Реферат на тему ветрогенератор

Обновлено: 06.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ОСТАНКИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА

Шалтаев Кирилл Николаевич,

учащийся 9 класса

Истомина Марина Васильевна,
учитель физики высшей категории,

МБОУ Останкинская СШ

Введение, актуальность, цели и задачи работы ______________________ стр. 1

Основная часть работы:

- литературный обзор___________________________________________ стр. 2

виды ветрогенераторов____________________________________ стр. 3

материалы и комплектующие для сборки ____________________ стр.5

последовательность сборки ветрогенератора _________________ стр.5

- характеристика проблемы и пути её решения:

электрическая схема ветрогенератора________________________ стр.6

принцип работы ветрогенератора____________________________ стр.6

- полученные результаты _______________________________________ стр.7

- выводы и рекомендации_______________________________________ стр. 7

3.Заключение_____________________________________________________ стр. 8

4. Список использованной литературы _______________________________ стр. 9

5. Приложение __________________________________________________ стр.10

ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Я живу в селе. Случается, что у нас отключают электроэнергию. В эти моменты жизнь как будто останавливается. Нельзя посмотреть телевизор, посидеть за компьютером. Мама жалуется, что невозможно делать дела.

Мне стало интересно, возможно ли самостоятельно изготовить альтернативный источник энергии, с помощью которого можно было бы заставить работать электрические приборы. С уроков физики мы знаем, что такие источники энергии существуют. Это природные источники, и они бесплатны.

ЦЕЛЬ ПРОЕКТА: исследование возможности получения энергии от альтернативного источника и изготовление такого источника энергии

- Выяснить, какие существуют альтернативные источники энергии.

- Создать альтернативный источник энергии своими руками.

- Проверить работу электроприборов от ветрогенератора на практике.

- Выяснить принцип его работы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Солнечная энергетика основывается на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком – либо виде. Она является экологически чистой и использует в принципе неисчерпаемый источник энергии. Но в нашей местности, где я проживаю, число солнечных дней в году не такое уж и большое. Нижегородская область входит в пятерку самых пасмурных городов в России (182 из 365), обгоняя даже Санкт – Петербург, поэтому, я думаю, это не самый оптимальный способ для решения возникшей проблемы.

Геотермальная энергетика – это направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли. Доступ к подземным тёплым водам возможен с помощью глубинного бурения скважин, также распространен этот способ в геологически активных местах. Таким образом, мне получение этого источника энергии не подходит совсем.

Биотопливо – это электроэнергия, полученная из растительного и животного сырья или промышленных отходов. Различают жидкое, твёрдое и газообразное биотопливо. Прикинув стоимость возможного приобретения сырья данного вида энергетики, я решил, что мне использование биотоплива не под силу.

Ветроэнергетика специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую или другой вид энергии, удобный для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться, например, ветрогенератором, ветряной мельницей, парусом. Территория нашего государства – это по большей части равнины, и у нас достаточно часто бывает, что дуют сильные ветра. Поэтому сделать ветровой генератор своими руками – вполне реальная задача.

Результаты исследований литературы по данному вопросу я представил в виде таблицы:

Характеристика альтернативных источников энергии:

алтернативные источники энергии

показания к применению

наличие условий для применения

выводы для использования

большое число солнечных дней

малое число солнечных дней в году

большие запасы растительного и животного сырья, промышленных отходов

отсутствие запасов растительного и животного сырья, промышленных отходов

наличие сильных воздушных потоков в атмосфере

геологически активные места;

наличие скважин для бурения

отсутствие геологически активных мест;

скважин для бурения

Окончательно проанализировав все данные, я пришёл к выводу: сделать ветрогенератор своими руками – единственно правильное решение для обеспечения деревенского дома электричеством.

Методика работы.

Виды ветрогенераторов

Для начала я решил разобраться, какая модель преобразователя ветра в электроэнергию подходит для самостоятельного изготовления.

Перед тем, как приступить к работе, надо чётко знать, какой результат ты хочешь получить, какую мощность ожидаешь получить от своей установки, и каковы погодные условия моей местности. Проанализировав эти условия, можно переходить к изучению характеристик ветряка. В зависимости от этого

различные виды ветрогенераторов выдают совершенно разные результаты своей работы.

Характеристика ветрогенераторов по различным признакам:

классификация видов по признаку

одно-двух-трёх и многолопастные

многолопастные начинают своё вращение при малейшем движении воздуха

применимы лишь для таких целей, где важен сам факт вращения, а не вырабатываемая электроэнергия

материал, из которого изготовлены лопасти

жёсткие и парусные

парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла

парусные ломаются намного чаще и можно замучиться ремонтировать их.

расположение оси вращения к поверхности земли

горизонтальные и вертикальные

с вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера

с вертикальной осью ветряки менее мощные, чем горизонтальные

шаговый признак винта

с изменяемым и фиксированным шагом.

Изменяемый шаг даёт возможность увеличить скорость вращения

конструкция сложна, увеличивает вес ветряка,

более прост и надёжен фиксированный шаг

После сравнения всех данных характеристик ветрогенераторов я пришел к выводу, что мой прибор будет таким:

лопасти жёсткие, изготовленные из ПВХ

ось вращения расположена вертикально к поверхности земли

с фиксированным шагом

Материалы и комплектующие для сборки

Роторный ветрогенератор – несложное преобразовательное устройство, которое можно сделать своими руками. Такое изделие сможет обеспечить электроэнергией небольшую квартиру. Оно позволит осветить не только жилое помещение, но и дорожки в саду.

Для самостоятельной сборки ветряного генератора мощностью до 1500 ватт нужно подготовить следующие расходные материалы и комплектующие:

-генератор автомобильный на 12 вольт;

-аккумуляторная батарея соответствующего номинального напряжения;

-пластиковая канализационная труба;

-крепёж в виде болтов, гаек и шайб;

-медные провода сечением не меньше 1,5 мм;

-преобразователь напряжения 12- 220Вт.

Естественно, нужно иметь и минимальный комплект инструмента:

-электросварка, электроболгарка, измерительная рулетка, карандаш, набор гаечных ключей и отвёрток, электродрель со свёрлами.

Последовательность сборки ветрогенератора

1.Сначала я разделил трубу с помощью электроболгарки на 2 абсолютно одинаковые части длиной 0,5м.

2.На шкив симметрично приварил болты.

3.В лопастях я просверлил электродрелью отверстия диаметром 8мм.

В большинстве случаев вращение лопастей происходит в сторону движения часовой стрелки. От угла изгиба лопастей напрямую зависит скорость вращения ветряка. Чем больше угол изгиба, тем скорость вращения лопастей ветрогенератора будет больше.

4.Генератор я закрепил на мачте с помощью болтов и присоединил проводку в соответствии со схемой. Проводка также закрепляется на мачте.

5.Для подсоединения аккумуляторной батареи я использовал проводники

с площадью поперечного сечения не менее 4 мм и длиной не более 1м.

6. Потребители подключаются проводниками с сечением 1,5 мм.

Характеристика проблемы и пути её решения

Электрическая схема ветрогенератора

После того, как я проделал все выше описанные процедуры, я проверил действие созданного мной прибора с помощью обычной электрической лампы. Прибор работает. Схематический чертёж ветрогенератора выглядит таким образом:

Принцип работы ветрогенератора

При вращении ротора создаётся переменный ток; затем идущий на аккумуляторную батарею постоянный ток для его зарядки. Затем инвертор преобразует ток в стабильно-переменный для подачи на потребители.

Принцип работы любого вида ветрогенератора следующий: вращение вызывает три вида физического воздействия на лопасти винта – импульсную силу, подъёмную и тормозящую силу. В результате действия первых двух сил приходит в движение маховик. Две силы против одной преодолевают сопротивление, и маховик раскручивается. Ротор создаёт магнитное поле на неподвижной части генератора. По проводам пойдёт электрический ток.

Использование ветроприемных устройств с горизонтальной осью вращения. Исследование схем работы ветрогенератора. Хранение ветряной энергии. Характеристика плюсов и минусов ветряных электростанций. Интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	20.11.2013
Размер файла	291,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

Кафедра теоретической и общей электроники

ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, ИНФОРМАТИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

по предмету общая энергетика

на тему: Ветряные электростанции

Выполнил: Трепенок Андрей Александрович

Научный руководитель: Лифанов Валерий Николаевич

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения

Схемы работы ветрогенератора

Хранение ветряной энергии

Плюсы и минусы ВЭС

Современная энергетика базируется в основном на ископаемых источниках: каменном угле, торфе, нефти и газе. В последние годы стали использовать радиоактивные вещества. Однако, запасы этих источников ограничены, а темпы потребления их возрастают с каждым днем. Поэтому наука должна искать такие источники энергии, которые не иссякли бы с течением времени.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Распространившаяся в 1973 г. угроза нехватки невозобновляемых источников энергии и рост зависимости от импортируемого топлива привели к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии.

Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы - технические и связанные с охраной окружающей среды. Следует также признать, что наибольшие препятствия для использования ветроэнергетических установок создает их высокая стоимость. Эти препятствия будут меньшими, если по критерию стоимости вырабатываемой энергии ветроэнергетические установки смогут конкурировать с установками, использующими другие источники энергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остается разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при периодическом обслуживании.

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.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2009 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 20 % всего электричества, в Португалии -- 16 %, в Ирландии -- 14 %, в Испании -- 13 % и в Германии -- 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых 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 создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения

ветряной электростанция энергия вращение

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветраподъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с не посредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными(быстроходность - отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей ; от одномастных устройств с контргрузами до многопластных (с числом лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших - сервосистемы.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.

Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями , сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой ход. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.

Рис. 1 - Конструкция ветрогенератора.

2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

5. Поворотный механизм

7. Электрический генератор

8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

9. Тормозная система

12. Система изменения угла атаки лопасти

13. Колпак ротора

Мощности ветрогенераторов и их размеры

Вес ротора на оси

Полный вес машинного отделения

Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия

Схемы работы ветрогенератора

Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератора. Одна из них: схема автономного обеспечения объекта с аккумуляторами изображена (Рис. 2.)

Рис. 2. - Принципиальная схема работы ветрогенератора

Возможный вариант работы схемы: Ветер раскручивает лопасти ветряка, тот в свою очередь вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же контроллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.

Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу параллельно с сетью с и без аккумуляторных батарей (рис. 3,4). Такие схемы позволяют переключатся на энергию сети в случае отсутствия ветра. В схеме на рис.3 АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот - ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети. В схеме на рис.4 общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей - в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока не разрешена в Украине и во многих других странах. Но является перспективным вариантом с точки зрения постройки распределенных электростанций (Smart Grid).

Рис. 3 - Работа ветрогенератора с аккумулятором и коммутацией с сетью

Рис. 4. - Работа ветрогенератора без аккумулятора на сеть

Достаточно сложным и дорогостоящим в схемах ветрогенераторов является инверторы. Очень часто в качестве инверторов используют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты, позволяющие из большого числа независимых источников энергии с малым уровнем постоянного напряжения (в качестве которых здесь используются аккумуляторы) получить выходное напряжение промышленной частоты, удовлетворяющие всем современным требованиям. Контроллер в каждой схеме подключения ветрогенератора выполняет различные функции и строится на основе микропроцессорной техники. Аккумуляторы являются самыми недолговечными устройствами в схемах. К сожалению, электроэнергия обладает одним очень серьезным недостатком: её сложно аккумулировать и сохранять долгое время.

Хранение ветряной энергии

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего па море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч таких установок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (северо-восток США) и “ловить” преобладающие восточные ветры. Некоторые агрегаты будут закреплены на дне мелкого моря, другие будут плавать на его поверхности. Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные на дне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубопроводу подаваться на сушу.

Плюсы и минусы ВЭС

Минусы: Но есть целый ряд минусов, которые не дали возможности историческому развитию использования данного энергоресурса. Сам по себе ветер не постоянен. Он то сильнее, то слабее. Это очень затрудняет возможность применения преобразователей его энергии. Поэтому постоянно ведутся исследования и разрабатываются новые варианты устройств, компенсирующих этот недостаток.

Ветряные электростанции - достаточно шумные конструкции, преобразование энергии сопровождается шумом присущим всем работающим механическим устройствам. По этой причине приходится строить их на некотором расстоянии от жилых построек, с учётом того, чтобы шум в жилых помещениях был не более 40 децибел. Ветряные электростанции являются источником помех для всех радио и телеприборов. С этим недостатком просто приходится мириться, как смирились в Западной Европе, где количество ветряных электростанций уже превысило 26000.

И ветряные электростанции наносят существенный вред летящим птицам. Поэтому прежде, чем устанавливать подобное устройство, следует проследить, чтобы оно не стояло на путях гнездования и миграции пернатых.

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.

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.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии , так как она является следствием деятельности солнца . Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт . В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 16 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

История использования энергии ветра

Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.

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.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Воздушные потоки у поверхности земли/моря являются ламинарными — нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.

E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, масса гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения. В 2009 году турбины класса 1,5 — 2,5 МВт занимали 82 % в мировой ветроэнегетике.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции . Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года . Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.

Статистика по использованию энергии ветра

В 2010 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 196,6 ГВт. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов. В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44% установленных ветроэлектростанций, в Азии - 31%, в Северной Америке - 22%.

В то же время, по данным European Wind Energy Association, суммарная вырабатываемая мощность ветряной энергии в России за 2010 год составила 9 МВт, что приблизительно соответствует показателям Вьетнама (31 МВт), Уругвая (30,5 МВт), Ямайки (29,7 МВт), Гваделупы (20,5 МВт), Колумбии (20 МВт), Гайаны (13,5 МВт) и Кубы (11,7 МВт).

В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % от всей произведённой в Германии электроэнергии . В 2009 году 19,3 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра. В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.

Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии. 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны

Читайте также: