XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ветроэнергетика. Конструирование ветрогенератора

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тукмачев А.М. 1

---

1МБОУ гимназия №1 г.Задонска

Дорофеева М.А. 1

---

1МБОУ гимназия №1 г.Задонска

Работа в формате PDF

481.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. ВВЕДЕНИЕ

Энергия – одна из важнейших составляющих жизни человека. Энергия очень разнообразна и каждый вид ее уникален и ценен для нашей жизни. Сколькоещенапланетеостаетсяглавногоресурса,благодарякоторому стала возможной современная цивилизация? По мнению большинства экспертов,мирдвижетсяккатастрофическому кризису вобластиэнергетики. Растущий дефицит традиционных энергоносителей начнет ощущаться приблизительночерез50лет.Дефицитнефтиигазаможетсоздатьоструюнехваткуи другихнеобходимыхдля жизнедеятельности человечества ресурсов. В современной энергетике существует два источника получения энергии: традиционные и возобновляемые. Запасы традиционных источников энергии исчерпаемы (нефть, каменный уголь, природный газ). Это приводит к нескольким путям решения этой проблемы: экономия существующих запасов или же переход на альтернативные источники энергии, а именно на возобновляемые. Они представляют интерес из-завыгодностиихиспользованияинепричинениявредаокружающейсреде.

Ветер, солнце, энергия рек и океанов- все эти практически неисчерпаемые природные ресурсы способны полностью заменить нам нефть, природный газ, уголь.

Актуальность.

В настоящее время все больше людей проникаются идеей энергосбережения и получения электроэнергии при помощи экологически чистых альтернативных источников в любом месте и при любых условиях. Топливно-энергетический кризис перешел с нами в 21-й век, поэтому ученные многих стран пытаются решить эту проблему разными методами. К таковым можно отнести:

• Использованиеводныхресурсов малыхрекморскихволн

• Геотермальныхводигейзеров

• Солнечной энергии

• Энергииветра

• Использованиеотходовпроизводстваибытовогомусораидр.

Из них более перспективны и доступными на настоящий момент в нашем регионе являются ветровая и солнечная энергия. В своей работе я остановлюсь на ветровой энергии.

Проблема исчерпания природных ресурсов и ухудшения экологии Земли сегодня является одной из самых актуальных. Запасы полезных ископаемых с большой скоростью сводятся к нулю, а ведь не зря говорят, что энергетика – хлеб промышленности.

Цель работы: исследовать получение электроэнергии с помощью ветра

Объект исследования: альтернативные источники энергии

Предмет исследования: создание ветрогенератора в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить понятие ветроэнергетики и историю ее развития.

2. Изучить строение, принцип действия, виды ветроэнергетики.

3. Изучить конструкцию ветрогенератора.

4. Определить достоинства и недостатки ветрогенератора.

5. Сконструировать ветрогенератор своими руками.

6. Сделать выводы о возможности использования ветрогенератора для получения энергии.

Методы исследования: изучение источников по теме исследования, конструирование модели ветрогенератора, анализ, анкетирование.

Гипотеза: получение энергии с помощью ветрогенератора является альтернативной заменой традиционным способам получения энергии.

2. ОСНОВНАЯЧАСТЬ

2.1. Теоретическая часть

2.1.1. Понятие ветроэнергетики.

Ветер – это горизонтальное перемещение потока воздуха. Из-за неодинакового нагрева воздуха над земной поверхностью возникают области высокого давления с более плотным и тяжёлым воздухом и области низкого давления с менее плотным воздухом. Однако природа всегда старается сгладить эту границу. Поэтому воздух из области высокого давления стремится в область низкого давления. Таким образом, энергия ветра – это преобразованная энергия Солнца.

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве.

Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

2.1.2. История развития ветроэнергетики

Ветер обладает большой силой. Люди с давних времен используют его. Первые ветряные мельницы для размола зерна появились в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были принесены в XIII веке в Европу крестоносцами.

Мельницы на козлах являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле. Именно с такими мельницами сражался Дон Кихот из романа Мигеля Сервантеса.

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция.

В середине 1920-х годов в России разработали ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Такая установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор.

Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров.

В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х. Основные районы ветроэнергетического потенциала – Дальний Восток, Северные районы, Западная и Восточная Сибирь.

В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, в связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы - их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить существенное количество энергии не удастся. Однако на сегодняшний день изобрели ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с, чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения.

Современная история развития ветроэнергетики.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью.

Например, доля ветроэлектростанций (ВЭС) в энергосистеме Ставропольского края достигла 9,7% от общей мощности генерации. В Самарской области планируют ввести в эксплуатацию Гражданскую ВЭС мощностью 100,1 МВт, Покровскую ВЭС мощностью 86,5 МВт и Ивановскую ВЭС мощностью 50,1 МВт. В период с 2025 по 2029 год собираются построить и ввести в эксплуатацию ВЭС суммарной установленной мощностью 372,6 МВт.

Ветроэнергетика за рубежом также активно развивается. В 2023 году в мире ввод в эксплуатацию ветроэнергетических установок (ВЭУ) составил 116 616 МВт, что на 50% больше, чем годом ранее. В пятёрку крупнейших мировых рынков новых установок в 2023 году вошли Китай, США, Бразилия, Германия и Индия.

По состоянию на конец 2023 года на Китай, США, Германию, Индию и Испанию вместе приходилось более 72% общей установленной мощности ветроэнергетики в мире, которая превысила 1020 тыс. МВт. В Дании и Ирландии зафиксирована самая высокая в Европе доля ветровой энергии в балансе электроэнергии — 56% и 36% соответственно. Ветроустановки обеспечили удовлетворение не менее 20% спроса на электроэнергию ещё в восьми европейских странах: Германии (31%), Великобритании (29%), Нидерландах (27%), Испании (27%), Швеции (26%), Португалии (26%), Литве (21%) и Греции (20%).

Крупные ветряные электростанции включают в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удаленных районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создает проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надежности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

2. 1. 3. Конструкция ветрогенератора.

Ветрогенератор -устройстводляпреобразования кинетической энергииветровогопотока вмеханическуюэнергиювращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Принципдействияветрогенератора. (рис.1)

• Ветервращаетроторслопастями.

• Валпередаетвращениенаредуктор.

• Редукторувеличиваетскоростьвращениядляработыгенератора.

• Генераторвырабатываетэлектричество.

(рис.1)

Ветрогенераторная установка помимо самого ветряка содержит еще дополнительные устройства. (рис.2)

• электронныйконтроллерслужитдляобеспеченияработыгенератораи обеспечивает правильную работу всей системы

• электронный регулятор поддерживает стабильность напряжения генератора

• аккумуляторнаябатареянакапливаетэлектроэнергиюиобеспечивает бесперебойность подачи электропитания

• инверторсоздаетнапряжениенеобходимоепотребителюэнергии

(рис.2)

Схема строения ветрогенератора (рис.3)

Рис.3

2. 1. 3. Видыветрогенераторов

1. Горизонтальный.

2. Вертикальный.

3. Ортогональныйветрогенератор.

4. ВетрогенераторнаосноверотораСавониуса.

5. ВетрогенераторнаосноверотораДарье.

6. Многолопастныеветровыегенераторы.

7. Парусныйветрогенератор.

(Рис.1-7)

2. 1. 3. Принцип действия ветрогенератора.

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальнаяось соединена свертикальным ротором. Генератори ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси. Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

2. 1. 3. Ветрогенератор: достоинства и недостатки.

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) –

устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию.

Преимущества:

• Топливо для работы не требуется

• Не снижается производительность в зимний период, в отличие от солнечных панелей, зимой производительность не уменьшается, а, скорее, растет из-за того, что скорость ветра в зимний период, как правило, выше, чем в летнее время, что является существенным преимуществом только потому, что в зимний период значительно возрастает спрос на электроэнергию

Недостатки:

• Непостоянность, заключается в том, что получить необходимое количество электроэнергии получается не всегда из-за изменчивости ветра. В некоторых частях земли энергии ветра может быть недостаточно, чтобы произвести необходимое количество электроэнергии. Ветрогенераторы более эффективны и надежны в обеспечении электроснабжения объектов в сочетании с солнечными панелями, дизель-бензо-газогенераторами, так как, к сожалению, ветер весьма непостоянное погодное явление.

• Значительные затраты: стоимость установки, которая производит 1 гигаватт мощности, около 1 миллиона долларов

• Опасность для дикой природы: лопасти турбины представляют собой потенциальную угрозу для некоторых видов живых организмов. Согласно статистике, лопасти турбины каждый год являются причиной смерти многих видов птиц. Но при разработке ветроустановок Кочубеевской электростанции предусмотрено отключение или снижение скорости вращения лопастей турбин во время массового передвижения птиц. Кроме того, ВЭС оснастили устройствами для ультразвукового отпугивания птиц, а на края лопастей нанесли отпугивающую пернатых цветовую маркировку

• Шумовое загрязнение: шум ветрогенератора может причинять неудобства животным и людям, живущих поблизости

2. 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Изучив основные принципы ветроэнергетики, мы переходим к практической части. Нашей целью будет – получение электроэнергии из ветра. Для этого построим ветрогенератор.

Я узнал, что микродвигатели от детских игрушек могут вырабатывать электроэнергию. Для этого двигатель надо вращать с большой скоростью. Из-за доступности таких моторчиков я решил использовать один из них в качестве генератора. Лопасти для ветряка были взяты от неисправного кулера, который служил обдувом блока питания компьютера.

Собираем конструкцию на мачту при помощи термоклея и саморезов. Наш ветрогенератор будет снабжать электричеством светодиодную лампочку. Для проведения опыта в помещении будем использовать фен для сушки волос.

Опыт 1. Устанавливаем конструкцию на столе. Включаем фен. Направляем поток ветра на лопасти генератора. Генератор начинает вращаться, и вырабатываемое электричество заставляет светиться лампочку (рис.4)

Вывод:благодаряэтомуопыту,яубедился,чтоизветраможнополучить электроэнергию. А также освоил изготовление простейшего ветрогенератора.

2. 3. АНКЕТИРОВАНИЕ

Я провел опрос среди своих одноклассников и задал им три вопроса:

1. Знаете ли вы, что такое ветроэнергетика?

2. Хотели бы вы иметь ветрогенератор у себя дома для получения электричества?

3. Как считаете, ветроэнергетика – будущее нашей страны?

На первый вопрос «Знаете ли вы, что такое ветроэнергетика?» положительно ответили 100% (28 одноклассников)

На второй вопрос «Хотели бы вы иметь ветрогенератор у себя дома для получения электричества?» только 20% ответили «ДА». Остальные живут в квартире и не видят возможности подвода такого вида электричества в многоквартирный дом.

На третий вопрос все ответили однозначно «ДА», заявив, что в ближайшем будущем будет переход на альтернативный источник энергии.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении данной исследовательской работы я:

• познакомилсясветроэнергетикой и историей ее развития;

• узнал,какиебываютветрогенераторы;

• Также я в домашних условиях разработал и создал действующую модель ветрогенератора;

• получилэлектроэнергиюизсамодельноговетрогенератора.

Моя гипотеза подтвердилась, получить электрическую энергию с помощью ветрогенератора можно и этот способ является альтернативной заменой традиционным способам получения энергии.

Выполняя эту работу, я подчеркнул много познавательного для себя.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. Брылева, Л. Б., Воробьева «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии», Мн.-1996-187с

2. К. Маркс, «Машины. Применение природных сил и науки», «Вопросы истории естествознания и техники», вып. 25, М., изд-во «Наука»-1968

3. Соболь Я.Г.«Ветроэнергетика в условиях рынка» (1992-1995 гг.),Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.

4. Н.А. Малышев В.М., Лятхер. Ветроэлектрические станции— М. Энергоатомиздат, 1988 — 165с.

5.Р. Ю. Сергеевна «Проектирование ветрогенераторов для городской среды г.

Томска», НИТПУ – г. Томск; 2018г.- 106 с.