IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование энергии ветра
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Экологическая обстановка – самая актуальная проблема 21 века. В современном мире человечество нуждается в электрической энергии каждый день. На её выработку тратится много средств. Те предприятия, которые могут вырабатывать дешёвую электроэнергию, наносят большой вред экологии. Этот вред потом отражается на окружающей среде. А те предприятия, которые вырабатывают более экологически чистую электроэнергию, как, к примеру, гидроэлектростанции, требуют больших затрат. Истощение месторождений нефти, угля и газа может привести к глобальной энергетической катастрофе. Ведь традиционные источники энергии иссекаемы. А ветер, Солнце, реки, океаны и моря обладают неисчерпаемыми запасами энергии. Доступна в неограниченных количествах и биомасса, и вторсырье. Устройства, с помощью которых можно получать энергию из неисчерпаемых или возобновляемых природных ресурсов, снижают зависимость от традиционного сырья. Повсеместный переход на альтернативную энергетику может эту зависимость полностью исключить.
Актуальность: Возобновляемые источники энергии не выделяют парниковых газов в процессах выработки энергии, что делает их наиболее эффективным решением для предотвращения деградации окружающей среды. У альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где дуют сильные ветра, солнечные – где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции – на крупных реках. Вторая проблема – нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью. В тоже время выработка энергии тепло или атомной электростанции постоянна и легко регулируется. Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные и не дают большой выгоды, то в рамках экологичности они могут быть весьма привлекательными.
Цель:
Раскрыть выгоды использования альтернативных источников энергии.
Задачи: 1.Изучение литературы и Интернет-ресурсов по теме.
2. Изучить альтернативные источники энергии и устройства, которые преобразуют их энергию, понять принцип их работы.
3. Ознакомиться с техническими аспектами использования возобновляемых источников энергии и то, как эти источники связаны с процессами Земли.
Использование энергии ветра для выработки электричества
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.
Ветрогенератор — это устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. (Рис.1). Обычно горизонтально вращающийся вал приводит в движение коробку передач, которая в свою очередь приводит электрический генератор. Размер лопастей составляет от нескольких метров до 65 метров в диаметре. Они вращаются с постоянной скоростью 15-50 об/мин, хотя некоторые машины имеют переменную скорость. Благодаря коробке передач, генератор может работать при достаточно высоких скоростях. Чтобы предотвратить повреждение оборудования, при наличии шторма, почти все турбины оснащают тормозной системой, для автоматической остановки.
Ветрогенераторы можно разделить на два вида: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными электрическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) – полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС – высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8м/с.
Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. Ветрообильные районы — это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережья Северного Ледовитого океана и Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они малоосвоенные, и поэтому создание ветроустановок, ветропарков представляет там сложности. Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью.
В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане существенной экономии затрат на производство тепла и, в какой-то мере, снижения потребляемой электроэнергии от электросети. Но задача автономного снабжения чего-либо от энергии ветра очень сложна. Ветряк должен быть диаметром порядка 20м. Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.
Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ — коэффициент использование энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60-80% (в среднем 40-45%). У любительских ветряков — порядка 35%.
В таблице представлена мощность ветроустановки в зависимости от диаметра и скорости ветра.
|
Диаметр винта, м |
Характеристики |
Скорость ветра, м/с |
|||||||
|
1 |
2 |
5 |
7 |
9 |
10 |
12 |
15 |
||
|
1 |
мощность (кВт) при КИЭВ 35% |
0,02 |
0,06 |
0,13 |
0,18 |
0,31 |
0,6 |
||
|
скорость пропеллера, об/мин |
459 |
803 |
1032 |
1146 |
1376 |
1720 |
|||
|
5 |
мощность (кВт) при КИЭВ 35% |
0,04 |
0,55 |
1,52 |
3,23 |
4,43 |
7,66 |
15 |
|
|
скорость пропеллера, об/мин |
46 |
115 |
161 |
206 |
229 |
275 |
344 |
||
|
10 |
мощность (кВт) при КИЭВ 35% |
0,02 |
0,14 |
2,22 |
6,08 |
12,9 |
17,7 |
30,6 |
59,8 |
|
скорость пропеллера, об/мин |
11 |
23 |
57 |
80 |
103 |
115 |
138 |
172 |
|
|
15 |
мощность (кВт) при КИЭВ 35% |
0,04 |
0,32 |
4,99 |
13,7 |
29,1 |
39,9 |
68,9 |
135 |
|
скорость пропеллера, об/мин |
8 |
15 |
38 |
54 |
69 |
76 |
92 |
115 |
|
Начальная скорость вращения лопастей ветрогенератора равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, - 9-12 м/с. Мощность зависит только от скорости ветра и диаметра винта.
В специальной литературе имеется множество формул для расчета мощности ветроустановок. С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формулам:
N= p*S*V3/2
где p – плотность воздушных масс;
S – Общая обдуваемая площадь лопастей винта;
V – Скорость воздушного потока;
N – Мощность.
N=D2V3/7000 кВт,
Где D – диаметр винта в метрах;
V – Скорость ветра в м/с;
N – Мощность.
Мощность потока пропорциональна кубу скорости, т.е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 8 раз. Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т.е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличивается в 4 раза.
Однако, механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо.
Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой χ. Величина χ зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов. Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, χ = от 0,42 до 0,46. Это означает, что лопасти таких двигателей могут превращать в механическую работу, 42–46% энергии. Максимальное значение коэффициента у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,6.
Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.
Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распространение. Они делятся на две группы: быстроходные (с числом лопастей до 4) и тихоходные (имеющие то 4 до 24 лопастей). Чем меньше число лопастей, тем при равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов. Быстроходность является одним из преимуществ, так как делает более простой передачу мощности к электрическому генератору. Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные. Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых характеристиках в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветродвигателей. Следовательно, тихоходное ветроколесо будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветрогенератора увеличивается.
Лопастные ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил. Характеристики лопастей позволяют им максимально использовать силу ветра. Одна поверхность закруглена, вторая относительно плоская. Пролетая над закругленной стороной, ветер ускоряется, создавая карман низкого давления, который засасывает лопасть в сторону, благодаря подъемной силе. Эта сила приводит лопасти в движение, которые поворачивают ось. Она соединяется с ротором, внутри генератора. Магниты, закрепленные вокруг ротора, переворачивают статор, состоящий из медной катушки. Несмотря на небольшие размеры, они очень мощные. Вращаясь внутри статора, магниты создают движущееся магнитное поле, и, подчиняясь законам электромагнетизма, электроны в катушках так же приходят в движение. Движение этих электронов, создает переменный ток. Он легко производится и распространяется, но не аккумулируется в батареях. Поэтому его нужно преобразовать в постоянный ток. Эту работу выполняет электронная цепь внутри турбины.
Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели. Первые два имеют вертикальную ось вращения, а последний тип — горизонтальную. В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тех, движение которых совпадает с направлением ветра. Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми. Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей возникает за счет разности давлений на лопастях. Ввиду малой эффективности и громоздкости карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.
Техническое обслуживание малых ветрогенераторов.
Датчик перегрузки должен регулярно обслуживаться.
Инвертор должен обслуживаться на регулярной основе, чтобы он мог выдержать большие изменения напряжения. Поскольку оно будет меняться в широком диапазоне в цикле зарядки/разрядки аккумулятора.
Держать батареи в хорошем состоянии. Например, никель-кадмиевые батареи должны быть полностью разряжены.
Преимущества ветровой энергетики:
Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем.
В процессе работы ветряной электростанции полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.
Ветряная станция не использует воду для своей работы.
Применение ветрогенераторов особенно оправдано для изолированных территорий, куда обычными способами электроэнергию не доставить, и автономное обеспечение для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.
Техническое обслуживание в процессе эксплуатации минимально.
Гибридные системы
Ветряно-гибридная система — это термин, используемый для описания ветряной турбины, которая используется для производства энергии в сочетании со вторым типом генератора, таким как дизельный генератор или второй источник возобновляемой энергии. (Рис.2).
Второй генератор дополняет электроэнергию в периоды спокойной погоды или обслуживания турбины
Заключение
Анализ приведенных в работе материалов позволяет сделать следующие вывод: ветер — весьма многообещающий источник энергии, который легко можно преобразовать.
Список литературы
Германович, В. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы / Германович, В., Турилин, А. - СПБ.: Наука и Техника, 2014.- 16-20 с.
Голицын М. В. Альтернативные энергоносители / М. В. Голицын, А. М. Голицын, Н. В. Пронина; Отв. ред. Г. С. Голицын. – М.: Наука, 2004. – 159 с.
Агеев В. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. – Режим доступа: http://docme.ru/doc/1762808/ageev-v.a.---netradicionnye-i-vozobnovlyaemye-istochniki-e-n...
Вертинский Н. В. Энергия океана. – М.: Наука, 1987, 149 с., ил.
Гущ. Ю. В. Волновая энергетика – перспективный сектор возобновляемых источников энергии [Текст] / Гущ. Ю.В. // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2016. - №2. – С. 30-44.
Умаров Г. Я.Солнечная энергетика / Г. Я. Умаров, А. А. Ершов // М.: Знание, 1974. - 63 с.
https://www.need.org/files/curriculum/guides/EnergyfromtheSunStudentGuide.pdf
http://www.darvill.clara.net/altenerg/wave.htm
https://www.eia.gov/kids/energy.php?page=solar_home-basics
https://ru.wikipedia.org
Приложения
рис.1
рис.2
11