IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. МОДЕЛЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
Солод В.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Еще несколько лет назад ветрогенератор казался чем-то далеким, почти научной фантастикой. Поиск новых источников энергии, достижения в области технологии строительства этих электростанций и идеологической "пропускной способности" возобновляемых источников энергии, однако, может привести к тому, что ветрогенераторы в будущем станут в пейзаже чем-то почти столь же распространенным, как линии электропередач.

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, ветряная турбина) представляет собой устройство, которое преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию турбины, а затем эта энергия преобразуется в электрическую. Ветрогенераторы на сегодняшний день являются наиболее важной формой использования энергии ветра. Движение воздушных масс вызывает вращение лопастей. Электроэнергия вырабатывается в генераторе, который расположен в гондоле - то есть, в "сердце" турбины. Рентабельность инвестиций основана на том факте, что мы производим собственное электричество и не зависим от сети. Выработка электроэнергии может осуществляться круглый год, в зависимости от атмосферных явлений.

Ветрогенераторы могут использоваться в любых климатических условиях. Они установлены на суше и в прибрежной зоне морей. Их могут устанавливать по одному или в группах, называемых ветряными электростанциями или ветропарками. Типичная мощность распространенных сегодня систем составляет от 2 до 5 МВт для береговых установок и от 3,6 до 6 МВт для морских. Даже небольшие установки в диапазоне мощностей от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт при автономной работе являются экономичными.

1. История

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии - в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова, работать она могла лишь при сильном устойчивом ветре.

И вот, приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии. В 1745 году Эдмунд Ли изобрел новый тип крыльев - деревянные каркасы, обтянутые материей. Это изобретение применяется в ветряных мельницах и сейчас. (Приложение. Рисунок 1)

Первая задокументированная ветровая система для выработки электроэнергии была создана в 1887 году шотландцем Джеймсом Блитом для зарядки батарей, освещающих его коттедж. Эта простая, надежная конструкция с вертикальной осью высотой десять метров и четырьмя парусиновыми лопастями в виде кругов, диаметром восемь метров, имела скромный коэффициент полезного действия.

Почти одновременно Чарльз Френсис Браш в Кливленде, штат Огайо, разработал почти 20-ти метровую прогрессивную ветровую установку для выработки электроэнергии. Он использовал двухступенчатое передаточное отношение с ременным приводом для генератора на 12 кВт. (Приложение. Рисунок 2)

2. Принцип действия

Принцип действия ветрогенератора основан на том, что энергия ветра преобразуется в электрический ток. Лопасти устройства приводятся в движение ветром, вызывая вращение ротора, то есть далее передается механическая энергия. Затем, механическая энергия передается на генератор, где преобразуется в электричество. Ветрогенератор подключен непосредственно к электросети, или аккумулятору, куда отдает произведенную энергию. (Приложение. Рисунок 3)

Энергия производится ветрогенератором следующим образом:

  • во время вращения ротора турбины создается крутящий момент;

  • коробка редуктора увеличивает число оборотов, а вал приводит в движение генератор;

  • сгенерированный электрический ток проходит через контроллер и автоматические переключатели;

  • напряжение повышается до промежуточного значения в трансформаторе;

  • система управления передает электрическую энергию в трансформатор;

  • в трансформаторе напряжение подвергается корректировке до величины, используемой в электрических сетях, на которой работает электростанция;

  • кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию, а она, в свою очередь, в полезную электроэнергию, которую можно отправить в пункт назначения.

Таким образом, при помощи необходимых инструментов и устройств и со знанием принципа действия ветрогенератора, а также опираясь на полученную информацию от специалистов, я попытался создать модель ветрогенератора, электрическая схема которого представлена на рисунке. (Приложение. Рисунок4)

3. Технические параметры самостоятельно созданного ветрогенератора

Двигатель Г314УХЛ4, Pном=8Вт, Iном=0,17А

Диаметр ротора: 62 мм

Рекомендованные аккумуляторы: 2 шт.× 1,2В Количество лопастей: 3 шт.

Длина и ширина лопасти: 30см×5,7см

Материал лопастей: фанера

Высота конструкции: 54 см

Вес: 3,5 кг

Габаритные размеры генератора представлены на рисунке. (Приложение. Рисунок 5)

4. Расчет параметров конструкции

Мощность созданного ветрогенератора можно рассчитать по формуле, при этом не стоит забывать о технических параметрах используемого двигателя, т.е. при номинальной мощности двигателя 8 Вт, ветрогенератор не сможет выработать больше, какими бы ни были скорость ветра и длина лопастей.

Р=0,4×S×V3, где S=π*R2

0,4 – КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра)

Р – мощность, Вт

S – площадь, м2

V – скорость ветра, м/с

R – длина лопасти, м

S, м2

V, м/с

Р, Вт

1

0,28

1

0,112

2

0,28

2

0,896

3

0,28

3

3,024

4

0,28

4

7,168

5. Расходы ресурсов

Финансовые затраты

Финансовые расходы

Используемые приборы и материалы

Стоимость, рублей

1

Оборудование

Генератор, вольтметр, амперметр, АКБ, диоды, резистор, конденсатор и т.д.

2480

2

Материалы

Провода соединительные, болты, шурупы, выключатели, светодиод, клеммы, и т.д.

330

3

Прочее

Краска, фанера, оргстекло, профиль алюминий и т.д.

890

4

ИТОГО

3700

Трудовые затраты

Наименование работ

Расход, часов

1

Сбор исходной и технической информации. Закупка инструментов и материалов.

23

2

Столярные: резка фанеры, оргстекла, изготовление лопастей, сборка станины.

32

3

Слесарные: изготовление шкива для лопастей, стойки генератора, сверление отверстий, нарезка резьбы.

21

4

Электромонтажные: сборка печатной платы, соединение компонентов схемы.

15

5

Приведение изделия к презентабельному виду, испытание.

12

6

ИТОГО

103

Созданный ветрогенератор представлен на рисунке (Приложение. Рисунок 6)

6. Ветрогенератор и экология.

Основные преимущества ветрогенераторов - защита окружающей среды и возможность энергетической независимости. Эти устройства предназначены для непрерывной работы. Инвестируя в ветрогенераторы, мы способствуем сокращению загрязнений окружающей среды. Одно из главных преимуществ ветрогенераторов является то, что они не влияют на окружающую среду в такой степени, как это делают нефть, уголь и даже дрова. Они не выбрасывают CO2, не сливают сточных вод, не требуют постоянной подачи сырья. Однако влияние ветрогенератора на окружающую среду, тем не менее, до сих пор остается под открытым вопросом.

Продолжаются исследования о влиянии ветрогенераторов на популяции птиц и микроклимат. Конечно же, ветрогенераторы гораздо безопаснее для живой природы, чем обычные электростанции, но они могут оказаться не столь идеальными, как солнечные батареи.

Мы жалуемся на сильные ветры, а ими нужно пользоваться и зарабатывать деньги. Учитывая погодные условия, ветрогенератор работает 90% дней в году. Установленные ветрогенераторы полностью безопасны. Даже птицы быстро учатся обходить их, как и в случае вновь возведенного здания. Самые маленькие ветрогенераторы устанавливаются в любом месте, где будет сохраняться правильное расстояние от земли, так чтобы вращающиеся лопасти не могли ударить проходящего человека или проезжающее транспортное средство.

Для здорового человека ветрогенератор, работающий в пределах установленных норм шума, совершенно безвреден. До сих пор исследования, проводимые независимыми центрами, не принесли обратного ответа. Работа ветрогенераторов не приведет к потере здоровья жителей местности.

Заключение

В результате проведенной мною работы, я пришёл к выводу о том, что внедрение ветрогенератора, с точки зрения альтернативной энергии, оправдано.

Созданная модель не может выработать мощность более 8 Вт, это связано с максимальными параметрами установленного двигателя. Эти значения малы для применения в быту, но не стоит забывать, что параметры модели можно увеличить. В частности, можно увеличить диаметр ротора, площадь лопастей. Кроме этого, установку можно модернизировать и использовать совместно с солнечной батареей.

Полученная конструкция имеет такие положительные качества как: автономная работа, компактность, надёжность и экономичность. Также мощность нашего генератора достаточна для работы, например, карманного фонарика, зарядки мобильных и переносных устройств, обеспечения работы переносных радиоприемников. Данная система может использоваться как альтернативный источник электрической энергии практически круглый год, на его работу не влияют погодные условия, главная составляющая для работы необходимость ветра. Предлагаемая конструкция, при минимуме затрат на его изготовление и использование, поможет человеку даже в сложнейших природных условиях пребывания чувствовать себя цивилизованным человеком.

Список использованных источников и литературы

  • Д. де Рензо, В. В. Зубарев. Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982

  • Е. М. Фатеев. Вопросы ветроэнергетики. Сборник статей. Издательство АН СССР, 1959

  • Валерий Чумаков Токи ветров / Вокруг света : журнал. — 2008

  • http://www.solarroof.ru/theory/29/76/

  • http://ukrelektrik.com/publ/rotornyj_vetrogenerator_svoimi_rukami_materialy_osobennosti_sborki_i_ustanovki/1-1-0-1636

  • http://ukrelektrik.com/publ/samodelnyj_vetrogenerator_osobennostju_konstruirovanija_montazha_i_ehkspluatacii/1-1-0-1666

  • http://electrik.info/main/fakty/661-vetryanaya-elektrostanciya-doma-blago-ili-blazh.html

Приложение

Рисунок 1. Ветряная мельница Эдмунда Ли

Рисунок 2. Ветровая установка

Чарльз Френсис Браш

Рисунок 3. Устройство: ветроколесо с лопастями

АВР – автоматический переключатель источника питания, ветрогенератор, инвертор, аккумуляторная батарея, иногда блоки солнечных батарей.

Рисунок 4. Электрическая схема ветрогенератора

Рисунок 5. Габаритные размеры генератора

Рисунок 6. Созданный ветрогенератор