VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Совершенствование ветряного генератора
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Не раз в школе нам рассказывали о влиянии человека на окружающий мир. В XXI веке человечество истощает природные ресурсы, загрязняет окружающую среду, губит целые виды животных. писал: «Задолго до промышленной революции человек стал причиной гибели большинства видов животных и растений. Мы – самый смертоносный вид в анналах биологии» [6]. Но и после свершившихся трех научно-технических революций человечество продолжает разрушать свой дом – Землю. В середине нашего XXI века футурологи предсказывают IV-ую научно-техническую революцию (НТР), которая качественно изменит нашу жизнью. Чтобы это произошло в условиях когда экология, потребность в больших источниках энергии, нестабильнсть экономики влияет на жизнь человечества необходимо сейчас принимать неотложные меры по предотвращению экологического кризиса, решению глобальных проблем в условиях взаимосвязанного мира. Технологии будущего ученые очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии. Ветры дуют повсюду на земле. Ветры и иный мощные потоки воздуха (сквозняки, воздушная волна от проходящих скоростных поездов и т.п.) дующие на просторах нашей страны, могли бы стать источником энергии для населения отдаленных населенных пунктов.
Целью моей работы является разработать идею ветряного генератора с улученными экологическими показателями для обеспечения локальных нужд в электроэнергии.
Задачи:
изучить литературу по теме;
изучить и различать различные виды ветрогенераторов;
разработать идею ветряного генератора с улученными экологическими показателями;
создать модель, демонстрирующую работоспособность идеи;
создать макет, демонстрирующий размещение модели ветрогенератора в привязке к местности.
1. Коротко о ветрогенераторах (на основе изучения литературы по теме)
1.Типы ветрогенераторов
Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом (рис. 5-7):
с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);
с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.
Р азработаны также устройства для преобразования энергии ветра в электроэнергию без применения движущихся частей. К ним относится, например, устройство, в котором для выработки электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта Томсона применяется процесс охлаждения в ветровом потоке.
2.Компоненты ветроустановки
К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:
Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.
Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.
Список дополнительных необходимых компонентов:
Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей.
Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей.
Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.
3.Экологические аспекты ветроэнергетики
Выбросы в атмосферу
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота .
Шум
Шум, производимый "ветряками", может причинять беспокойство, как животным, так и людям, живущим вблизи. Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки).
Метод непосредственных измерений уровня шума не дает информации о громкости ветроустановки, поскольку нет эффективных методов отделения шума ветроустановки от шума ветра. В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень громкости достаточно большой ветроустановки может превышать 100 дБ. Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов - 300 м.
Низкочастотные вибрации
Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
Обледенение лопастей
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.
Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.
Визуальное воздействие
Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.
Использование земли
Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На 99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход.
Но со временем вибрация и шум нарушают привычные условия жизни живых организмов в почве. Могут уйти насекомые, мелкие грызуны и т.п.
Радиопомехи
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.
Вред, наносимый животным и птицам
Такое мнение обусловлено случаем, который произошел на ветряной комплексе Altamont Pass Wind Resource Area (Калифорния), который построили именно на маршруте миграции птиц. Кроме того, в 4800 небольших ветряков, установленных в США еще в начале 1980-х годов, роторы расположены низко и близко друг к другу, что тоже может быть причиной ежегодной гибели более 1000 птиц. Более современные ветроэлектростанции являются причиной гибели меньшего количества пернатых, вероятно потому, что их генераторы расположены выше и дальше друг от друга. Согласно данным последних исследований, птицы чаще гибнут при столкновении с автомобилями и зданиями, чем под лезвиями ветрогенераторов.
Использование водных ресурсов
Ветряки в море.
4.Хорошо, да недёшево
Ветроэлектростанции в 2–4 раза менее продуктивны, чем электростанции традиционных типов, и для получения такого же количества электроэнергии их надо построить в 2–4 раза больше. Это дополнительные площади и материалы, а значит, больший экологический ущерб (в чём бы он ни заключался) в пересчёте на киловатт произведённой электроэнергии.
По информации Российской ассоциации ветроиндустрии (РАВИ), металлоёмкость современного ветрогенератора мощностью 3 МВт достигает 350 тонн. Если ТЭС в 1 ГВт требует площади порядка нескольких гектаров, то под ветропарк такой же мощности приходится отводить уже тысячи гектаров.
Стоимость строительства ветроэлектростанции порядка 1500–2000 долларов на 1 кВт установленной мощности, что сопоставимо с затратами на строительство АЭС и в несколько раз выше инвестиционных затрат на строительство ТЭС. Агрегаты высокой мощности — с большой высотой мачты и большим диаметром лопастей, работающие в условиях сильных ветров и морозов, нуждаются в повышенной надёжности, а значит, требуют дополнительных затрат на строительство и обслуживание.
Себестоимость 1 кВт электроэнергии, производимой на ветроэлектростанции, тоже в реальности не равна нулю. Европейский опыт показывает, что суммарные эксплуатационные издержки 0,6–1 евроцент на 1 кВт·ч, а для машин со сроком эксплуатации выше 10 лет издержки возрастают до 1,5–2 евроцента на 1 кВт·ч. Соответственно это 24–40 и 60–80 копеек на 1 кВт·ч. Для сравнения, затраты на выработку 1 кВт·ч на ГЭС и АЭС — порядка нескольких копеек, на ТЭС — при нынешнем уровне цен на углеводороды — около 1 руб./кВт·ч.
Так что о «возобновляемости» тех или иных источников энергии приходится говорить с большой долей условности. Ведь на создание энергетических объектов, использующих эти источники, приходится тратить невозобновляемые материалы (в частности, металлы), добыча и обработка которых далеко не всегда экологически безупречны.
Разработка идеи ветряного генератора с улученными экологическими показателями
5.Направления совершенствования
Ветроэнергетика построена на двух элементах: источнике энергии (ветер) и приемнике энергии (ветроустановка). Исходя из данных изученной литературной основы изобретатели занимались совершенствованием приемника энергии, а источник энергии (ветер) воспринимался ими как данное природой и не поддающееся управлению.
Во многом именно такой подход привел к проявлению большинства недостатков, присущих современной ветроэнергетике.
Но в технической системе, состоящей из двух элементов оба составляющих элемента одинаково значимы. Только управление всеми элементами системы «ветер – установка» позволит получить высокую эффективность ее работы.
Совершенствуя приемник энергии, человек откинул идею управления воздушным потоком прочь за ненадобностью. А зря! В настоящее время практически все ветроустановки работают на одном принципе: снятия энергии со свободно набегающего воздушного потока.
А если попробовать разработать приемник воздушного потока, позволяющий повысить эффективность работы за счет управления параметрами «источника энергии».
З а основу возьмём ветроустановку башенного типа. Она будет состоять из следующих основных элементов: аппарата сбора энергии, генератора, аппарата концентрации энергии и системы управления.
Аппарат сбора энергии выполнен в виде вертикального цилиндра (его роль будет исполнять пластиковая бутыль), блока конфузных каналов соединяющих внешнюю поверхность цилиндра с его внутренним вертикальным каналом. Задача каналов - «захватить» набегающий воздушный поток, развернуть его вверх вдоль вертикальной оси установки, разогнав поток и направить на лопасти генератора.
Генератор с лопастями размещен внутри аппарата концентрации энергии. Генератор преобразует кинетическую энергию воздушного потока в электрическую энергию.
Система управления (на рисунке не показана) обеспечивает своевременное открытие конфузорных каналов башни со стороны набегания внешнего воздушного потока и закрытие всех остальных конфузорных каналов.
Чем принципиально отличается башенная конструкция от ветроустановок, преобразующих энергию свободно набегающего воздушного потока?
1. Она позволяет управлять энергией воздушного потока, путем ее концентрации на лопастях генератора.
2. Отпадает необходимость в настройке лопастей ротора генератора «на ветер». Генератор стационарно установлен в верхней части установки. Ветер сам «настраивается» на генератор благодаря конструкции аппарата сбора энергии.
3. Значительно повышается мощность воздушного потока, приходящая на лопасти ротора генератора. Конструкция аппарата концентрации энергии позволяет повышать скорость воздушного потока во внутреннем вертикальном канале установки и соответственно, повышать его мощность.
3. Создание модели, демонстрирующую работоспособность идеи и макета демонстрирующий размещение модели ветрогенератора в привязке к местности.
С целью демонстрации работоспособности идеи мною создан прототип ветроустановки.
В оздушный поток, набегающий в направлении решетки (для имитации воздушного потока применялся бытовой фен), разворачивается и разгоняется за счет уменьшения площади отверстия, образованного между ребрами, и направляется прямо на лопасти ветрогенератора генератора.
Лопасти вращаются, ветрогенератор работает, светодиод горит.
Но кроме разработки идеи самого ветрогенератора необходимо продумать как и где он может быть полезен для обеспечения локальных нужд в электроэнергии. Для достижения дополнительного положительного экологического эффекта предлагаю рассмотреть возможность использования таких установок:
в доль железнодорожного полотна с достаточно интенсивным движением поездов, передвигающихся на высоких скоростях с целью обеспечения электроэнергией небольших узловых станций, отдаленных переездов и т.п. Для демонстрации как может быть реализовано данное предложение создан макет, демонстрирующий размещение модели ветрогенератора в привязке к местности.
на плавучих станциях малой и средней мощности с целью обеспечения электроэнергией отдаленных прибрежных населенных пунктов, а также как резервный источник питания электроэнергией на побережье при аварийных ситуациях.
Заключение
Всё новое – это хорошо забытое старое и, поэтому, человечество вновь обращает свои взоры на энергию ветра.
Работа по данному проекту была очень интересной и познавательной. Я:
изучила и могу различать различные виды ветрогенераторов,
была разработана идея ветряного генератора с улученными экологическими показателями,
была создана модель, демонстрирующая работоспособность идеи и создан макет, демонстрирующий размещение модели ветрогенератора в привязке к местности.
В настоящее время мировое сообщество ежегодно потребляет большое количество электроэнергии, и при этом остро стоят проблемы загрязнения окружающей среды, изменение климата, связанное с жизнедеятельностью человека, резкое снижение сырьевых запасов полезных ископаемых.
Применение ветрогенераторов частично позволит решить эти проблемы.
С вой проект я демонстрировала в школе на конкурсе проектов. В будущем я планирую продолжить работу над выбранной темой.
Используемая литература:
Валерий Чумаков Токи ветров (рус.) // Вокруг света : журнал. — 2008. — Август (№ 8 (2815)).
Ветростанция в высотном здании // «Популярная механика»
Алексеев Б.А. Международная конференция по ветроэнергетике /Электрические станции. 1996. №2.
Безруких П.П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики /Энергия: Экон., техн., экол. 1995. №8.
Соболь Я.Г. "Ветроэнергетика" в условиях рынка (1992-1995 гг.) /Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.
Юваль Харари «Sapiens. Краткая история человечества»/СИНДБАД, Москва, 2018 г.
Сайт http://www.altengen.ru Малая и альтернативная энергетика
Сайт myelectro.com.ua