XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Глава I. Введение
1.1. Актуальность
Потребности в электроэнергии возрастают с каждым годом. Растет число бытовой техники, используется большое число оборудования и аппаратуры, обеспечивающих дом теплом, водой, осуществляющих контроль за микроклиматом. Несмотря на рост потребления, состояние электрических сетей постоянно ухудшается. Общая изношенность оборудования достигает опасных размеров, что вынуждает многих пользователей задумываться о самообеспечении энергией.
1.2. Цель работы:
Определиться с типом ветрогенератора, который можно произвести в домашних условиях. Изготовить опытный образец. Произвести расчет мощности данного образца. Добиться выработки электроэнергии экспериментальным образцом ветрогенератора.
1.3. Задачи работы:
Проанализировать преимущества и недостатки ветряных станций.
Создать модель ротора.
Провести эксперименты с созданной установкой.
Проверить возможность использования, получившегося ротора.
Произвести расчеты основных характеристик установки.
Сделать выводы о целесообразности применения.
1.4. Гипотеза:
Использовать ветер как природный, возобновляемый источник энергии (для получения электроэнергии в домашних условиях).
Глава II. Теоретическая часть.
2.1. Виды ветрогенераторов.
Модели ветрогенераторов бывают разной конструкции, различаются по мощности. По геометрии вращения оси основного ротора их делят на несколько типов.
Вертикальный тип
Турбина расположена вертикально по отношению к плоскости земли. Начинает работать при небольшой скорости ветра.
Рисунок № 1 «Вертикальные ветрогенераторы»
Генераторы с ротором Савониуса.
Состоят из двух цилиндров. Постоянное осевое вращение и поток ветра не находятся в зависимости друг от друга. Даже при резких порывах он крутится с заданной изначально скоростью.
Рисунок № 2 «Генераторы с ротором Савониуса»
Генератор с ротором Угринского
Ротор Угринского — разновидность вертикально-осевого ротора Савониуса, предложенная К. А. Угринским в 1946 году. Может быть использована как для работы в жидкой, так и в газовой среде. Состоит из двух лопастей, имеющих вид буквы S и расположенных так, что в любой момент времени какая-то часть направлена навстречу потоку. В качестве основного размера такой схемы ротора принимается радиус диска R. Важнейшим условием является соотношение средней части канала между лопастями равное 2/3 ширины устья канала.
Генераторы с ротором Дарье.
Имеют две или три лопасти. Легко монтируются. Конструкция простая и понятная. Начинают работать от запуска вручную.
Рисунок № 3 «Генераторы с ротором Дарье»
Геликоидный ротор
Вращение ветрогенератора происходит равномерно благодаря закрученным лопастям. Подшипники не подвержены быстрому износу, что значительно продляет срок эксплуатации.
Рисунок № 4 «Геликоидный ротор»
Горизонтальный тип
Ось ротора вращается параллельно земной поверхности. Имеет большую мощность преобразования энергии ветра в переменный и постоянный ток.
Рисунок № 7 «Горизонтальный ветрогенератор»
Ветрогенератор, устроенный по типу парусника.
Тарелкообразная конструкция под напором воздуха приводит в движение поршни, которые активируют гидросистему. Как результат, происходит трансформация физической энергии в электрическую. Во время работы установка не шумит. Высокие показатели мощности. Легко управляемая.
Рисунок № 8 «Парусный ветрогенератор»
Летающий ветрогенератор-крыло.
Используется без мачты, генератора, ротора и лопастей. В сравнении с классическими конструкциями, которые функционируют на небольшой высоте при непостоянной силе ветра, а сооружение высоких мачт дело трудоемкое и дорогое, “крыло” таких проблем не имеет.
Рисунок № 9 «Летающий ветрогенератор-крыло»
Преимущества и недостатки данных установок.
Преимущества:
Источник энергии – ветер. Ветер является бесплатным и экологическим источником электроэнергии.
Автономность установок. Ветростанции или тот же ветрогенератор, предназначенный для обеспечения энергией частного дома, намного меньше зависят от расположения, чем, например, ГЭС, АЭС и т.д.
Разнообразие типов ветрогенераторов для более эффективного использования.
Тем не менее, лучше располагать ветростанцию на открытом пространстве, так как здания, расположенные неподалеку, будут удерживать ветер, из-за этого вырабатываемой энергии будет меньше.
Недостатки:
Высокий уровень шума от установок, рядом с жилыми поселками будет очень неудобно размещать ветряки, если мощность ветрогенератора свыше 30 кВт.
Стоимость проекта. Инвестиционные затраты очень велики для данного сооружения, но в настоящее время стоимость снижается и будет снижаться благодаря достижениям в области данной технологии.
Погодные условия могут негативно влиять на поток ветра. Сильный ветер может вызвать разрушение конструкции, слабый, в свою очередь, приводит к недостаточному количеству энергии.
2.2 Почему я выбрал ротора Угринского.
Рассмотрев все виды ветрогенераторов, было принято решение изготовить действующую модель ветрогенератора с ротором Угринского. На мой взгляд данный тип ветрогенератора обладает рядом преимуществ.
Благодаря использованию энергии отраженного от лопастей потока, обладает повышенным коэффициентом использования ветра (по сравнению с другими типами вертикальных роторов, таких как ротор Дарье, например) и характеризуется отсутствием мертвого положения лопастей. Устройство лопастей в виде двух латинских «S» снимает необходимость в установке дополнительных перпендикулярных лопастей с целью понижения момента страгивания. Заявленный КПД до 46 %.
Так же как и прочие вертикально-осевые турбины не нуждается в системе ориентирования по направлению потока. Отсутствие большого количества лопастей позволяет ротору Угринского легко развивать достаточно высокие обороты и начинать свое вращение уже при небольшом ветре.
Но не смотря на многие преимущества, ротор Угринского обладает рядом недостатков.
Основным недостатком ротора Угринского считается более высокая сложность изготовления и соблюдения необходимого профиля. К тому же, даже в таком виде по своему коэффициент использования энергии ветра, он уступает установкам с горизонтальной осью вращения, превосходя, тем не менее, по своей эффективности другие типы вертикально-осевых турбин. Также, как и любое ветроколесо требует тщательной балансировки и центровки, в противном случае возможно разрушение всей установки.
2.3 Схемы ветрогенератора
Рисунок № 10 «Схема ветрогенератора»
Глава III. Система управления моделью ветрогенератора.
3.1 Принцип работы установки
Ветрогенератор - это прибор для превращения энергии ветра в электри
ческий ток.
Принцип работы заключается в том, что потоки ветра начинают вращать лопасти и ротор, которые приводят в движение вал. далее на валу двигателя, за счет вращения, возникает механическая энергия, которая пропорциональна ветровому потоку, то есть чем больше поток ветра, а именно его скорость, тем больше вырабатывается энергии. Генератор тоже начинает вращаться, благодаря чему на выходе получаем электрическую энергию.
3.2. Элементы установки
Ротор лопастями из сотого поликарбоната
Мотор-генератор + корпус
Основание
3.3 Этапы изготовления
Изготовление деталей ротора
Изготовление шаблона лопастей
Изготовление профиля лопастей
Основание ротора
Центровка оснований ротора
Изготовления лопастей
Рисунок № 12 «Заготовки лопастей»
Сборка ротора
Рисунок № 13 «Сборка лопастей»
Сборка основания ветряка
Рисунок № 14 «Основание ветряка»
Изготовление выпрямителя
Схема выпрямителя
Установка двигателя и выпрямителя на модель ветряка
Готовый проект:
Рисунок № 16 «Готовый ветрогенератор. Вид сбоку»
Рисунок № 17 «Готовый ветрогенератор. Вид спереди»
3.4. Экспериментальная часть.
Мощность ветряной станции рассчитывается по формуле
-мощность потока воздуха
ρ- плотность воздушных масс
S-площадь ометания ротора
V-скорость ветра
Площадь ометания рассчитывается по формуле:
S=
H- высота ротора
L- длина лопасти в развертке
с учётом всего мощность ветрогенератора на валу можно рассчитать, используя формулу
ρ – плотность воздушных масс;
S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
V — скорость воздушного потока;
N – мощность потока воздуха.
Построена зависимость времени подъема груза от скорости втера.
При увеличении скорости ветра, время подъема уменьшется
3.5. Исследование благоприятных мест для размещения установок.
Наиболее эффективном будет установить ветрогенераторы на открытой местности. Для того чтобы поток ветра был максимален, следует избегать зданий, находящихся напротив ветрогенератора
3.6. Применение полученной электроэнергии.
Полученную энергию предлагается направить на освещение дома, например, при отключении электроэнергии.
Глава IV. Заключение
Выводы:
Создали функциональный ветрогенератор
Рассчитали мощность генератора без учёта потерь при передаче, мощность воздушного потока, площадь ометания ротора
Сняли основные характеристики работы построенной модели ветрогенератора.
Список литературы
1. «Ветроэнергетика» под редакцией Д. де Рензо
2. «Изобретателю о ветрогенераторах и ветроустановках» Шефтер Я.И., Рождественский И.В.