Ветрогенератор для отопления теплиц

Ветрогенераторы для теплиц

Обеспечить энергией солнца потребности стандартной теплицы круглогодично нереально. А вот ветер…

Часто неделями идет снег, затяжной дождь, дует холодный ветер, а небо полностью затянуто тучами. Можно накопить солнечное тепло на всю зиму, если закачивать нагретую в солнечных коллекторах воду в емкие скважины, но это не вариант для мелкого и среднего бизнеса. В этих случаях лучше обратиться к энергии ветра, тем более что в ненастные дни ветер почти всегда дует.

Ветряки используются в странах Западной Европы и Средиземноморья. Если взглянуть на карту ветровых нагрузок, то понятно, что более или менее стабильно ветра дуют в этом направлении. Поэтому размещение ветроэлектростанций в этих странах экономически выгодно. Но в этих странах в основном комбинируют технологии, используя и энергию солнца.

Причины появления ветрогенераторов для теплиц

Вопрос сохранения экологии становится все более актуальным с каждым годом, как и увеличивающиеся расходы российских владельцев теплиц на оплату коммунальных платежей. Важно использовать альтернативные источники энергии, к которым относится ветряная электроэнергия. Самый простой способ сэкономить – использовать ветер для нагрева воды и отопления парников.

В течение срока службы ветряные турбины (около 20 лет) производят в 80 раз больше энергии, чем необходимо для их производства, и они нуждаются лишь в периодической смазке. Поэтому такие установки способствуют сокращению выбросов углекислого газа. Оборудование выгодно ставить в местах, где нет электросети, а подвести ее к теплице либо дорого, либо просто невозможно. Ветрогенераторы удобны в районах с частыми отключениями электроэнергии.

Краткое описание технологии

Ветрогенератор для теплицы – это оборудование, которое преобразовывает кинетическую энергию ветра в электрическую. Отличительной особенностью таких устройств является бесперебойная работа без применения какого-либо топлива. Даже при слабых порывах ветра установка вырабатывает ток мощностью до 2 кВт. Этого хватает для обогрева и освещения теплицы, питания уличного фонаря и подачи э/э в дом.

Ветряки подразделяются на:

1. ветровые турбины HAWT с горизонтальной осью;
2. ветряные турбины VAWT с вертикальной осью.

Турбины HAWT имеют значительно более высокий КПД, чем турбины VAWT, поэтому большая часть исследований и разработок сосредоточена на этих типах. Тенденция заключается в создании все более крупных ветряных турбин. Это связано с тем, что урожайность резко возрастает с увеличением длины лопастей ротора и высоты вала (из-за более высоких скоростей ветра на большой высоте). Таким образом, ветряные турбины высокой мощности с большими лопастями оптимальны для получения более высокой производительности.

Рассмотрим пользу ветряка в цифрах

Подсчитаем ниже мощность, необходимую для обогрева оцинкованной теплицы из сотового поликарбоната площадью в 20м2 с толщиной покрытия в 8мм. Допустим, зимой минимальная температура воздуха будет стоять на отметке -15°С, а в парнике необходимо поддерживать температуру на уровне +20°С.

В этом случае необходимая мощность для отопления выходит 8кВт. Среднемесячные траты на энергию составят − 3500 кВт/ч (используем методику расчета отопления теплицы на сайте elec.ru https://www.elec.ru/calculators/greenhouse-heating/). Приблизительная энергия для освещения такой теплицы − 1кВт. Тогда общая мощность для поддержки работы теплицы составит 9кВт.

Какое понадобится оборудование для ветрогенератора

Ветряки, как и солнечные батареи, работают только на подзарядку аккумуляторов.

Обязательными элементами ветрогенератора для теплиц являются:

• контроллеры заряда;
• инвертор, который стабилизирует напряжение и преобразует постоянный ток из аккумуляторов в переменный 220/380V AC, 50Hz, пригодный для подключения быттехники.

В средней полосе РФ, где скорость ветра не выше 2,5–3,0 м/с, установка ветряков нецелесообразна. Есть смысл поставить у себя на участке ветряк, если среднегодовые показатели ветра в вашем районе превышают отметку в 3,5 м/с.

Чтобы получить данные о порывах ветра в вашей местности, нужно проводить исследования. Для этого придется поставить мачту нужной высоты (соответствующей длине ветряка) с анемометром и дата-логгером. Информацию нужно собирать минимум год для получения репрезентативных результатов. Более дешевый вариант (но тут страдает точность) – использовать данные спутника с сайта 3tier.com, раздел Wind Prospecting Tools. Нужно пройти регистрацию на сайте, затем указать координаты GPS места установки ветряной станции.

Оптимальными ветряными регионами в РФ считаются степные районы (к примеру, Калмыкия) и побережье крупных водоемов. Но чтобы достоверно изучить средние данные скорости ветра в вашем регионе, лучше брать метеостатистику за последние 50 лет.

Примеры тепличных хозяйств, где используют ветряки

RainFresh Harvests

Фермерское хозяйство RainFresh Harvests – семейная компания, которая находится в сельской местности в нескольких милях от Плейн-Сити, штат Огайо. Владелец − Барри Адлер.

На ферме круглогодично выращивают

• рукколу, базилик и мяту;
• помидоры, перец и огурцы;
• красную малину и ежевику;
• груши и яблоки.

Sint Gillis Waas

Большая теплица с ветряками Sint Gillis Waas для выращивания помидоров черри в Бельгии. Этот бизнес принадлежит Гирту Де Брекуку. Хозяйство включает в себя теплицы площадью более 27000 квадратных метров (шесть акров). И это считается самым крупным бизнесом для региона Синт-Гиллис-Ваас.

Завод производит около 1650 метрических тонн (3,64 миллиона фунтов) томатов ежегодно с помощью инновационной системы комбинированного производства тепла и э/э (ТЭЦ), разработанной и произведенной Cummins Power Generation. В системе используются как альтернативные источники энергии, так и природный газ.

Артем Якунин, поселок Саргатское

А это уже примеры из России. Омский конструктор Артем Якунин (поселок Саргатское) своими руками построил во дворе ветросолнечную электростанцию высотой в 9 м. Она ему понадобилась для обогрева и поддержания благоприятного микроклимата в теплице, где он выращивает ранние овощи и зелень. В прошлом техник включал в холодные месяцы электротэны и тепловую пушку, которые беспрерывно работали с февраля по апрель, а иногда и весь май.

Ветряк Якунин сделал из старых запчастей и запитал оборудование к 3-х метровой мачте с винтом. Даже при слабых порывах ветра установка способна вырабатывать около 2 кВт. В результате семья не платит за уличное освещение, обогрев парника, за потребление электроэнергии в мастерской и жилой комнате, которую переоборудовали в оранжерею. Если раньше омский «кулибин» тратил 2,5 тыс. руб. в месяц, то сейчас – не более 400 рублей.

По оценкам специалистов, в Европе в ближайшие 10 лет количество выработанной энергии ветра вырастет на 140 ГВт. Владельцы теплиц заявляют о сплошных преимуществах использования ветроэлектростанций – низкие траты на использование установок и причисление ветряной энергетики к экологически чистым методам производства.

Источник статьи: http://teplicy-info.ru/electrovetro-dlya-teplic/

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 статьи: http://zen.yandex.ru/media/energovector/obogretsia-vetrom-5d469efdf73d9d00ada038aa