генерация тепла — со всеми ее преимуществами — становится непривлекательной.

Ослепленные электричеством

Теплогенерирующие ветряные мельницы также исследуются для производства возобновляемой электроэнергии, в основном потому, что они предлагают лучшее решение для хранения энергии по сравнению с батареями или другими распространенными технологиями. В этих системах генерируемое тепло преобразуется в электричество с помощью паровой турбины. Система хранения похожа на систему концентрированной солнечной электростанции (CSP), а солнечные концентраторы заменены теплогенерирующими ветряными мельницами.

«Вихретоковый нагреватель».

Поскольку для эффективного производства электроэнергии с помощью паровой турбины требуются высокие температуры, эти системы не могут использовать джоулевые машины или гидродинамические замедлители, а вместо этого полагаются на тип замедлителя, называемый «вихревой токовый нагреватель» (или «индукционный нагреватель»). Они состоят из магнита, установленного на вращающемся валу, и могут достигать температуры до 600 градусов по Цельсию. Используя вихревые токовые нагреватели, ветряные мельницы могут обеспечивать прямое тепло при более высоких температурах, что делает их потенциальное использование в промышленности еще больше. Однако использование накопленного тепла для производства электроэнергии значительно более затратно и менее устойчиво по сравнению с использованием теплогенерирующих ветряных мельниц для прямого производства тепла. Преобразование накопленного тепла в электричество имеет эффективность не более 30%, что означает, что две трети энергии ветра теряется из-за ненужных преобразований энергии — и то же самое верно, когда для производства электроэнергии используется солнечная тепловая энергия. Таким образом, прямое производство тепла дает возможность сократить выбросы парниковых газов и ископаемого топлива в три раза, используя то же количество ветряных мельниц, которые также дешевле и более устойчивы в строительстве. Будем надеяться, что прямому производству тепла будет отдан приоритет, которого оно заслуживает. Несмотря на потепление климата, спрос на тепловую энергию высок как никогда.

P.S. - Конечно не стоит забывать что сами ветряки иногда обмерзают… и тепло накопленное внутри вполне может пойти в отдельных случаях на освобождение от льда самого ветряка.

Что в конечном итоге тоже повышает его шансы на дополнительную выработку энергии.

Источник