XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ветроэнергетика для дома
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последнее время все чаще говорят об использовании альтернативных источниках энергии, в качестве таких источников предлагают использовать возобновляемые. Возобновляемая энергетика - это процесс производства энергии из источников, которые возобновляются безопасным для окружающей среды способом. Различные типы возобновляемой энергии включают в себя солнечную, ветряную, гидроэнергетику, биомассу и геотермальную энергетику.
Использование возобновляемой энергии является необходимым шагом для защиты нашей планеты и обеспечения устойчивого будущего для всех ее жителей. Отказ от использования традиционных, все еще доминирующих источников энергии и переход на возобновляемые источники становится все более необходимым в свете растущих глобальных проблем и вызовов.
Одним из типов возобновляемых источников энергии является ветряная энергия - это способ генерации электроэнергии из ветра, который приводит в движение лопасти ветрогенератора. Эта энергия также является доступной и масштабной и может быть использована на открытых пространствах, таких как поля, холмы и равнины.
Применение ветрогенераторов позволяет сглаживать всплески потребления элетроэнергии в часы пикового потребления электричества, так как регулируя скорость вращения лопастей, можно регулировать количество вырабатываемой энергии. И даже можно останавливать вращение лопастей, если дополнительная энергия не нужна.
Ветряные электростанции все больше применяются для промышленного снабжения электроэнергией. С этой целью строятся целые ветровые парки с большим количеством ветрогенераторов.
Но меня заинтересовал вопрос возможности применения ветровых электростанций для снабжения электричеством частных домовладений, небольших гостиниц и т.д. Этот вопрос очень актуален в местах, где сложно провести поставку электроэнергии по проводам или такая поставка будет очень дорогой.
Цель:
Изучить достоинства и недостатки ветряной энергетики как альтернативного источника энергии.
Задачи:
1) Найти и изучить информацию по использованию ветряной энергии;
2) Изучить возможности и проблемы применения ветряных источников для обеспечения электричеством частных домовладений в нашем крае.
Устройство ветрогенератора
Лопасти находятся на вершине ветрогенератора и являются основными элементами, которые захватывают энергию ветра. Лопасти могут быть изготовлены из различных материалов, таких как углеродное волокно, алюминий или стекловолокно.
Система управления контролирует работу ветрогенератора и управляет его работой. Система управления может включать в себя различные датчики, контроллеры и другие устройства, которые обеспечивают стабильную и эффективную работу ветрогенератора.
Тормозная система необходима для торможения лопастей при сильном ветре для избежания поломки установки. Датчик ветра передает данные в блок управления, и если скорость ветра превышает 50 км/ч, вращение ротора замедляется. При 80 км/ч система полностью останавливает лопасти.
Поворотный механизм необходим, чтобы лопасти смогли “поймать” ветряной поток, так как он может проходить в разных направлениях.
Трансмиссия (коробка передач) необходима для передачи крутящего момента с лопастей, вращающихся со скоростью 15-20 об/мин, к электрическому генератору, ротор которого вращается со скоростью 1500-1800 об/мин.
Генератор преобразует энергию ветра в электрическую энергию и передает ее на выходную сторону ветрогенератора. Генераторы могут быть разных типов, но наиболее распространенными являются синхронные генераторы с постоянными магнитами.
Чтобы использовать ток, полученный с использованием ветрогенератора, его необходимо преобразовать. Для этого необходима инверторная система. Инверторная система – устройство, которое преобразует постоянный ток, производимый генератором, в переменный ток, необходимый для питания различных электрических приборов.
Чем выше башня и чем больше диаметр ротора, тем значительней используемый ветропотенциал. Однако при увеличении линейного размера ветроэнергетической установки (ВЭУ) ее мощность растет в квадратной пропорции, а вес — в кубической. Именно поэтому, борьба с избыточным весом всей конструкции — один из важнейших приоритетов. Другая серьезная задача — обеспечение устойчивости всей конструкции. ВЭУ представляет собой могучую «голову» на тонкой ножке и подвергается сильнейшему ветровому давлению, раскачивается, вибрирует, и, чтобы ветряк не разрушился и не опрокинулся, требуются сложные расчеты и нестандартные технические решения.
Промышленные ветрогенераторы
Крупные Ветровые электростанции, используемые в промышленных масштабах, имеют гигантские размеры.
Так, самый массивный ветрогенератор в мире – Enercon E-126 – имеет высоту башни 126 метров и диаметр лопастей 126 метров.
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.
Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.
Для устойчивости, и во избежание опрокидывания таких массивных конструкций, передающих вертикальные нагрузки на основание и испытывающих горизонтальные нагрузки от ветра, необходим фундамент. Обычно его делают массивным железобетонным, так как центр тяжести конструкции расположен на значительной высоте. Башня имеет округлую форму для создания обтекаемости и снижения ветровых нагрузок на нее. Внутри нее расположена лестница для доступа мастера, производящего обслуживание.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:
- Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
- Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
- Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.
- Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
- Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
- Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
- Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
- Шум и вибрация.
Применение малой ветроэнергетики
В настоящее время индивидуальные ветрогенераторы широко используются в нашей стране для выработки электричества в сельской местности. Мотивы к переходу на альтернативные источники энергоснабжения могут быть разными — от снижения текущих расходов на электроэнергию до стремления избежать огромных затрат на подключение нового здания. Причем ветрогенераторы заводят не только жители небогатых сел, вынужденные экономить на электроэнергии, но и обитатели шикарных коттеджных поселков, которым монопольные поставщики электроэнергии выставляют огромные счета. Наконец, есть места, где электричества нет, а прокладывать линии электропередач экономически невыгодно.
Какую же ветроэлектростанцию установить мне для своего дома?
Использование даже уменьшенной модели промышленных ветрогенераторов очень сложно и дорого. Такая установка окупиться не раньше чем через 20 лет.
Нет, для домашней элетростанции промышленный ветрогенератор не подходит.
Для домашнего ветрогенератора не подходит и горизонтальное расположение. Так как такая установка требует высокого расположения над землей, требует регулировки скорости вращения и малоэффективна на небольших скоростях ветра. Такие генераторы могут обеспечить потребители с суммарной мощностью 1-2 кВт. В то время как для частного дома желательно иметь генераторы мощностью 5-6 кВт.
Ветряк, имеющий вертикальную ось вращения, по эффективности не уступает своим горизонтальным аналогам. К тому же не предъявляет претензий к территориальному расположению и полноценно работает практически в любом удобном для домовладельцев месте. Также такой ветрогенератор эффективен при слабой силе ветра. Он имеет больший ресурс работы, так как опорные подшипники испытывают намного меньшую нагрузку.
Буду искать ветрогенератор с вертикальным расположением винтов.
Виды вертикальных ветрогенераторов.
Ветрогенераторы с ротором Дарье имеют вертикальную ось вращения и две или три лопасти, представляющие собой плоскую полосу. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль.
Среди достоинств ротора Дарье можно подчеркнуть:
- отсутствие системы ориентации на ветер;
- технологическую простоту изготовления лопастей;
- возможность размещения приводного оборудования на уровне земли, что значительно упрощает его техническое обслуживание.
Но среди недостатков можно выделить:
- относительно низкую эффективность работы лопастной системы, по сравнению с горизонтально-осевыми ВЭУ;
- более низкие сроки службы опорных узлов, за счет более высоких динамических нагрузок на них со стороны ротора.
Также двухлопастные ветрогенераторы с ротором Дарье при равномерном набегающем потоке не могут запускаться самостоятельно. Для их запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя или ротор Савониуса.
Ротор Ворониных-Савониуса – это, как минимум, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения. И какое бы направление ветра ни было, как бы резко он не изменял свои порывы, такой ветряк будет спокойно вращаться вокруг своей оси, вырабатывая энергию.
Решено, выбираю ротор Савониуса. Но сколько должно быть лопастей? Применение двух лопастной схемы снижает вырабатываемую мощность в два раза, так как одномоментно может работать только одна лопасть. При установке трех лопастей я буду использовать ¾ от максимальной мощности. Поэтому я решил использовать четырехлопастную схему. Использование большего количества лопастей увеличит эффективность ротора, но за счет увеличения массы всей установки, получаемое количество электроэнергии будет меньше.
Расчет мощности ветрогенератора
Согласно закону Бетца, максимальная мощность, которую можно извлечь из теоретически идеального ротора, равна
|
Рmax = |
16 |
1 |
ρ h d v3 |
|
|
27 |
2 |
где ρ - плотность воздуха, h и d - высота и диаметр ротора. v - скорость ветра.
Однако на практике необходимо учитывать КПД данного ротора. Средний КПД ветряной турбины Savonius составляет около 20%, что составляет реальную извлекаемую мощность типичного Savonius .
Учитывая все выше сказанное получаем максимальное количество извлекаемой мощности
Рmax = 0,12 h d v3
Например, ротор Savonius размером с нефтяную бочку с h=1 м и r=0,5 м при ветре v=10 м/с с использованием двух лопастей будет генерировать максимальную мощность 240 Вт при максимальной угловой скорости 20 рад / с (190 оборотов в минуту). Однако используя шкивы разного диаметра можно увеличить скорость вращения генератора, а значит и вырабатываемую мощность.
Устройство домашнего ветрогенератора
Осталось только собрать генератор и выбрать место возле дома, где будет чаще дуть ветер и шум от генератора не будет мешать соседям. А на сэкономленные деньги, полученные от меньше оплаты за электроэнергию я планирую купить себе ноутбук.
Заключение
Ветрогенераторы являются одним из наиболее перспективных способов производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии. Однако, ветрогенераторы имеют свои недостатки. Например, они могут создавать шум и вибрацию, что может негативно сказаться на окружающей среде. Кроме того, для их работы необходимо наличие ветра, что ограничивает их использование в некоторых регионах. Тем не менее, ветрогенераторы продолжают развиваться и совершенствоваться, и их применение будет только увеличиваться в будущем. В настоящее время они уже играют важную роль в производстве электроэнергии, и ожидается, что их роль будет только возрастать в ближайшие годы.
Россия пока отстает в этом вопросе. Причина такого отставания кроется в большом развитии гидроэнергетики и отсутствии должных условий для эксплуатации промышленных ветроэнергетических станций. Тем не менее, отмечается рост производства небольших установок, способных обеспечивать энергией отдельные усадьбы.
Если промышленные ветрогенераторы устанавливаются повсеместно. Даже в нашем не промышленном районе установлен парк ветрянных электростанции, состоящий из 24 ветрогенераторов.
А вот домашние ветрогенераторы в моем хуторе еще не используют. Значит я буду первооткрывателем.
Используемая литература
-
В.С.Кривцов, А.М.Олейников, А.И.Яковлев. «Неисчерпаемая энергия. Книга 1. Ветроэлектрогенераторы» Изд. Национальный аэрокосмический ун-т, Харьков, 2003 г.
-
Я.И.Шефтер, И.В.Рождественский. «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках» Изд. Минсельхоза СССР, Москва, 1967 г..
-
В.П.Харитонов. «Автономные ветроэлектрические установки» Изд. Академии сельхознаук, Москва, 2006.