Veden lämmitys tuulivoimalla ilman generaattoria

[LauriH]

Olen tätä foorumia lueskellessani törmännyt muutaman kerran kommentteihin, joissa on ehdotettu käyttö-/ lämmitysveden suoraa mekaanista lämmitystä tuulivoimalla ilman sen muuttamista välillä sähköksi. Aloin sitten etsiä lisätietoja ensin suomeksi, löytämättä mitään. Englanniksi löytyi tämä varsin mielenkiintoinen artikkeli:  https://solar.lowtechmagazine.com/2019/02/heat-your-house-with-a-water-brake-windmill.html

Olisihan se näillä leveysasteilla aivan pirun hyvä ajatus saada vähintäänkin käyttövesi lämmitettyä ympäri vuoden tuollaista hyvin eristettyyn säiliöön sijoitettua vesijarrua käyttämällä. Vaadittava tekniikkakin kun on todella yksinkertaista. Joten ihmettelen vain, miksei niin tehdä? Tälläkin foorumilla on yhdeksän sivua aiheita, jotka lähes kaikki liittyvät sähköntuotantoon tuulen avulla. Aika erikoista sikäli, kun lämmöntuotto soveltuisi erinomaisesti nimenomaan pieneen DIY-mittakaavaan kun siirtohäviöistä ei olisi juurikaan vaivaa.

Eikö tässä olisi jopa bisnessaumaa jollekin osaavalle henkilölle, jos vaan markkinointi onnistuisi?

Toinen artikkelissa mainittu sovelluskohde oli tuulivoiman käyttö mekaaniseen vesipumppuun, jota voitaisiin käyttää sähköisen pumpun sijasta kierrättämään lämmitysvettä (jos nyt oikein tulkitsin artikkelia). Erittäin hyvä synergiaetu tuulivoiman hyödyntämisessä siis.

 

[Pähkäilijä]

tuntus helpommalle sähkönä kaapelia pitkin tuoda energia myllystä varaajaan koska

- mastolta vaaditaan enemmän ja pitkän akselin pyörittäminenkin haukkaa osan enenrgiasta
- talvi, kaikki pitää olla eristetty ja rakennettu routarajan alle

 

[LauriH]

Miksi mastolta vaadittaisiin sen enempää tässä kuin generaattoria käytettäessä? En usko, että pitkän akselin pyörittäminen haukkaa lähellekään niin suurta  osaa kuin energiamuunnoksista syntyvä hukka generaattoria käytettäessä. Näkemystä tarpeesta rakentaa  routarajan alle  en kyllä jaa. Toki se vähentäisi eristystarvetta, mutta eiköhän ole helpompaa rakentaa se vesitankki  vain paremmin eristettynä maan päälle?

 

[virtuaaliharri]

Aloitusviestiin linkatussa artikkelissa esitellään myös tuuliroottorin kytkemistä mekaanisesti lämpöpumppuun ja keskusteosiossa kytkentää ilmakompressoriin, jolla saisi niin viileyttä kuin lämpöä (huonommalla hyötysuhteella tosin). Periaatteessa lämpövaraajan voisi integroida mastoon korkeaksi ja kapeaksi, jolloin lämmön saisi kerrostumaan hyvin kunhan lämpö tuotetaan erillään varaajasta niin, ettei lämmön kerrostuminen sotkeudu. Kylkeen voisi integroida aurinkokeräimet, jolloin energian kokonaissaanto paranee huomattavasti.

 

[kotte]

Tuuliroottorin käyttämä vesijarru on aika heikkotuottoinen tapa käyttää tuulivoimaa. Mekaanisissa järjestelmissä on aina omat häviönsä ja samoin lämmönsiirtojohdoissa. Maston huippuun sijoitettu sähkögeneraattori saadaan melko vähähäviöiseksi ja sen jälkeen energia siirtyykin melkein häviöttä sähköjohtoja pitkin sähkövastukselle, joka voidaan asentaa hyvin eristetyn varaajan keskelle.

Tämäkään ei silti ole kovin tehokas tapa käyttää tuulivoimaa lämmitykseen, vaan sähkö kannattaisi käyttää lämpöpumpun voimalähteenä, jolloin hyödyksi saatava lämpömäärä voitaisiin moninkertaistaa imemällä lisää lämpöä hyödyksi maasta, vedestä, ilmasta tai jostakin häviölämmönlähteestä. Lämpöpumpun kompressorin ajaminen suoraan tuuliturbiinista on hankalaa ja edellyttää autoilmastointikompressorin kaltaista vikaantumisherkkää rakennetta.

Jos taas haluaa varastoida tuulienergiaa lämmitystä varten, tämä ehkä kannattaisi tehdä kuumemtamalla massavaraajan kaltaista laitetta useiden satojen asteiden lämpötilaan sähkövastuksella. Tuollaista korkeaa lämpötilaa voisi sitten purkaa absorptiolämpöpumpun kaltaisen laitteen kautta, jolloin olisi mahdollista imeä jopa lähes toinen puoli lisää lämpöä esimerkiksi maasta.

 

[Puuha]

Tuo lämmön tuottaminen mekanisesti luo myös sellaisen tilanteen ettei se ole säädettävissä tuoton kanssa kovin helpolla. Sähköä on helpompi säädellä kuormalle sopevasti suhteessa tuulennopeuteen.

Helpoimmalla pääsee mekaanisesti lämpöä tekemään vaikka vesipumpulla hullunkierrolla.

 

[denzil dexter]

Kaikki luetellut ongelmat on helppo ratkaista.

- Jäätyminen: mekaaninen työ voidaan ottaa talteen esimerkiksi hydraulipumpulla maston huipussa niin, että lämmönsiirtonesteenä käytetään jotain muuta kuin pelkkää vettä. 100kW pumpun massa on nolla verrattuna saman tuoton generaattoriin. Vaihtoehtoisesti teho voidaan tuoda kulmavaihteen ja akseli avulla alas siten, että lämmöntuotto tapahtuu vasta alhaalla lämpimässä tilassa.

- Hyötysuhde. Hydraulipumpulla pääsee n 80% tasolle, mekaanisella kulmavaihteella 94-98% tasolle. Tuo osa roottorin liike-energiasta voidaan siis muuttaa hyödynnettäväksi lämmöksi, mikäli lämmöntuoton pitää tapahtua alhaalla lämpimässä tilassa.

- Jos lämmöntuotto voi tapahtua ylhäällä, silloin liike-energiasta hyvin tarkkaan 100% saadaan lämmöksi. Häviöitä syntyy vain lämmön siirrosta alas pataan, lattialämmitysputkistoon tms.

- Käytännössä mikä tahansa roottoria hidastava laite muuttaa 100% energiasta lämmöksi (jos ei tehdä sähköä). Kyse on vain siitä, tuotetaanko lämpö oikeassa vai väärässä paikassa.

- Tehonsäätö: hydraulijärjestelmässä vaimennuksen lämmöksi muuttama energia on verrannollinen nopeuden neliöön, eli se on luonnostaan itsesäätävä. Lisäksi jos lämpö tuotetaan esim kuristimella, sitä säätämällä voidaan ropelin pyörimisnopeutta säätää käytännössä mielivaltaisesti alhaalta käsin (ja voidaan tarvittaessa myös pysäyttää voimala sulkemalla kuristin).

- Mekaanisen järjestelmän säätäminen on myös helppoa. Voi käyttää esimeriksi höyrykoneista ja auton virranjakajista tuttua keskipakosäätöä, tai säätää jarruvoimaa lämpötilan mukaan (säätö jarrun lämpötilasta). Voimaa voi säätää myös vesipadan lämpötilan mukaan automaattisesti ja mekaanisesti niin, että jarru lyö voimalan kiinni esimerkiksi, kun padan lämpötila ylittää 90 astetta (kaksoismetallijousi-säätö).

Ja mikä parasta: mekaaninen järjestelmä pitää padan kuumana silloinkin, kun se pahamaineinen EMP on tuhonnut sähkölaitteet. Kun sähkölaitteiden hinnat tulevaisuudessa nousevat metallien hinnannousun myötä, mekaaninen systeemi voi olla hyvinkin kannattava.

 

[Savonius]

Sijoittamalla vesisäiliön riittävän alas kulutuspisteeseen nähden, vaikka maakuoppaan on mahdollista hoitaa lämmönsiirto ns. vapaakierrolla.
Tämä alkaa kiehtomaan. Pitäisikö kaivaa vanha savonius myllyni tuolta ruohojen alta.

 

[Puuha]

- Tehonsäätö: hydraulijärjestelmässä vaimennuksen lämmöksi muuttama energia on verrannollinen nopeuden neliöön, eli se on luonnostaan itsesäätävä. Lisäksi jos lämpö tuotetaan esim kuristimella, sitä säätämällä voidaan ropelin pyörimisnopeutta säätää käytännössä mielivaltaisesti alhaalta käsin (ja voidaan tarvittaessa myös pysäyttää voimala sulkemalla kuristin).


- Mekaanisen järjestelmän säätäminen on myös helppoa. Voi käyttää esimeriksi höyrykoneista ja auton virranjakajista tuttua keskipakosäätöä, tai säätää jarruvoimaa lämpötilan mukaan (säätö jarrun lämpötilasta). Voimaa voi säätää myös vesipadan lämpötilan mukaan automaattisesti ja mekaanisesti niin, että jarru lyö voimalan kiinni esimerkiksi, kun padan lämpötila ylittää 90 astetta (kaksoismetallijousi-säätö).

Olen kyllä erimielipuolta nyt. Kuvernööriä siihen ei kyllä voi käyttää, kun kuvernööri pitää kierrokset vakiona. Tuulivoimalan roottorin pyörimisnopeus ei taas ole vakio eri tuulennopeuksilla suhteutettuna korkeimpaan mahdolliseen hyötysuhteeseen.

Toki itse tehonsäätö on yksikertainen kun siihen tarvitaan vain muuttuva kuristin, mutta kuinka kuristimen säätö tehdään suhteessa tuulen nopeuteen ei enää olekkaan kovin simppeliä.

 

[denzil dexter]

Ei se pidä pyörimisnopeutta vakiona. Se tuottaa pyörimisnopeus^2-verrannollisen keskeiskiihtyvyyden, jonka voimalla sitten voidaan säätää haluttua virtausta - esimerkiksi kaasarin neulaa. Neulan ja vastinpinnan muodoilla voidaan vaikuttaa mielivaltaisesti siihen, miten virtausmäärä muuttuu pyörimisnopeuden muuttuessa. Tuota kautta saadaan myös mielivaltainen vastuskäyrä / pyörimisnopeus eri tuulennopeuksille.
Governor joka vain tietyillä kierroksilla lyö venttiilin kiinni tai auki, on yksinkertaistettu tapaus ja olisi pelkkä kierrostenrajoitin.

 

[kotte]

Jos väkisin haluaa muuttaa tuuliturbiinin energian lämmöksi, niin kaikkien noiden säätö- ja kulumisongelmien takia tekisin sen silti "sähköjarrulla" ts. tavallisella kestomagneettigeneraattorilla, jonka lävitse kulkevaa virtaa pätkitään pwm-kytkimellä lämmittäen eristettyyn säiliöön asennettua sähkövastusta (mahdollisella EMP-tuhouhallakin). Generaattoreissakin murhetta tulee lähinnä mekaanisista osista (laakerit ja myös liukurenkaat HAWT-rakenteella).

Generaattoria olisi jopa mahdollista ohjata dynaamisesti (puuskaisessa tuulessa) vain ohjaimen älykkyyttä lisäämällä (antamalla turbiinin kierroslukutavoitteen liukua ohjatusti, kun roottori välillä kiihtyy tai hidastuu tuulen nopeuden muuttuessa). Sähköisellä laitteella pystyy samaan samalla potkurilla ainakin hiukan enemmän tehoa irti tuulesta kuin mekaanisella jarrulla.

 

[denzil dexter]

Mikäs siinä, se on täysin sallittua. Tulee vain 150 kg ylimääräisiä, ja osin harvinaisia metalleja kyytiin mukaan.

Energian muuttaminen sähköksi ja sitten lämmöksi on teknisessä mielessä kannattavaa silloin, jos siirtomatkat ovat pitkiä. Jos lämpöä voi hyödyntää paikan päällä, mitään syytä ylimääräiseen muutokseen ei ole. Esimerkiksi jos ydinvoimalan tai hakevoimalan vieressä tarvitaan paljon lämpöä, se kannattaa ottaa suoraan, eikä kierrättää sähköyhtiön kautta. Jos taas sitä lämpöä tarvitaan vaikkapa 1000 km päässä, silloin sähkömuutoksesta on hyötyä.

Silloin jos tarvitsee sähköä eikä lämpöä, tilanne tietysti muuttuu ja pitää valmistaa sähköä.

 

[kotte]

Mikäs siinä, se on täysin sallittua. Tulee vain 150 kg ylimääräisiä, ja osin harvinaisia metalleja kyytiin mukaan.

Jos käyttää harvinaisista maametalleista tehtyjä kestomagbneettigeneraattoreita, selviää paljon pienemmällä painolla (ja toisaalta ferriittimateriaaleilla selviää ilman harvinaisia maametalleja).

Toisaalta, ei esimerkiksi voimansiirtoakseli turbiinilta maahan, kulmavaihteisto huipulle ja tarvittava laakerointikaan ole kevyt eikä ennen kaikkea helppo suunnitella ja valmistaa, kun sen on kestettävä eteen tulevat rasitukset (etenkään, jollei asenna jarruja huipulle). Akseli myös aiheuttaa vääntöä, minkä kompensointi on oma ongelmakokonaisuutensa.

Vaihtoehtona oleva mekaaniikan samankeskisen akselin kautta alas johdetut hydrauliputket tiivistyksineen eivät nekään ole aivan helppo nakki (riippuu siitäkin, mitä putkissa kiertää).

 

[denzil dexter]

Tuulimyllyjä, jotka vievät voiman maahan, on nyt tunnetun historian aikana käytetty ainakin 2600 vuotta. Vanhin edelleen toiminnassa oleva on pyörinyt vuodesta 1441. Se on aika vahva aihetodiste siitä, että sellaisen pystyy rakentamaan, vaikkei joku yksittäinen henkilö pystyisikään.

Jos niitä ei ole rakennettu viimeisen 20 vuoden aikana se siis ei suinkaan tarkoita, ettei sellaista voisi rakentaa. Se voi tarkoittaa, ettei niitä ole kannattanut rakentaa; esimerkiksi sähkön tuottamiseen saa tukiaisia, mutta lämmön tuottamiseen ei. Tai lämmölle ei ole ollut lähialueella tarvetta.

Lisäksi tuntuu yleistyvän myös sokea oletus, että sähköä välttämättä tarvittaisiin joka paikassa jokaiseen tarkoitukseen. Todellisuudessa sähköä tarvitaan vain elektroniikassa, sähkösinkityksessä ja muutamissa marginaalisissa kohteissa. Lisäksi sillä on kätevää pyöritellä moottoreita ja tehdä valoa, joskin molemmat onnistuvat myös ilman sähköä. Kaikki Suomessa nyt tehtävät asiat voitaisiin teknisessä mielessä hoitaa murto-osalla nykyisestä sähkönkulutuksesta. Sähkön käyttäminen noihin tarkoituksiin on valinta - ei mikään luonnonlaki.

Voisin halutessani rakentaa talon, jonka suurin sähkönkuluttaja on 7.4W tietokone. Kaikki muu voidaan hoitaa ilman sähköä.

 

[topspeed]

Tuulimyllyjä, jotka vievät voiman maahan, on nyt tunnetun historian aikana käytetty ainakin 2600 vuotta. Vanhin edelleen toiminnassa oleva on pyörinyt vuodesta 1441. Se on aika vahva aihetodiste siitä, että sellaisen pystyy rakentamaan, vaikkei joku yksittäinen henkilö pystyisikään.

Jos niitä ei ole rakennettu viimeisen 20 vuoden aikana se siis ei suinkaan tarkoita, ettei sellaista voisi rakentaa. Se voi tarkoittaa, ettei niitä ole kannattanut rakentaa; esimerkiksi sähkön tuottamiseen saa tukiaisia, mutta lämmön tuottamiseen ei. Tai lämmölle ei ole ollut lähialueella tarvetta.

Lisäksi tuntuu yleistyvän myös sokea oletus, että sähköä välttämättä tarvittaisiin joka paikassa jokaiseen tarkoitukseen. Todellisuudessa sähköä tarvitaan vain elektroniikassa, sähkösinkityksessä ja muutamissa marginaalisissa kohteissa. Lisäksi sillä on kätevää pyöritellä moottoreita ja tehdä valoa, joskin molemmat onnistuvat myös ilman sähköä. Kaikki Suomessa nyt tehtävät asiat voitaisiin teknisessä mielessä hoitaa murto-osalla nykyisestä sähkönkulutuksesta. Sähkön käyttäminen noihin tarkoituksiin on valinta - ei mikään luonnonlaki.

Voisin halutessani rakentaa talon, jonka suurin sähkönkuluttaja on 7.4W tietokone. Kaikki muu voidaan hoitaa ilman sähköä.

Vertikaalitmyllyt ovat 3000 vuotta vanha keksintö ja vanhimmat myllyt ovat 1000 vuotta vanhoja.

 

[LauriH]

Energian muuttaminen sähköksi ja sitten lämmöksi on teknisessä mielessä kannattavaa silloin, jos siirtomatkat ovat pitkiä. Jos lämpöä voi hyödyntää paikan päällä, mitään syytä ylimääräiseen muutokseen ei ole. Esimerkiksi jos ydinvoimalan tai hakevoimalan vieressä tarvitaan paljon lämpöä, se kannattaa ottaa suoraan, eikä kierrättää sähköyhtiön kautta. Jos taas sitä lämpöä tarvitaan vaikkapa 1000 km päässä, silloin sähkömuutoksesta on hyötyä.

Menee vähän sivuun tämän avauksen aiheesta, mutta tähän täytyy todeta, että nykyisten ydinvoimaloiden lauhdevesien lämmöstä ei hirveästi ole hyötyä mihinkään. Niissä on toki määrällisesti sitoutuneena paljon energiaa, mutta veden lämpötila ei montaa astetta eroa sisään- ja ulosmenovesien välillä. Eri asia olisi, jos tehtäisiin pienydinvoimaloita pelkästään lämmöntuotantoon, mikä olisi mielestäni järkevää sekä taajamien lämmitykseen että teollisuuden prosessilämpöön. Tällaisissa voimaloissa tarvittava tekniikka olisi yksinkertaisempaa ja toimintakin turvallisempaa kun paineet  voitaisiin pitää merkittävästi sähköntuotannossa käytettyjä paineita alhaisempina.

Lisäksi tuntuu yleistyvän myös sokea oletus, että sähköä välttämättä tarvittaisiin joka paikassa jokaiseen tarkoitukseen. Todellisuudessa sähköä tarvitaan vain elektroniikassa, sähkösinkityksessä ja muutamissa marginaalisissa kohteissa. Lisäksi sillä on kätevää pyöritellä moottoreita ja tehdä valoa, joskin molemmat onnistuvat myös ilman sähköä. Kaikki Suomessa nyt tehtävät asiat voitaisiin teknisessä mielessä hoitaa murto-osalla nykyisestä sähkönkulutuksesta. Sähkön käyttäminen noihin tarkoituksiin on valinta - ei mikään luonnonlaki.

Voisin halutessani rakentaa talon, jonka suurin sähkönkuluttaja on 7.4W tietokone. Kaikki muu voidaan hoitaa ilman sähköä.

Juurikin tämä. Olen ihmetellyt ihan samaa, mutta erityisesti tässä tuulivoiman tapauksessa, jossa lämmöntuotossa pääsisi yksinkertaisemmalla tekniikalla sähköntuotantoa parempiin hyötysuhteisiin . Ehkä tämä oletus  johtuu siitä, että sähkö on ollut ja on edelleen naurettavan halpaa ja sitä tulee pistorasiasta rajattomasti ja siksi sitä halutaan käyttää ensisijaisena ”energianlähteenä” kaikkeen (autoilua lukuunottamatta )

 

[LauriH]

Kylkeen voisi integroida aurinkokeräimet, jolloin energian kokonaissaanto paranee huomattavasti.

Tämä kävi itselläkin mielessä, mutta hyödyt jäisivät mielestäni sen verran vähäisiksi, ettei ehkä kannata. Riippuu vähän mittakaavasta, johon tähtää. Jos tarkoitus on talvisaikaan hoidella merkittävä osa talonlämmityksestä tuulivoimalla, niin silloin siinä on varmasti riittävästi tehoa tuottamaan kesäaikainen lämpimän käyttöveden tarve ilman keräimiäkin. Jos taas tarkoitus on ympärivuotisesti pyrkiä lämmittämään pelkkä käyttövesi, mutta ei välttämättä 100%:sti, niin silloin keräimistä on varmasti apua.

 

[rotzi]

Mä olen kyllä sitä mieltä että jos jotain potkuria tuulivoiman keräämiseen väsää niin ainut tarpeeksi JALO energiamuoto jota siitä kuuluu tehdä on SÄHKÖ ...

 

[denzil dexter]

Pääsääntöisesti kannattaa tehdä juuri niin jaloa energiaa kuin tarvitsee ja mieluiten sellaista, jonka voi laittaa talteen. Esimerkiksi lämpöä, metanolia, etanolia tai bensiiniä, joskin kolmen viimeisen valmistus yksityishenkilön toimesta voi johtaa rikosoikeudellisiin seurauksiin. Päädymme siis siihen, että valmistamme lämpöä.

 

[kotte]

Tämä keskustelu on energiatsehokkuuden osalta mennyt jo täysin sivuraiteelle. On turha puhua mistään energian jaloudesta, jos pyydystetään tuulienergiaa mekaaniseksi energiaksi, joka sitten muutetaan lämmöksi. Absoluuttisesti energiatehokkainta olisi tässä tapauksessa muuttaa mekaaninen teho sähköksi ja käyttää sitä lämpöpumppaukseen, jolloin saadaan 3...4 kertaa se lämpömäärä hyödyksi, mitä saadaan muuttamalla tuulen mekaaninen työ suoraan lämmöksi. Mekaanisesti kytketty lämpöpumppu on ongelmallinen ja kallis tapaus, kun taas sähkökäyttöinen on kaupallinen tuote. Jos taas ei käytetä lämpöpumppausta, mekaanisen ratkaisun kustannukset, luotettavuus, lämpöhäviöt jne. ratkaisevat.

Vaikka tuulimyllyjä on käytetty maailman sivu ja Yhdysvaltain keskilännen maatalousyhteiskunta perustui tuulimoottoripumppuihin 1800-luvulla, ei (pystyvoimansiirtoakselimekaaniikan) konstruointi ja operointikaan silti ole ihan helppoa. Sen sijaan valmiita sähköä tuottavia tuuliturbiineita saa kaupallisina koeteltuina tuotteinakin, jollei halua suunnitella, rakentaa, kokeilla, erehtyä ja tehdä korjauskierroksia puhtaasti omalla kustannuksellaan. Aivan saman lämpömäärän saa tuulen työstä sähköksi ensin muutettuna kuin suoraan mekaanisesta lämmöksi muutettuna, kun laskee osien häviöt mukaan. Sähkögeneraattorin hyötysuhde on kyseeseen tulevassa kokoluokassa välillä 70% ... 90% ja sähkövastuksella ja siirrolla luokkaa 100% (kun ottaa huomioon, että lämpöhäviöitä ei siirrosta tule).

Lämpövoimaloita sun muita ei tähän keskusteluun tarvita, kun ne joutuvat toimimaan termodynamiikan ehdoin, jolloin ylitse jää aina lämpöä ja kannattaa monesti optimoida sitä, kuinka suuri osuus tuotetaan sähkönä (tai mekaanisena työnä)  ja kuinka suuri osa lämpönä, kun lämmönlähteen energia pyritään käyttämään hyödyksi mahdollisimman tarkoin.