II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕТРА ОТ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТРАССЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В наше время очень остро поднимается тема сохранения природных ресурсов и рационального использования энергии. Поразмышляв на эту тему с моим одноклассником, мы пришли к выводу, что поиск альтернативного источника энергии будет как никогда кстати. Тогда же нам пришла в голову мысль об использовании энергии ветра для освещения оживленных дорог города Казани.
Однако в нашей местности невысокие скорости ветра для того, чтобы ставить большие ветряные мельницы, подобно тем, что активно используются в европейских странах. И нас словно осенило: почему бы не поставить уменьшенные и немного измененные ветряные мельницы на обочинах оживленных дорог, например? Ведь на больших и оживленных дорогах всегда есть поток ветра, создаваемый автомобилями при езде.
Цель проекта – предложить вариант использование энергии ветра для освещения дорог города Казани и не только.
В рамках, обозначенной целимы решили ряд задач:
-рассмотрели способ преобразования энергии ветра в электрическую;
- изучили известные типы ветрогенераторов;
- представили схему расположения ветрогенераторов вдоль дороги
- сделали макет ветрогенератора
-Разработали чертежи возможного освещения
II Теоретическая часть
Ветрогенераторы Типы ветрогенераторовСуществует 2 основных типа ветрогенераторов: с горизонтальной осью вращения и вертикальной. Горизонтальные ветряки должны быть направлены по ветру. Для этого, в их конструкции предусмотрен так называемый "хвост".Вертикальные ветрогенераторы работают в любом направлении ветра, но требует больше наземного пространства, т.к. необходимо предусмотреть растяжки для устойчивости ветряка.
Компоненты ветроэлектростанцииОсновные компоненты типичной ветряной электростанции показаны на рисунке ниже:
Они включают в себя:
-
ротор с лопастями, которые имеют аэродинамическую форму.
-
редуктор или коробка передач, которые согласует скорость вращения между ротором и генератором. Маленькие ветряки (до 10 кВт) обычно не имеют редуктора.
-
защитный кожух, который защищает от внешних воздействий редуктор, генератор, электронику и другие компоненты ветрогенератора.
-
хвост ветряка - необходим для его поворота по ветру.
Для ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения необходима мачта (вертикальные ветряки обычно устанавливаются прямо на земле).
Мачты бывают различных видов: на растяжках (которые жестко закреплены), поворотная мачта на растяжках (может подниматься и опускаться для обслуживания и ремонта), свободно-стоящая мачта без растяжек (они тяжелые, но зато занимают не так много места на земле).
Очень важным факторов является высота мачты. Энергия ветра пропорциональна скорости ветра в третьей степени (в кубе). Т.е. если скорость ветра удвоилась, то энергия ветра возрастет в 8 раз (2х2х2=8). Скорость ветра увеличивается с высотой, т.е. увеличивая высоту мачты можно сильно увеличить энергоэффективность ветряка.
Обязательно заземлить мачту и предусмотрить молниеотвод.
Для электробезопасности необходимо использовать разъединители и автоматические выключатели. Они также обеспечат безопасный доступ к ветряку для его обслуживания и модернизации.
Также могут понадобиться другие компоненты ветроэлектростанции. Аккумуляторы- смогут накапливать излишки электроэнергии от ветряка. Но, поскольку аккумуляторы используют постоянный ток, то для преобразования его в переменный необходиминвертор.
Энергия ветра
Энергия ветра - это экологически чистая, неисчерпаемая энергия. Для преобразования энергии ветра в электрическую энергию служат ветряные электростанции (мельницы, ветрогенераторы).
Ветряные мельницы используемые для выработки электрической энергии бывают разных размеров. Большие ветрогенераторы, которые обычно используются на ветряных фермах (электростанциях), могут вырабатывать большое количество электричества - сотни мегаватт, которым можно обеспечивать сотни домов. Небольшие ветряки, которые вырабатывают не больше 100 кВт электроэнергии, используются в частных домах, фермах, подсобных хозяйствах и т.п., служат источником дополнительной электроэнергии, способствуют уменьшению оплаты за основной источник электроэнергии.Очень маленькие ветряки, мощность которых составляет 20-500 Вт, используются для подзарядки аккумуляторов и др. сферах, где не требуется большое количество электроэнергии.
Небольшие ветроэлектростанции будут экономически эффективны, если будут соблюдены следующие условия:
-
ветер в вашем месторасположении дует стабильно и много дней в году;
-
есть достаточно места для установки ветряка;
-
местными властями разрешена установка ветряков;
-
ваши затраты на электроэнергию высоки;
-
вы готовы инвестировать деньги в ветрогенератор;
Требования к ветру
Будет ли ваш ветряк экономически целесообразным - больше всего зависит от качества ветра. В большинстве случаев, среднегодовая скорость ветра в 4.0-4.5 м/с (14.4-16.2 км/ч) является тем минимумом, чтобы ветрогенератор был экономически выгоден. В анализе ветра вам помогут сайты, где представлены карты ветров России и других стран.Также, вам может помочь местная метеорологическая станция, где вы можете посмотреть архив данных по силе ветра. Но следует обратить внимание на расположение станции, т.к. различные препятствия - деревья, строения, возвышенности могут стать причиной искаженных данных о ветре.
Для более точной оценки ветра в вашей местности вам необходимо приобрести устройства измеряющие скорость ветра. Особенно это актуально, если ваша местность холмистая или имеет необычный ландшафт.
Наиболее важной деталью в приборе для измерения скорости ветра является анемометр. Он состоит из чашечной (или лопастной) вертушки укреплённой на оси, которая соединена с измерительным механизмом. Лопасти анемометра вращаются и вырабатывают сигнал, пропорциональный скорости ветра. При покупке анемометра не будет лишним приобрести устройство, записывающее показания с него, а также трипод, кронштейн и т.п., где он будет монтироваться.
Существуют более дорогие цифровые устройства для измерения скорости ветра. Там также используется анемометр, но данные поступают в компьютер, где они обрабатываются и запоминаются. В последнее время данные устройства становятся все более популярными и дешевыми.
Неважно какой измерительный инструмент вы используете для оценки скорости ветра, но хотя бы минимум один раз в год вы должны сравнивать ваши данные с другими. Также важно измерительно оборудование размещать достаточно высоко, чтобы избежать турбулентности, которая создается деревьями, строениями и другими препятствиями. Наиболее оптимальным размещением измерительного прибора является его размещение на уровне центра ротора ветрогенератора.
III Практическая часть
Для данного проекта мы использовали ветряной генератор с горизонтальной осью вращения. Горизонтальные ветряки должны быть направлены по ветру. Для этого, в их конструкции предусмотрен так называемый "хвост". Для достижения большей эффективности ветряные генераторы будут стоять на обочинах дороги, т.к. по правой полосе передвигаются большегрузы, от которых образуется наибольший поток ветра, так как. у них наибольшаяплощадь лобовой части. Нам кажется, что лучше всего расположить ветрогенераторы на высоте 50 см и на расстоянии порядка 2м друг от друга.
Схематичное расположение ветряных генераторов:
Макет ветрогенератора
Для изготовления макета были использованы: одна пластиковая тара в качестве корпуса генератора, 1 бутыль для изготовления лопастей и один деревянный стержень в качестве оси вращения.
Выводы
В работе «Эффективное использование ветра от автомобильной трассе»
мы предложили вариант использования энергии ветра для освещения дорог города Казани и не только. Нам удалось решить ряд задач:
-мы рассмотрели способ преобразования энергии ветра в электрическую;
- мы изучили известные типы ветрогенераторов;
- мы представили схему расположения ветрогенераторов вдоль дороги
- мы сделали макет ветрогенератора
-мы разработали чертеж возможного освещения.
Проделав эту работу, мы пришли к выводу, что такие ветряные генераторы электрического тока необходимы в нашей местности, т.к. средние скорости ветра невысоки, а на оживлённых дорогах практически всегда присутствуют ветряные потоки.
Литература:
http://cxem.net/greentech/greentech1.php
13