Tepelný generátor poháněný větrnou turbínou na principu Jouleova stroje
Větrné turbíny se zhusta využívají ke generování elektrické energie. Následující tepelný-větrný generátor mění energii větru na energii tepelnou a ohřívá topnou vodu.
K tomuto využívá principu takzvaného Jouleova aparátu původně sestrojeného k demonstraci vzájemného vztahu mezi vykonanou prací a tepelnou energií.
James Prescott Joule, anglický fyzik žijící v 19. století a autor následujícího aparátu, nechal otáčet lopatkové kolo v nádobě s vodou, která se třecími silami postupně zahřívala. Tímto přístrojem prokázal přímý vztah mezi vykonanou prací a tepelnou energií.
Princip Jouleova aparátu
Navíjecí klikou se posunulo závaží k horní části stupnice metru. Následně závaží díky gravitaci roztočilo lopatkové kolo, které třením ve vodě způsobilo zvýšení teploty vody měřené teploměrem. Praktický demonstrační přístroj, prokazující přeměnu mechanické energie na tepelnou energii.
Zde je popis experimentu (english)
Popis zařízení
Tepelný generátor poháněný větrnou turbínou kombinuje vertikální větrnou turbínu s přizpůsobeným Jouleovým strojem. V tepelně izolované uzavřené nádrži je umístěné lopatkové kolo osou napojené na větrnou turbínu. Rotace větrníku roztáčí lopatkové kolo ponořené do vody v nádrži. Pohyb lopatek třecí silou ohřívá vodu.
Nádrž je napojená na topný systém budovy, nebo okruh teplé užitkové vody.
Jako pohon se nabízí Savoniova větrná turbína, kombinace Savonius-Darrieus turbíny, nebo jakákoli jiná Vertikální všesměrová turbína s dostatečnou akční plochou, výkonem pro překonání odporu kapaliny a užitečnou práci.
Technologie je alternativou k daleko běžnějšímu zapojení větrné turbíny s elektrickým generátorem, kdy se do budovy svede elektrické vedení a topnou patronou následně ohřívá voda v rezervoáru.
Je zřejmé, že elektrické řešení bude mít energetické ztráty na generátoru, elektrickém vedení a předání tepla topnou patronou. Zatímco u tepelného generátoru budou ztráty vznikat únikem tepla přes plášť nádrže a teplovodním vedením do budovy.
Pro cirkulaci topné vody se nabízí využití samotížného systému. Pokud však místní podmínky nedovolují použití samotíže, je nutné do topného okruhu zařadit oběhové čerpadlo.
Plusy
Přímá přeměna rotačního pohybu větrné turbíny na teplo oproti nepřímé přeměně s notnými ztrátami v případě ohřívání elektrickou energií produkovanou elektrickým generátorem poháněným větrnou turbínou.
Nižší odpor kapaliny oproti „brzdnému odporu“ zatíženého elektrického generátoru a s tím spojený lehčí start a lepší dynamika tepelného generátoru.
Rizika
Koroze mechanických dílů umístěných v nádrži s vodou
Nedokonalost izolace vodní nádrže a izolace vodovodního potrubí k domu přinese tepelné ztráty. Ty se při dlouhém vedení potrubí a špatné izolaci mohou vyrovnat ztrátám elektrické energie na elektrickém generátoru a vedení od větrníku do budovy.
Nemožnost bezeztrátového skladování tepelné energie ve vodě v době, kdy nefouká.
Větší konstrukční náročnost teplovodního vedení oproti kabelovému vedení elektrické energie.
Závěr
Autoři nápadu uvažují o nasazení v zimních měsících v krajinách, kde je nutné vytápět obytné prostory a jsou zajištěné příznivé větrné podmínky. Důležité je, že systémy závislé na sluneční energii v zimě nejsou schopné dodávat dostatek tepla – solární panely, nebo fotovoltaické spolu s topnou patronou. Zatímco vítr v některých oblastech právě v zimě zesiluje. Zároveň kladou důraz na přímou přeměnu energie větru na tepelnou oproti generování elektřiny a následné přeměny na tepelnou.