Расчет ветрогенераторной установки реферат

Обновлено: 05.07.2024

Сегодня актуальна проблема исчерпаемости природных ресурсов и ухудшение экологии Земли. Технологии будущего учёные очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии.

Вложение	Размер
vetrogenerator-alteranativnyy_istochnik_energii.docx	717.29 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 6 г.Бикина

Бикинского муниципального района Хабаровского края

ВЕТРОГЕНЕРАТОР-АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Молчанова А.Ю., учитель физики

Постоянно и повсюду на земле дуют ветры- от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику и на Дальнем Востоке. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется?

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии, таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Размышляя над тем, какой источник энергии выбрать нам для создания агрегата, вырабатывающего электроэнергию, мы пришли к выводу, что это будет ветер.

И так, темой нашего проекта является разработка идеи использования возобновляемых источников энергии в такой важнейшей сфере, как жизнеобеспечение населения электроэнергией. Сфера обеспечения бытовых потребностей населения энергией является главнейшей, и в отличие от потребностей промышленности требует немедленного удовлетворения. Актуальность проекта связана с ожидаемым исчерпанием традиционных источников углеводородного сырья, которые сегодня используются как основные первичные источники энергии. В частности, ветер является практически неисчерпаемым источником, и потому может служить реальной основой устойчивого развития человечества.

Можно ли создать эффективно действующую модель ветрогенераторной установки?

Целью проекта является предложение конкретной схемы изготовления ветрогенератора для обеспечения локальных нужд населения в электроэнергии.

Энергия – её источники и потребители

Новый источник энергии - Ветер

1) изучить литературу по теме;

2) произвести расчёт бытового потребления электричества;

3) изучить и различать возобновляемые источники энергии от невозобновляемых;

4) создать модель ветрогенератора.

Модель ветрогенератора будет способна вырабатывать напряжение, которое можно будет использовать в бытовых нуждах.

Были проведены практические научно-исследовательские работы по изучению работы с целью 1) первоначального практического овладения основными научно-техническими принципами, положенными в основу проекта; 2) использования полученных численных экспериментальных значений для коррекции расчетов по проектно-технической реализации; 3) составления технической блок-схемы проекта ветрогенераторной системы.

Была изготовлена с помощью преподавателя основная модель ветрогенератора, с диаметром лопастей 0,38м и широкие лопасти из жести. С помощью этого измеренного поля скоростей было выяснено, что самодельный ветряк с тремя лопастями начинает крутится при средней скорости около 4 м/с. Таким образом был сделан вывод что для того, чтобы ветряк начинал крутится, начиная с малой скорости ветра, необходимо, чтобы у него была довольно большая площадь лопастей. Этого можно добиться не только делая широкие лопасти, но и увеличивая их количество. Широкие лопасти с точки зрения надежности менее выгодны, так как большие массы на концах лопастей создают возможность их разрыва при больших скоростях. Сняты показания напряжения, силы тока, угловая скорость.

С учетом всей проведенной работы в части технологической реализации и научно-исследовательских экспериментов технической части была разработана общая схема ветрогенераторной установки.

Завершение исследования и обоснования – февраль 2013 г.

Завершение создания модели - март 2013 г.

В результате работы над проектом была выработана оптимальная по нашему мнению схема ветрогенераторной установки на основе многолопастных, а не трехлопастных ветряков, какие применяются обычно сегодня в Западной Европе.

Серьезным практическим результатом нашей работы был расчет средней установочной мощности ветрогенераторной системы. Это число составляет 0,34 Вт.

Приборы, материалы и оборудование, необходимое для создания модели.

Форма представления результатов

Модель ветрогенератора.
Постер.
Текстовая презентация и ее иллюстративное обеспечение.

История создания ветрогенератора

В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой -получение электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания. В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки- привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" ("Фрам" [фр. frum вперед] - исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики ) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.

Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию.

Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не потеряла до сих пор своей актуальности.

Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

Принцип действия ветрогенератора

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Различают крыльчатые и карусельные ветродвигатели.
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется.

генератор;
батарейка пальчиковая 1,5 В;
вольтметр;
переключатель;
лампа накаливания 1,5 В.
провода.

Необходимый инструмент: гаечные ключи, дрель со сверлами, отвертка, пассатижи и т.п.

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. Лопасти можно делать различной формы. Мы сделали несколько вариантов для того, чтобы сравнить, какой вариант будет вырабатывать больше электроэнергии.

В результате фаворитом стал третий вид лопастей. Максимальное напряжение, вырабатываемое генератором, достигло 1,5 В.

Соединив генератор, лопасти и мачту ветрогенератора мы получили ветрогенераторную установку.

Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им можно получить стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание объекта идёт от аккумуляторных батарей.

Эксперимент с ветрогенератором

Цифровой датчик напряжения дал нам возможность измерить напряжение в цепи и посмотреть как оно изменяется по мере увеличения числа оборотов лопастей ветрогенератора.

Цифровой датчик угловой скорости (числа оборотов) измерил число оборотов за 1 времени. За 1 секунду совершается 25 оборотов лопастями

Цифровой датчик тока позволил нам определить значение тока в цепи 0.225 мА.

4. В цепь нами был подключен переключатель и лампочка на 1, 5 В. Переключатель работает в 3 режимах: Выключено - Генератор - Генератор+ батарейка. Лампа служит индикатором наличия тока в цепи и положительным результатом опыта.

Преимущества и недостатки

Эффективный способ резервирования энергии на случай кратковременных отключений.
Бесшумный, экологически чистый, безопасный.
Не требует топлива и регулярных ТО.
Быстрый монтаж/демонтаж без заливки бетонного фундамента.
Небольшие размеры оборудования позволяют перевозить его в большом легковом автомобиле или микроавтобусе.
Подходит для садового домика или бытовки с низкой потребностью в энергии.

Шум
Зависимость от скорости ветра
Необходимость большой свободной площади

В результате проведенной нами работы мы пришли к выводу, что внедрение ветрогенератора с точки зрения альтернативной энергии оправдано. С помощью созданной нами мини-модели ветрогенератора смогли добиться, что наш генератор вырабатывает напряжение 1,5В и мощность нашей станции 0,34Вт. Эти значения малы для применения в быту, но не стоит забывать, что параметры нашей модели можно увеличить. В частности, можно увеличить диаметр ротора, площадь лопастей, материал из которого сделаны лопасти, установить ветрогенератор на высокую мачту, чтобы поток воздуха и его скорость были больше, тем самым увеличить мощность установки.

ВВЕДЕНИЕ
Энергия ветра уже тысячелетиями используется для помола зерна, перекачивания воды и других работ, заменяющих мускульнуюсилу. Главной задачей ветроэнергетики на современном этапе является обеспечение энергией удаленных потребителей.
Именно вопрос энергоснабжения разрозненных сельскохозяйственных потребителей наиболее актуально стоит в большинстве регионов России, территории которых имеют природные ресурсы, возможность развития инфраструктуры и создания производства.
Ветроэнергетика – отрасль энергетики, связанная сразработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Энергия ветра (кинетическая энергия ветрового потока) является формой солнечной энергии: образование ветра является следствием деятельности солнца.
Использование энергии ветра не требует сжигания углеводородного топлива (ветер практически неисчерпаем), не приводит к выбросам углекислогогаза, не связано с появлением радиоактивных отходов, сохраняющих свою опасность сотни тысяч лет. Экологи считают ветроэнергетику одной из важнейших отраслей для борьбы с выбросами парниковых газов и изменением климата.
Однако имеется ряд недостатков, к которым относятся:
непостоянная и нерегулируемая выработка электроэнергии;
более высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению страдиционными тепловыми электростанциями;
необходимость развития сетевой инфраструктуры;
шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.
Проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций успешно разрешаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерамуменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.
На сегодняшний день ветроэнергетика является одним из самых востребованных способов использования альтернативных источников энергии. Однако несмотря на благоприятные природные условия ибольшую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор практически нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков.
Данная работа будет посвящена частичному расчету прибрежной электростанции, обеспечивающей основную подачу электроэнергии для поселка.

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Для выбранного региона рассчитать и выбратьветроэнергетическую установку(ВЭУ), обеспечивающую основную подачу электроэнергии с необходимым качеством, напряжением 220 и 380 В и частотой 50 Гц для коттеджного поселка.
Ветроустановка будет рассчитана для села Нори, расположенного на берегу реки Надым, недалеко от места впадения реки в Обскую губу. Село входит в Надымский район Ямало-Ненецкого автономного округа, координаты: 66°09'02''с.ш. 72°25'24'' в.д.Численность постоянного населения по состоянию на 1 января 2013 года составила 361 человек (50 домов). В селе есть больница, школа, детский сад, дом культуры, отделение связи и действующая полярная станция.
Таблица №1. Суточное потребление электрической энергии на дом:
Потребитель
Кол-во, шт.
Мощность, кВт
Время работы, ч
Суточное потребление, кВт.ч
Электрическая.

Введение в инженерную деятельность

1. История использования ветровой энергии 5

2. Современные методы преобразования энергии ветра в электроэнергию 7

3. Ветроэнергетика в России и в мире 11

4 Перспективы, достоинства и недостатки ветроэнергетики 13

Список используемых источников 17

Современное развивающееся общество требует всё больше и больше электроэнергии, так как она определяет темпы роста уровня жизни. В этой связи перед энергетиками постоянно существуют две глобальные задачи: обеспечение роста выработки электроэнергии при одновременном поиске способов её экономии в части потребления.

Наряду с использованием традиционных видов электроэнергетики таких как гидроэнергетика, теплоэнергетика, энергия атома, всё чаще стали говорить об альтернативных источниках производства электроэнергии. Таких как энергия солнца, энергия ветра, энергия приливов и отливов, энергия морской волны. Само собой, что в случае, когда для достижения значительной мощности выработки электроэнергии не существует пока технологий для создания достаточно мощных солнечных панелей или приливных гидрогенераторов, то и говорить о соперничестве с теплоэнергетикой или традиционной гидроэнергетикой эти, сравнительно молодые, направления энергетики на данный момент не могут. Однако, с ветроэнергетикой ситуация несколько иная.

Одним из способов выработки электроэнергии является преобразование кинетической энергии воздуха (ветра) в электрическую, механическую и другие виды энергии. Механическая энергия используется в ветряных мельницах, парусах кораблей и т.п.

Электрическая же энергия, получаемая ветрогенераторами является универсальным типом энергоносителя и в связи с уже значительной распространённостью технологий, используется практически во всех аспектах жизнедеятельности человека.

Ветроэнергетика является одной из старейших видов мировой энергетики. Исторически, разве что теплоэнергетику можно считать более древней, так как энергию костра согревающего первобытных людей, человечество научилось использовать раньше, чем энергию ветра в парусах кораблей и лопастях ветряных мельниц.

Энергия ветра относится к возобновляемым видам энергии, так как связана и в настоящий момент ветроэнергетика переживает стадию бурного развития в связи с ростом цен на традиционные энергоносители (нефть и газ), а, так же, в связи с увеличением электрической мощности серийно производимых ветрогенераторов и привлекательностью их с точки зрения окупаемости.

Данные обстоятельства демонстрируют постоянно повышающийся интерес к ветроэнергетике по всему миру и делают настоящую работу актуальной с точки зрения общих знаний о состоянии ветроэнергетики.

Рис.1. Примеры использования ветровой энергии: небольшая мельница со станиной, ветряные мельницы и современный ветрогенератор

1. История использования ветровой энергии

Далее, развитие мельниц получило в Европе, после того как из переносных и небольших они превратились в шатровые тем самым решив их проблему переворачивания при сильном ветре.

В XVI веке в Европе появляются первые водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо, Лондон, Париж и другие купные центры развития цивилизации брали на вооружение тогда ещё новые технологии по перекачке воды. В Нидерландах ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами, ав засушливых районах – орошали земли способствую развитию земледелия. Отвоёванные у природы непригодные для земледелия площади начинали возделываться[7].

Эра использования ветра в создании электроэнергии началась в ХIХ веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая в мире ветроэлектростанция , а в начале ХХ века насчитывалось уже 72 электростанции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие станции к тому времени имели высоту более 20 метров и роторы с четырьмя лопастями диаметр которых достигал 23 метра.

Прообраз современной ветроэлектростанции, какими мы их представляем сейчас, первым появился в Ялте в 1931 году и имел башню высотой 30 метров, установленную мощность 100 кВт. На момент начала Великой Отечественной Войны единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт в мире. В период 1940-х по 1970-е годы развитие ветроэнергетики почти приостановилось в связи с бурным развитием распределительных электросетей и освоением энергии горных рек, нефти и газа.

Новой эрой развития ветроэнергетики стали 80-е годы ХХ века, когда в штате Калифорния были введены налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.

2. Современные методы преобразования энергии ветра в электроэнергию

Рис.2. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Рис.3. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Мощность генератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора и высоты над поверхностью земли. Например, турбины фирмы Vestas (Дания) при электрической мощности в 3 МВт имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров при диаметре лопастей в 90 метров.

Современный ветрогенератор начинает производить электроэнергию при силе ветра от 3м/с и отключается в целях безопасности при силе ветра более 25 м/с. Оптимальной скоростью для работы ветрогенератора является ветер со скоростью около 15м/с. При этом мощность генератора максимальна.

Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра. Т.е. при увеличении скорости ветра в 2 раза (с 5 до 10 м/с), мощность увеличивается в 8 раз [4].

Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малым ветровым потоком признана конструкция роторного ветрогенератора с вертикальной или горизонтальной осями вращения, так как скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. При таком ветрорежиме самой эффективной является вертикальная ветроустановка.

При этом, такой вид ветрогенератора имеет ещё несколько важных преимуществ: практически бесшумны, не требуют обслуживания при сроках эксплуатации до 20 лет. Пи современных разработках систем торможения, ветрогенератор гарантирует стабильную работу даже при периодических порывах ветра до 60 м/с[5].

С точки зрения выгодности установки ветрогенераторов, самыми перспективными зонами выработки электроэнергии из энергии ветра являются прибрежные зоны. Но при этом, стоимость сооружения в связи со сложностью прибрежного рельефа увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с установкой ра равнинной местности.

Как правило, генерирующие компании специализирующиеся на производстве использовании ветрогенераторов объединяют десятки мощных ветрогенераторов в так называемые ветропарки, получая в сумме выработку в сотни мегаватт, что при минимальных затратах на обслуживание уже может составить реальную конкуренцию электростанциям с классическими видами энергоносителей.

3. Ветроэнергетика в России и в мире

В настоящее время экономический потенциал применения ветроэнергетики эквивалентен примерно трети производимой электроэнергии всеми электростанциями нашей страны.

По данным Российской ассоциации ветроиндустрии, использование в нашей стране ветропарков эффективнее всего в районах Чёрного и Азовского морей, в акваториях рек Кама, Волга и Дон, и на северном побережье страны от Кольского полуострова до Камчатки. Из перечисленных регионов активней всего идёт использование ветроэнергии в настоящее время в южной части страны [1].

Ежегодно развитие ветроэнергетики заставляет производителей электроэнергии совершенствовать выпускаемые и разрабатывать новые типы гидрогенераторов. Конечно же одним из самых важных критериев при этом является установленная мощность ветрогенератора. От года к году этот показатель постоянно растёт.

К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта и, таким образом, превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики (однако на практике использованная в среднем за год мощность ветрогенераторов в несколько раз ниже установленной мощности, в то время как АЭС почти всегда работает в режиме установленной мощности). В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераватт-часов (3 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2015 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 42 % всего электричества; 2014 год в Португалии — 27 %; в Никарагуа — 21 %; в Испании — 20 %; Ирландии — 19 %; в Германии — 8 %; в ЕС в целом — 7,5 % [3] . В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. По итогам 2015 года в ветроэнергетике занято более 1 000 000 человек во всем мире [4] (в том числе 500 000 в Китае и 138 000 в Германии).

4. Перспективы, достоинства и недостатки ветроэнергетики

Запасы ветровой энергии превышают запасы энергии всех рек планеты более чем в 100 раз. Китай, Япония, Индия и Евросоюз одним из приоритетных направлений в ветроэнергетике считаю т энергию ветра и по установленным планам развития в этих странах к 2020-2030 годам планируется достигнуть показателей, при которых мощности ветровых парков и электростанций на традиционных энергоносителях станут соизмеримы и будут достигать 1,5-2,5 ГВт.

Как и любая промышленная технология, ветроэнергетика имеет свои достоинства и недостатки.

К достоинствам, прежде всего, относятся снижение выбросов углекислого газа в целом при выработки электроэнергии на планете так как ветрогенератор не сжигает органическое топливо. Так же не присутствует в технологическом цикле использование воды, что так же является положительным фактором. Третьим, но немаловажным положительным фактором является минимальное использование земли так как ветрогенератор практически не занимает места и при достаточных высотах установки позволяет использовать землю вокруг опорной башни под другие виды деятельности, например как сельхозугодия, пастбища и т.п.

Не обошлось тут и без недостатков.

Прежде всего, это климат. Ветрогенераторы при массовом их использовании изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс тем самым несколько замедляя скорость ветра в определённой местности и теоретически влияя на влажность. Так же, есть опасность снижения ветров при продувании ими промышленных центров (повышается вероятность образования смога в промышленных районах или центрах густонаселённых городов с плотной застройкой и большим количеством автотранспорта). Пока в данной области только начинают разворачиваться исследования по влиянию ветрогенераторов и поэтому в настоящий момент нельзя дать точную оценку негативности влияния на климат.

Ещё одним негативным фактором при использовании энергии ветра является шум (от работы механических и электрических компонентов, который в современных моделях практически сведён на нет). Ветрогенераторы производят механический шум и аэродинамический (при взаимодействии лопастей ветроустановки с ветровым потоком. При этом при прохождении лопасти мимо несущей колонны, звук от неё отражаясь усиливается). В некоторых странах Европы (Дания, Германия, Англия и т.д.) приняты на законодательном уровне ограничения по шуму для ветровых установок различные для дневного и ночного времени. Так же, регламентируются минимальные расстояния установки ветрогенераторов от человеческого жилья и населённых пунктов. Теми же законами учтено влияние низкочастотных вибраций, имеющихся у мощных ветроустановок, которые передаются по земле на расстояниях до 100-150 метров [1].

Дополнительно, можно сказать об обледенении лопастей при высокой влажности и снижении температур окружающего воздуха. При пуске ветрогенератора под действием механических сил, осколки льда могут разлетаться на расстояния более 100 метров, хотя при наличии небольшого обледенения имелись случаи улучшения аэродинамических характеристик лопастей.

Так же, субъективным фактором воздействия ветрогенератора является визуальная составляющая. Для её снижения привлекаются ландшафтные архитекторы, хотя исследования на тему отрицательного визуального влияния пока проводятся в редких случаях и в виде социологических опросов.

Нельзя не упомянуть о негативном воздействии на фауну. Ежегодно отмечаются случаи гибели птиц при столкновении с лопастями ветрогенератора. В связи с постоянным ростом числа ветроустановок, статистика в цифрах весьма противоречива и поэтому здесь не приводится.

Сделаем только одно уточнение, что летучие мыши, живущие вблизи ветроустановки страдают больше чем птицы в силу отличий строения лёгких у одних и других при создании ветрогенераторами областей с пониженным давлением при интенсивном вращении.

И в заключении обзора недостатков, необходимо упомянуть проблему создания ветрогенераторами электропомех. Это вызвано наличием металлических деталей в лопастях ветроустановки и приводит к искажениям либо ослаблению радиосигналов. В отдельных случаях в качестве средства борьбы с данным эффектом устанавливались дополнительные ретрансляторов радиосигналов.

Ветроэнергетика, как отдельная отрасль уже сформировалась и доказала свою состоятельность в мировой энергетике иногда являясь безальтернативным вариантом для локального электроснабжения удалённых от стационарных электросетей потребителей.

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина — при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора, и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Решению этих вопросов и посвящена статья. Теоретическая часть материала дополнена наглядными примерами и практичными рекомендациями по сборке ветрогенераторной установки.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V 3 /2,

p – плотность воздушных масс;
S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
V — скорость воздушного потока;
N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

крыльчатые — вращение в горизонтальной плоскости;
ротор Савониуса, ротор Дарье — вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
L – размер длины описываемой лопастями окружности;
W – скорость (частота) вращения винта;
V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Число лопастей	Степень быстроходности	Скорость ветра м/с
2	5	330

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α,

Дополнительная информация о выборе формы и количества лопастей, а также инструкция по их изготовлению приведена в этой статье.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Параметр	Значения
Напряжение, В	24
Мощность, Вт	250-300
Частота вращения, об/мин.	200-250
Крутящий момент, Нм	25

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Контроллер - компактное, но крайне полезное электронное устройство, отвечающее за рациональное распределение полученного ветряком заряда. Проще говоря, это балластный регулятор

Контроллер отключает подачу заряда в аккумуляторы при превышении допустимого напряжения и перенаправляет энергию прямо на потребителя. В качестве потребителя может использоваться прибор, без проблем переносящий изменения в питании

В случае падения заряда в аккумуляторных батареях именно контроллер переключает подачу энергии "на запас". Он необходим для предотвращения полного разряда и превышения заряда аккумуляторов

Если энергию для объекта вырабатывают солнечные батареи и ветрогенераторы сообща, балансировать поставку заряда может один, общий для всех установок контроллер

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

увеличивает вес ветряка, то есть, требует лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг. 3.2 Расчет ветрогенератора При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти в нескольких сечениях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правильную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующего ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов, рассматривает лопасть как совокупность отдельных элементов.

Рассчитаем мощность ветряного потока по формуле:,(3.1)

где V - скорость ветра, м/с; ρ - плотность воздуха, кг/м3; S - площадь воздействия воздушного потока, м2.

В связи с технологическими особенностями большинства ветрогенераторов расчет мощности производится по более точной формуле:

где ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина; R - радиус ротора, м; V - скорость воздушного потока, м/с; ρ - плотность воздуха, кг/м3; ηр - КПД редуктора, %; ηг - КПД генератора, %.

Для примера расчета примем следующие значения:

В итоге, согласно формуле (3.2), получаем следующее значение:

Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии произведенной ветрогенератором возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кмнетическая энергия выработанная ротором увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность ветрогенератора.

Для выбора места установки ветрогенератора наиболее подойдет участок с минимальным количеством преград для ветра (большие деревья, постройки) на расстоянии не менее 25-30 м. Высота ветровой электростанции должна быть не менее 3-5 м высоты ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут холмы или горные хребты с открытым ландшафтом.

В результате можно сделать выводы о том, что энергия ветра является неисчерпаемым источником энергии, а значит, ее можно использовать в сколь угодно количествах. Преобразователями энергии ветра в электроэнергию чаще всего являются ветрогенераторы или ветряки. Установка и выбор параметров ветряка, а также скорость ветра являются важными факторами количества производимой энергии.

В курсовом проекте приведены примеры расчета количества энергии при выбранных исходных параметрах ветряка и средней скорости ветра.

Читайте также: