Сибирские ученые нашли способ, как решить проблему обеспечения теплой водой жителей дач и сел при помощи возобновляемых источников энергии

Сибирские ученые создают ветрогенератор, который может работать при низкой скорости ветра и нагревать воду практически без потерь благодаря преобразованию механической энергии воздушного потока непосредственно в тепловую энергию, рассказывает Александра Федосеева в своем материале на портале «Наука в Сибири». Статья, посвященная первой части работы, опубликована в журнале Applied Energy.

«В пятидесятые годы прошлого века в Рабочем поселке Караганды, где прошло мое детство, почти в каждом доме стоял ветряк. Он приводил в движение насос, качающий воду из скважины», — вспоминает главный научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН доктор технических наук Виктор Иванович Терехов. Такие установки использовали из-за дефицита электроэнергии. Теперь ветряные генераторы актуальны главным образом по другой причине: беречь ресурсы планеты, используя возобновляемые источники энергии, в XXI веке уже не прихоть, а необходимость.

Первыми ветрогенераторами, известными еще до нашей эры, были ветряные мельницы. Их лопасти, крутящиеся на ветру, через передаточный механизм передвигали жернова, которые мололи зерно. Современные конструкции гораздо сложнее своих предков, чаще всего они генерируют электричество и используются для разнообразных задач: от подзарядки мобильного телефона до сооружения электростанций.

В лабораториях проблем энергосбережения и термогазодинамики ИТ СО РАН работают над ветрогенератором, который нагревает жидкость, используя тепловую энергию. Обычно, чтобы получить теплую воду, используя ветряную установку, сначала нужно выработать электричество. Устройство, спроектированное сибирскими учеными, может превращать механическую энергию вращающегося ветряка в тепловую, минуя дополнительные этапы преобразования энергии.

«Эффективность ветрогенератора, который производит электричество, не превышает 40 %. Здесь же, по закону сохранения механической энергии, все энергия вращения ротора переходит в тепло, за исключением механических потерь, которые минимальны, то есть КПД составляет практически 100 %», — говорит Виктор Терехов. Сотрудники ИТ СО РАН получили патент на эту разработку.

«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 с взаимно движущимися стенками. Поток жидкости в них становится неоднородным, возникают вихри, которые повышают эффективность получения тепловой энергии», — рассказывает старший научный сотрудник ИТ СО РАН доктор технических наук Александр Дмитриевич Назаров.

Разогретая во вращающихся цилиндрах жидкость поступает в теплообменник, где передает тепловую энергию воде. В результате на выходе получается подогретая вода, которую можно использовать, например, для хозяйственных нужд и отопления помещений. При скорости ветра 4 м/с (наиболее вероятной для Новосибирской области) установка способна нагреть воду до 60 С° примерно за час.

«Такие устройства пригодятся в частном доме или на даче. Особенно эффективны они будут в местах, куда трудно подвести электричество — вдоль автотрасс, на отдаленных фермах и стойбищах», — отмечает Александр Назаров.

Согласно данным организации Wind Europe в 2018 году в Европе с помощью ветрогенераторов было произведено 14 % всего электричества; больше всего — в Дании (41 %), Ирландии (28 %) и Португалии (24 %).

В России на 1 января 2019 года суммарная мощность электростанций, работающих на энергии ветра, составила 0,08 % от всех элетростанций (Информационный обзор «Единая энергетическая система России: промежуточные итоги»).

«Важно, что устройство может работать при любой скорости ветра, ведь в России в принципе ветры не сильные, в среднем не выше 5 м/с. Мы сделали достаточно гладкие стенки каналов, что уменьшает момент начала вращения цилиндров. Это позволяет системе работать при слабом потоке воздуха, легко запускаться после остановки генератора из-за безветрия или монтажа», — рассказывает Александр Назаров.

Эксперименты с установкой продолжались около трех лет. Ученые получили широкий диапазон параметров, при которых система будет энергетически эффективной: состав и вязкость жидкости, температура, размеры цилиндров, скорость вращения. Используя эти цифры, легко посчитать характеристики оборудования для конкретных целей, например, чтобы снабдить теплой водой небольшой домик или придорожный отель. Можно точно спрогнозировать, сколько энергии получиться при той или иной скорости ветра.

Увидит ли изобретение свет, пока не известно.

Задача, которую решили ученые, — важная, но все-таки только часть большой работы. Как уже говорилось, в экспериментах использовался электрический имитатор ветряка. Чтобы создать прототип установки, нужно разработать подходящий генератор — то есть сами лопасти, вращающиеся под воздействием воздушного потока. Классические, с горизонтальной осью вращения не подойдут, так как начинают работать при скорости ветра от 3—5 м/с. Для того чтобы ветряк мог двигаться и при более низких скоростях, это должен быть роторный генератор с вертикальной осью вращения (если привычные ветряки внешне напоминают пропеллер, то такой скорее похож на колесо).

«У нас есть предварительная договоренность насчет создания ветрогенератора с факультетом летательных аппаратов Новосибирского государственного технического университета — его сотрудники занимаются ветряными движителями. Будем надеяться, что разработкой заинтересуются инвесторы», — говорит Александр Назаров.

Работа поддержана грантом РНФ18-19-00161.

Источник: https://www.agroxxi.ru/selhoztehnika/novosti/dlja-dachnikov-i-selchan-razrabatyvayut-vetrjak-dlja-teploi-vody.html