Теплоснабжение с применением ветроэнергетических установок
А. В. Бежан, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН, г. Апатиты
В области использования энергии ветра в России наработан огромный опыт в создании и эксплуатации ветроэнергетических установок (ВЭУ), являющихся экологически чистым возобновляемым источником энергии. В статье рассматривается возможность организации теплоснабжения с участием ветроэнергетических агрегатов разной мощности, и дается оценка получаемого при этом энергосберегающего эффекта.
Применение ВЭУ для теплоснабжения потребителей подразумевает подключение этих агрегатов в существующую систему теплоснабжения небольших городов и поселков, расположенных в ветреных районах страны и испытывающих трудности в обеспечении работающих котельных топливом по разным причинам: трудности транспортировки, постоянный рост цен на традиционные энергоносители и т. п.
На рис. 1 приведена принципиальная схема возможного присоединения ВЭУ к действующей системе децентрализованного теплоснабжения, т. е. когда источник и потребитель тепла находятся рядом. Данные для оценки получаемого энергосберегающего эффекта при подключении ВЭУ в систему обеспечения теплом потребителя были взяты из результатов непрерывных наблюдений за скоростью ветра и температурой наружного воздуха, полученных на ветроэнергетическом полигоне ИФТПЭС КНЦ РАН, расположенном на побережье Баренцева моря в пос. Дальние Зеленцы 1 .
Система теплоснабжения потребителя от ВЭУ и котельной
Не останавливаясь на особенностях конструктивного исполнения, перейдем к оценке энергосбережения системы теплоснабжения с участием ВЭУ.
При рассмотрении данного вопроса производился теоретический расчет, где для теплоснабжения здания общим объемом 1 000 м 3 применялась ВЭУ в составе резервной котельной установки мощностью 40 кВт.
Прежде всего был произведен расчет теплового потребления здания, для последующего построения графика отопительной нагрузки, который зависит главным образом от изменения температуры наружного воздуха и скорости ветра.
Расчет теплового потребления проводился на основании методики, представленной в [1], исходя из условия, что для поддержания температуры воздуха в помещении постоянной необходимо обеспечить равенство теплопотерь и теплопритоков. Для этого рассчитывался часовой расход тепла на отопление отдельного жилого здания из теплового баланса здания (Гкал):
где 1,1 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери тепла в местной системе отопления;
Qн.о – потери тепла через наружные ограждения здания;
Qв – тепло, затрачиваемое на вентиляцию (на подогрев вентиляционного воздуха);
Qвн – тепловые выделения внутри здания.
Выполнив все необходимые расчеты согласно [1], был построен график отопительной нагрузки (рис. 2, кривая красного цвета).
Фрагменты хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки при Vср = 10,3 м/с. Ветрополигон КНЦ РАН в пос. Дальние Зеленцы
Для определения эффективности использования ВЭУ в анализируемой системе теплоснабжения рассмотрим, какой может быть доля участия ВЭУ в отопительном процессе. При оценке были рассмотрены три варианта с различными мощностями используемых ВЭУ – 20, 40 и 60 кВт. Мощность котельной установки в каждом случае оставалась постоянной и равнялась 40 кВт. Если к системе теплоснабжения подключена ВЭУ, то часть графика отопительной нагрузки будет покрываться за счет ВЭУ. Используя данные эксперимента, проводимого в феврале 2007 года, когда среднее значение скорости ветра равняется 10 м/с, были построены графики отопительной нагрузки с участием ВЭУ (рис. 2). На основании графиков можно сделать вывод, что в периоды с большой скоростью ветра ВЭУ может в значительной мере или полностью обеспечить потребности в тепле (рис. 2, область желтого цвета), а иногда даже создать избыток энергии (рис. 2, заштрихованная область).
Мощность, которую может развить ВЭУ, определяется из [2] выражением:
N сут вэу = 4,81•10 -4 D 2 σ 3 ξ ηр ηг, (2)
где D – диаметр ветроколеса, м;
σ – среднесуточная скорость ветра, м/с;
ξ – значение коэффициента использования энергии ветра;
ηр – КПД редуктора;
ηг – КПД генератора.
В случае эксплуатации ВЭУ мощностью 20 кВт (рис. 2а) потребитель обеспечивается тепловой энергией от ВЭУ на 52 %. Совсем по-другому обстоит дело при эксплуатации ВЭУ с мощностями 40 и 60 кВт (рис. 2б, 2в). За счет увеличения мощности ветроэнергетических установок можно обеспечить потребителя тепловой энергией на 85–90 %. Это позволяет минимально использовать тепловую энергию, вырабатываемую котельной установкой, благодаря чему можно значительно экономить традиционное топливо и соответственно уменьшить объем вредных выбросов в атмосферу, образуемых при его сжигании.
По имеющимся данным максимальная экономия топлива получена при применении ВЭУ мощностью 60 кВт и составила за один месяц (февраль – 28 дней): для природного газа – 2 257,037 кг у. т; для угля – 2 257,188 кг у. т; для мазута – 2 256,953 кг у. т, для древесины – 2 256,564 кг у. т. Зависимость экономии природного газа от использования ВЭУ разных мощностей в системе теплоснабжения за указанный период представлена на рис. 3. Для других видов топлива (угля, мазута и древесины) зависимости имеют аналогичный характер.
Экономия природного газа за счет применения ВЭУ в системе теплоснабжения
Итак, можно сделать следующие выводы:
1. Применение ВЭУ позволяет рассматривать ветер не только как климатический фактор, повышающий теплопотери зданий, но и как полноценный источник энергии, обеспечивающий максимальную выработку энергии, покрывающую нужды отопления, именно в периоды своей наивысшей активности.
2. При использовании энергии ветра в целях отопления зданий не требуется поддержания высокого качества энергии, вырабатываемой ВЭУ, что позволяет максимально упростить конструкцию самой ВЭУ, а значит сделать установку более дешевой и надежной в эксплуатации. Необходимо, чтобы выдаваемое ВЭУ количество энергии было достаточным для обеспечения тепловой нагрузки.
3. Применение ВЭУ в зонах децентрализованного теплоснабжения способно сократить до 80–90 % использование дефицитного органического топлива, сжигаемого местными котельными, и этим улучшить экологическую обстановку местности.
4. При использовании ВЭУ для нужд теплоснабжения появляется возможность успешно бороться с основным недостатком ветровой энергии – непостоянством во времени. Кратковременные (секундные и минутные) изменения мощности ВЭУ могут сглаживаться за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Более продолжительные колебания (от нескольких минут до нескольких часов) могут выравниваться за счет аккумулирующей способности самих отапливаемых зданий. Во время более длительных перерывов (затиший) в работу можно включать специальные аккумулирующие устройства или источники тепла на органическом топливе, выполняющие роль вспомогательного резервного оборудования.
Литература
1. Теплоснабжение: Учебник для вузов / А. А. Ионин, Б. М. Хлыбов, В. Н. Братенков, Е. Н. Терлецкая. – М.: Стройиздат, 1982.
2. Оценка ресурсов и эффективности использования энергии ветра, малых рек и других возобновляемых источников энергии в районах европейского Севера / Перспективы энергоснабжения изолированных потребителей севера с использованием энергии ветра: Отчет о НИР / ИФТПЭС КНЦ РАН; Руководитель В. А. Минин. – Апатиты, 1993.
1 Район пос. Дальние Зеленцы – одно из самых ветреных мест Мурманской области. Здесь в среднем отмечается 115–125 дней в году, когда скорость ветра достигает более 15 м/с.
Неизвестные идеи. Тепловые ветрогенераторы
Мир стремительно движется в направлении расширения использования источников возобновляемой энергии. Одним из перспективных направлений является использование энергии ветра. Электрические ветрогенераторы стали привычным атрибутом пейзажей некоторых зарубежных стран. Однако следует обратить внимание на то, что все они производят электрическую энергию, основная часть которой используется в зимний период для работы электронагревательных приборов. Насколько это правильно?
Для большинства читателей будет открытием, что уже много лет в ряде стран проектируются ветроустановки с тормозной системой для получения тепла. Тепло генерируется за счет силы трения. Нагретая таким способом вода используется для отопления жилых помещений. В Интернете практически нет информации по этим работам. Хотя подобная идея высказывается на форумах. Нашелся только один зарубежный сайт, где автор детально раскрывает содержание данной темы.
По подсчетам спрос на тепловую энергию составляет третью часть от поставляемой энергии. В странах с холодным климатом на получение тепла расходуется уже до 60-80% от общей потребности всей энергии.
Энергия ветра может быть использована напрямую без предварительного преобразования ее в электрическую. Это наиболее эффективный путь, т.к. на производство только тепла затраты резко снижаются. К сожалению, работы в этом направлении ведутся недостаточно активно.
Хотя человек использует ветряные мельницы не менее двух тысячелетий, никому не приходило в голову применять их для получения тепловой энергии. Только в 70-е годы XX столетия, когда разразился нефтяной кризис, в Дании началось строительство первых ветроустановок для получения тепла. В сочетании с новыми технологиями они оказались более энергоффективными, по сравнению с электрическими ветроустановками.
Водяной тепловой ветрогенератор
В тепловом ветрогенераторе механическая энергия преобразуется в тепловую по принципу, который применил в своей установке английский физик Дж. Джоуль для измерения механического эквивалента тепла.
Теплогенератор представляет собой изолированный резервуар с водой, в котором имеется крыльчатка, приводимая во вращение ветроустановкой. Вода нагревается из-за трения, возникающего между молекулами воды. Нагретая таким образом вода насосом подается для отопления в дома.
Справка. Свою установку Джоуль построил в 1840 году как измерительный прибор. Он установил, что 1 калория равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 куб. см воды на 1 градус Цельсия.
Преимущества механических тепловых ветроустановок
В отличие от электрических ветрогенераторов, в механических ветроустановках отсутствуют электрогенератор, трансформатор, коробка передач. Они имеет меньшую массу, отличаются простотой конструкции, менее сложны в изготовлении и монтаже. Имеют боле длительный срок службы.
Прямое преобразование энергии ветра в тепло более эффективно и менее затратно.
Сколько производит тепла механическая ветроустановка
Одна из первых датских ветроустановок Calorius 37 имела диаметр ротора 5 м, высоту 9 м и вырабатывала до 3,5 кВт тепловой мощности при скорости ветра 11 м/с.
В 80-е годы была построена самая совершенная ветроустановка с водяным тормозом высотой 20 м. Нижние 10 м занимал резервуар с 15 тоннами воды. Тепловая мощность установки составляла 90 кВт при скорости ветра 14 м/с. Резервуар теплогенератора заполнялся маслом, т.к. его можно было нагреть до более высокой температуры, чем воду. В теплообменнике масло отдавало теплоту воде.
В исследованиях, проводимых в Литве в 2015 году, было установлено, что при скорости ветра 4 м/с и диаметре ротора 8,2 м тепловая мощность ветрогенератора составляет 1 кВт.
Хранение тепла
Основная проблема, связанная с генерацией тепла, это непостоянство скорости ветра. Для решения этой проблемы тепловые ветроустановки оснащают тепловым аккумулятором. Так, например, датские теплогенерирующие установки имели аккумулирующие емкости объемом до 20 куб. м., что давало возможность обогревать дом в течение недели.
Электричество остается в приоритете
Еще один принцип генерации тепла связан с использованием индукционных токов.
Ветроустановка приводит во вращение магнит. Изменяющееся во времени магнитное поле возбуждает в статоре вихревые токи, что приводит к его нагреву. Внутри статора циркулирует вода, которая уносит тепло из статора в тепловой аккумулятор. На мой взгляд, это наиболее перспективная идея. Такая установка с вертикально осевым валом и с неодимовыми магнитами должна генерировать тепло даже при слабом ветре. Но эта идея требует экспериментальной проверки.
Следует надеяться, что тепловые ветрогенераторы получат приоритет в использовании возобновляемых источников энергии.
Ветряк для отопления и его принцип действия
Обновлено: 8 января 2021
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:
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.
