XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инновационная разработка ветрогенератора с вертикальным ротором
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одним из экологически чистых способов получения альтернативной энергии занимается ветроэнергетика. Ветроэнергетика специализируется на преобразовании энергии ветра в электрическую энергию, а в качестве преобразующих устройств используются ветрогенераторы. Энергия ветра воздействует на лопасти ветрогенератора и приводит их в движение. Вращательное движение лопастей через вал и механический редуктор приводит в движение генератор переменного или постоянного тока низкого напряжения. Полученное постоянное напряжение с генератора постоянного тока поступает на зарядное устройство, которое и заряжает аккумуляторы необходимой мощности.
Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, потому, что, во-первых – стоимость ветра равна нулю, а во-вторых для ее получения не требуются другие источники энергии кроме самого ветра. На сегодняшний день ветроэнергетика получила огромное распространение, особенно в странах с ограниченными природными ресурсами.
Россия в данном сегменте рынка альтернативных источников занимает пока одно из последних мест среди равных себе стран при этом имея все неисчерпаемые возможности для развития данного рынка. [2], [3].
В России валовой потенциал ветровой энергии - 80 трлн. кВт/ч в год, а на Северном Кавказе – 200 млрд. кВт/ч (62млн. т условного топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин технического потенциала органического топлива. Большинство регионов нашей страны совсем не имеют линии электропередач в силу крайней удаленности. Ветроэнергетика в России имеет большие перспективы, но на сегодняшний день только начинает свое развитие.
С 1990 г. производство солнечных элементов (СЭ) увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2019 г. 82 млрд долл.
Актуальность работы вытекает из того что на данный момент существует ряд разнообразных проблем в энергетике, связанных в основном с вопросами “Откуда получить энергию?” и “Каким способом получить энергию?”. Решение этих вопросов за счет получения электричества из ветра с помощью ветрогенератора является достаточно перспективным.
Целью данной работы является создание устройства вертикального ветрогенератора
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1) изучена история ветрогенераторов;
2) рассмотрена разновидность ветрогенераторов в России;
3) оценена эффективность способа добычи энергии из воздуха с помощью ветрогенератора;
4) реконструирован опытный экземпляр вертикального ветрогенератора;
5) проведены испытания вертикального ветрогенератора при различных условиях.
Для достижения поставленных целей и решения задач нами были использованы следующие методы исследования:
• Сбор, изучение и анализ существующей информации.
• Выбор оптимальных, простых, дешевых и доступных материалов для создания опытного образца.
• Проведение испытаний с целью экспериментальной проверки гипотезы и получения оценок различных показателей модели.
• Анализ схем и принципов действия устройства с вертикальным ротором.
• Сборка экспериментального образца ветрогенератора с вертикальным ротором.
Глава 1 Устройство и принцип действия вертикального ветрогенератора
1.1 Устройство вертикального ветрогенератора
Наша установка состоит из генератора, выпрямителя, контроллера оборотов, турбины, аккумулятора и инверторного преобразователя напряжения. Рассмотрим каждый узел установки отдельно.
Сам ветрогенератор состоит из ротора (лопастей) электрогенератора и стойки.
После продолжительных поисковых и аналитических работ мы остановились на роторе Угринского..
Преимущества:
почти бесшумный при самых сильных порывах ветра;
обеспечивает оптимальный КПД при любых ветровых капризах;
ловит любые направления движения воздуха;
неприхотлив;
отсутствие токосъёмных щёток не требует их замены;
берёт старт при минимальном дуновении ветерка до 1 м/сек;
его можно располагать вблизи дома, или на крыше;
не требует дополнительных приборов для запуска;
совершенно безобиден для птиц, пчёл, окружающей среды;
не боится мокрых снегопадов и обледенений.
Канал образуется двумя лопастями, форма поперечного профиля которых напоминает собой ковш с ручкой. Рассмотрим в чем заключаются отличительные особенности работы этого нового ротора в свободном течении воздуха. Проходящий через канал воздух дважды отдает свою энергию, как это было и у прежде описанных роторов.
Допустим, что входящая в канал струя сначала ударяется о слабоизогнутую стенку первой части лопасти. На ее место быстро становится круто изогнутая стенка (чашеобразно изогнутая часть профиля) второй лопасти. Она быстро сменяется слабоизогнутой частью второй лопасти, вслед за которой набегает круто изогнутая часть первой лопасти, и т. д.
При первом же взгляде на профили лопастей нового ротора видно, что какое положение ни заняли бы лопасти этого ротора, относительно горизонтального направления течения, никакого «мертвого» положения нет. Всегда какая-то часть лопасти направлена навстречу к потоку и способствует продолжению вращения ротора, а никак не его остановке. Благодаря этому многоярусное устройство для такого ротора необязательно. Мощность такой турбины при скорости ветра 7-8 м/c приблизительно 50Вт.
С увеличением скорости ветра мощность тоже растет.
В качестве основного размера для этой схемы ротора принят радиус диска. Но, как и в предыдущих случаях, сохранено важнейшее условие, чтобы средняя часть канала между лопастями равнялась 2/3 ширины устья канала.
Ротор изготовили из листов фанеры и поликарбоната, который идеально нам подходит по характеристикам. Сначала мы разметили фанеру по чертежу.
Далее, фрезерным станком, мы прорезали пазы для поликарбоната..
После этого обе части вырезаются лобзиком. Потом вставляем в пазы поликарбонат.
После установки лопастей в нижнюю часть ротора накрываем его верхней частью и стягиваем шпильками. Высота готового ротора составляет 50, а диаметр 40см.
К генератору ротор прикручивается с помощью специального переходника (металлической тарелки).
Изготовление генератора: Генератор мы делали из подручных материалов. Для ротора мы использовали пильные диски от циркулярной пилы. Размечаем их на 12 частей и сверлим четыре отверстия под шпильки.
Затем мы сделали основание (стойку). Для стойки мы взяли разные трубы и металлические прутья. Свариваем их таким образом. Для того чтобы конструкция вращалась нужно собрать самый важный узел – ступицу.
Для изготовления ступицы мы взяли стальной прут (14мм), 2 закрытых автомобильных подшипника и трубу, подходящую по диаметру к подшипнику (40мм). Чтобы сделать основание ступицы мы взяли кусочек трубы и приварили к нему уголки.
Далее уголки были просверлены. И прикручены к металлической пластине, в которую мы вкрутили шпильки для монтажа ротора.
Потом всё это было разобрано для установки подшипников. Сначала подшипники были набиты на прут и зафиксированы не нём стопорными кольцами. Затем на них была установлена труба с уголками и тоже зафиксирована стопорными кольцами с обеих сторон. У пластины были обрезаны края для получения круга.
Далее была сделана крестовина для крепления статора (катушки). Она тоже сделана из подручных материалов. А именно из уголков и куска трубы.
После сборки крестовины мы установили нижний диск ротора. И приклеили магниты по отметкам на оба диска.
Изготовление статора. Для катушки был использован эмалированный провод диаметром 0.51 мм. Она наматывалась на специально разработанном каркасе способом змейка. Намотали 2 катушки по 50 витков. После этого катушку стянули бумажным скотчем. После изготовления двух одинаковых катушек, мы наложили их друг на друга со сдвигом и плотно стянули пвх трубкой. Теперь катушка готова к заливке эпоксидной смолой. Приступаем к самой сборке статора. Сначала на ровную плиту ДСП мы постелили полиэтилен так как он не приклеивается к смоле. На полиэтилен был положен кусок стеклоткани (для прочности), на стеклоткани был нарисован силуэт заливки. По этому контуру мы положили бортик из пластилина. Внутрь всего этого мы поставили катушку и залили её смолой. По её краям мы расположили подшипники толщиной 15 мм для ограничения деформации катушки. Сверху накрыли стеклотканью и полиэтиленом. Для пресса мы положили сверху плиту ДСП и поставили на неё груз. Подшипники по краям и по центру не дали грузу раздавить катушку и сделали её толщину равномерной.
После снятия груза мы достали катушку. Обрезали лишнюю стеклоткань и обточили катушку по периметру напильником. Просверлили её в специально подготовленных местах и установили на шпильки к ротору. Для подключения проводов в катушку были залиты гайки М6 в которые мы вкрутили винты с кольцевыми оконцевателями. [7].
К этому генератору с помощью переходника были прикручены лопасти. .
Устройство электроники.
После генератора стоит диодный выпрямитель, состоящий из двух диодных мостов и конденсаторов на 1000 мкф, соединённых последовательно. Диоды были взяты германиевые Д305.
Однажды я ехал с дедушкой в машине (у него старый москвич) и заметил, что лампочки бортового освещения несильно моргают. Я спросил, почему они мигают, и дед мне сказал, что это контроль выходного напряжения с генератора двигателя. Я задумался, почему бы не сделать такой же контроллер и нам. Ведь ветер на улице бывает разный, один может и не провернёт лопасти, а другой может раскрутить ротор до такой скорости, что он разлетится на куски. Приехав в школу, я рассказал эту идею своему соавтору по этой работе. И мы сели воплощать эту идею. В результате у нас получилось, конечно, не совершенное, но вполне действенное устройство. Работает оно следующим образом.
Данный контроллер подойдет для заряда аккумулятора как от ветрогенератора, так и от солнечной батареи. В схеме используется операционный усилитель TL-084, реле и небольшое количество других радиоэлектронных компонентов. Это используется для отсоединения источника заряда от аккумулятора, после его полной зарядки. Подойдет как для 12В, так и для 24В аккумуляторов.
В схеме зарядного устройства используется 2 подстроечных резистора для установки верхнего и нижнего предела напряжения. Когда напряжение аккумулятора превышает заданное значение, то на обмотку реле подается напряжение, и оно включается. Реле будет включено, пока напряжение не понизится ниже заданного уровня.
Обычно, для ветряков и солнечных батарей используются аккумуляторы 12В, тогда верхний предел напряжения устанавливается на 15В, а нижний - 12В. Источник электроэнергии (ветрогенератор) подключаются к аккумулятору через нормально замкнутые контакты реле. Когда напряжение аккумулятора превышает заданные 15В, контроллер замыкает контакты реле, тем самым переключая источник электроэнергии с аккумулятора на нагрузочный балласт в нашем случае это проволочный резистор на 0,5 Ом.
Когда напряжение падает ниже 12В (задается резистором), контроллер отключает реле и источник подключается к аккумулятору для его заряда. .
В устройстве используется 2 светодиода, один показывает наличие питания, второй светодиод загорается, когда аккумулятор полностью заряжен и ток протекает через нагрузочный балласт.
Для настройки устройства нам понадобился регулируемый источник питания и вольтметр. Мы установили подстроечный резистор Low V на минимум (выкрутив его до конца против часовой стрелки). Подстроечный резистор High V установили на максимум (выкрутив его до конца по часовой стрелке). Далее мы подсоединили блок питания и установили на нем выходное напряжение, при котором реле отключает аккумулятор от источника электроэнергии. При используемом аккумуляторе, рассчитанном на 12В, мы установили напряжение15В. Затем, мы медленно вращали подстроечный резистор против часовой стрелки, пока не загорелся индикатор нагрузки и не переключилось реле. Теперь верхний предел напряжения установлен.
Потом мы установили нижний предел напряжения равный 12В.
Вращая подстроечный резистор Low V по часовой стрелке, пока не погаснет светодиод и не переключиться реле, мы установили нижний предел. Настройка закончена.
Диапазон регулирования напряжения подстроечными резисторами составляет 11.5 - 18 Вольт.
Список деталей: линейный регулятор LM7808, операционный усилитель TL084, биполярный транзистор BD139, выпрямительный диод 1N4001, выпрямительный диод 1N4004, 2-х фазный диодный мост, конденсатор 0.1 мкФ, электролитический конденсатор 10 мкФ 16 В, электролитический конденсатор 100 мкФ 35 В, R1Резистор 10 кОм, R2 Резистор 12 кОм, Резистор 0.5 Ом (нагрузочный балласт), резистор 1 кОм, подстроечный резистор 2.2 кОм, Резистор 3.3 кОм, Резистор 4.7 кОм, резистор 8.2 кОм, Переменный резистор 10 кОм, резистор 100 кОм, Светодиод, Реле 12 В, Аккумуляторная батарея 12 В.
Инвертор преобразователь 12-220V.
Предложенная сборка способна выдать мощность до 300Вт.
В качестве задающего генератора задействован мультивибратор. Разумеется, такое решение многим уступает современным высокоточным генераторам на микросхемах, но давайте не забывать, что я стремился максимально упростить схему так, чтобы в итоге получился инвертор, который будет доступен широкой публике. Мультивибратор работает более надежно, чем некоторые микросхемы, не так критичен к входным напряжениям, работает при суровых погодных условиях.
Трансформатор использован готовый - ТС-180-2, габариты сердечника позволяют снять 300 ватт выходной мощности. Трансформатор имеет две первичные обмотки на 12 Вольт (каждое плечо) и две сетевые обмотки на 110 Вольт. Диаметр провода первичной обмотки где-то 2,5мм, Основные характеристики схемы,Номинал входного напряжения - 3,5-18 Вольт,Выходное напряжение 220Вольт +/-10%,Частота на выходе - 57 Гц ,Форма выходных импульсов - Прямоугольная ,Максимальная мощность - 250-300 Ватт.
Недостатки:
Схема не имеет никаких защит на входе и на выходе, при КЗ и перегрузке полевые ключи будут перегреваться до тех пор, пока не выйдут из строя.
Из-за формы импульсов, трансформатор издает некий шум, но это вполне нормально для таких схем.
Достоинства: Простота, доступность, низкие затраты, 50 Гц на выходе, компактные размеры платы, легкий ремонт, возможность работы в суровых погодных условиях, широкий допуск используемых компонентов - все эти достоинства делают схему универсальной и доступной для самостоятельного повторения. Элементная база:
В обвязке минимальное количество компонентов. Транзисторы IRFZ44 можно с успехом заменить на IRFZ40/46/48 или на более мощные - IRF3205/IRL3705, они не критичны. Транзисторы мультивибратора TIP41 (КТ819) можно заменить на КТ805, КТ815, КТ817 и т.п. [1], [5].
Реализована также функция REM, для включения схемы нужно всего лишь подключить провод REM на плюсовую шину, тогда поступит питание на генератор, и схема начнет работать. На REM напряжение +12В подается в момент включения. Своеобразное реле включения получается.
1.2 Преимущества и недостатки
Преимущества:
1. Малые начальные значения скорости ветра для начала движения ротора ветрогенератора.
2. Нет необходимости направлять ось на поток ветра, вертикальный ветрогенератор использует ветер, который дует со всех направлений.
3. При сильных порывах ветра ветрогенератор с вертикальной осью быстрее наращивает силу тяги, а потом стабилизируют скорость вращения.
4. Такие ветровые генераторы могут работать бесперебойно даже при сильном штормовом ветре, в то время, когда в подобных условиях горизонтальные ветровые установки автоматически выключаются.
5. Лопасти вертикального ветрогенератора меньше шумят, они намного легче в изготовлении и способны выдерживать большие нагрузки.
6. Не требует для запуска дополнительных устройств.
7. Такой ветрогенератор безвреден для пчел, птиц и окружающей среды, он может устанавливаться рядом с жильем.
8. Ветрогенератор достигает номинальной мощности на малых оборотах.
9. Вертикальный ветрогенератор требует минимум места для установки.
10. Выработка электромагнитного излучения минимальна и не ощущается окружающими.
11. Устройство просто в эксплуатации — несложная система управления и малые текущие расходы, необходимые для поддержания рабочего состояния.
Недостатки.
1. Возможны сильные вибрации влияющие на износ конструкции.
2. Невысокая скорость оборотов, из-за чего энергии вырабатывается меньше.
Глава 2 Практические измерения параметров ветрогенератора
2.1 Измерение напряжения и определение мощности ветрогенератора
Нами были сделаны определенные измерения параметров модели вертикального ветрогенератора для определения его практической эффективности использования. Мы решили узнать эффективность выработки электроэнергии при различной скорости оборотов ветрогенератора. Для этого мы подсоединили клемами вольтметр к выходу с выпрямителя и тохометр к основанию на которое крепится ветровая турбина и стали раскручивать генератор с различной скоростью и наблюдать за напряжением. (см. приложение №21, №22). Измерения проводились с нагрузкой 1А (лампочка). В результате мы получили следующие данные:
А). При скорости турбины в 60 об./мин. напряжение равнялось 7.5 вольт.
Б). При скорости турбины приблизительно 95 об./мин. напряжение было около 12 вольт.
В). При скорости турбины около 110 об./мин. напряжение было приблизительно 15 вольт.
Исходя из приведенных данных произведем расчет мощности генератора: P=V*I, где P – мощность, V – напряжение, а I – сила тока.
Подставляем: P = 15 вольт * 1 А = 15 Ватт.
Получается, что при максимальном напряжении в 15 вольт мощность равнялась 15 Ватт. (см. приложение №23).
Заключение
Создана экспериментальная модель вертикального ветрогенератора и проведены опытные измерения его мощности в зависимости от скорости вращения турбины. Вертикальный ветрогенератор станет незаменимым помощником, благодаря которому можно будет решить проблемы с обеспечением электроэнергией загородных домов, небольших предприятий и других энергопотребителей находящихся в удалении от других источников энергии.
Такой ветрогенератор менее требователен к условиям своего размещения чем горизонтальный ветрогенератор и может работать при относительно слабом ветре. Ветрогенератор стабильно обеспечивает человека энергией. Он помогает значительно сократить расходы на оплату света. Не маловажным фактором при эксплуатации ветрогенератора является легкое обслуживание, его конструкция обеспечивает устойчивость даже при ураганном ветре.
Список использованной литературы
1. Безруких П.П. Ветроэнергетика. (Справочное и методическое пособие). М.: – ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010, - 122 с., 320 с. – ISBN 978-5-98908-032-8.
2. Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Что может дать энергия ветра, Ответы на 33 вопроса, Москва, 2002. – 79 с.
3. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Безруких П.П., Борисов Г.А., Виссарионов В.И. и др. - С. Пб.: Наука, 2002. - 314 с
4. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. – ОГИЗ – СЕЛЬХОЗГИЗ государственное издание сельскохозяйственной литературы, Москва. 1948. – 103 с.
Приложение
Приложение 1Схема построения Приложение 2 Проризание пазов
лопастей р оторной турбины
П риложение 3Схема контроля оборотов и напряжения
Приложение 4 Приложение 5
П реобразовательный трансформатор Блок схема инверторного преобразователя
Приложение 6 Инверторный преобразователь
Приложение 7Показания тохометра
А) Б) В)
П риложение 8 Показания вольтметра
А) Б)
Приложение 9 Таблица зависимости мощности от скорости вращения турбины.
|
№ |
Скорость вращения турбины |
Напряжение |
Сила тока |
Мощность |
|
1 |
60 об./мин. |
7 вольт. |
0.9 А |
6.3 Ватт. |
|
2 |
95 об./мин. |
12 вольт. |
1.3 А |
15.6 Ватт. |
|
3 |
110 об./мин. |
15 вольт. |
1.75 А |
26.25 Ватт. |