«Ветрогенератор – альтернативный источник энергии»

VI муниципальная учебно-исследовательская конференция школьников

Угличского муниципального района

Ярославской области

Исследовательская работа по дисциплине: «Физика»

тема:

«Ветрогенератор – альтернативный источник энергии»

Автор – Генералов Егор

обучающийся 10 класса

МОУ Угличский ФМЛ

Научный руководитель –

Седов Сергей Александрович,

учитель физики

МОУ Угличский ФМЛ

г. Углич

2021

Введение 3.

Глава 1. 4

1.1. Энергия ветра 4

1.2. Конструкция ветрогенератора 4

1.3. Принцип работы ветрогенератора 5

1.4. Коэффициент полезного действия 5

Глава 2..……….. 6

2.1. Зависимость напряжения генерируемого тока от скорости ветра. 6

2.2. Зависимость энергии и средней мощности ветрогенератора от времени 7

2.3. Зависимость напряжения генерируемого тока от угла между направлением ветра и плоскостью лопастей ветрогенератора 8

2.4. Исследование зависимости напряжения генерируемого тока от аэродинамических свойств лопастей ………………………………………………………………………………………………………………8

2.5. Зависимость напряжения генерируемого тока от количества лопастей………….…9

Заключение 9

Список литературы 10

Приложения 11

Введение

Электроэнергия стала жизненно необходимым ресурсом, обойтись без которого с каждым днем становится труднее. При этом существуют целые регионы, куда до сих пор не проведены линии электропередач. В основном, это труднодоступные, малонаселенные районы, Крайний Север и прочие экзотические участки страны. Электроснабжение в этих участках нерентабельно по ряду причин.

Решение проблемы найдено достаточно давно. Используются дизельные или бензиновые электростанции, обеспечивающие энергией, но неудобные из-за необходимости подвоза топлива. Также следует сказать, что запасы органического топлива, такого как нефть, природный газ, каменный уголь, резко сокращаются, а также использование их в электроэнергетики приносит огромный ущерб окружающей среде. По оценкам специалистов, при настоящем использовании угля, его хватит приблизительно на 400-500 лет, а нефти и газа около 100 лет. Ввиду этого, человечеству необходимо освоить регенеративные источники энергии. Одним из таких источников является энергия ветра, присутствующая повсеместно и ничем не ограниченная.

Проблема: возможно ли решить топливно-энергетический кризис с помощью альтернативных источников энергии

Цель работы: исследовать получение электроэнергии с помощью ветра

Объект исследования: альтернативные источники энергии

Предмет исследования: получение энергии с помощью ветрогенератора

Задачи:

1. Изучить принцип действия и устройство ветровой электростанции.

2. Выяснить, какие параметры влияют на получение энергии с помощью ветрогенератора

3. Экспериментально определить оптимальную конструкцию ветрогенератора

4. Сделать выводы о возможности использования ветрогенератора для получения энергии

Гипотеза: получение энергии с помощью ветрогенератора является альтернативной заменой традиционным способам получения энергии

Методы исследования: изучение источников по проблеме исследования, эксперимент, анализ, синтез.

Глава 1

1. Энергия ветра

Энергия ветра с древних времен по сегодняшний день рассматривается как экологически чистый регенеративный источник энергии. Ветры дуют всегда и во всех точках земного шара и это их значительное преимущество перед другими видами регенеративных источников энергии. Отсюда следует вывод, нужно "запрячь ветер в упряжку" и заставить его работать на нас.

В тропосфере, на высоте около 8-12 км от поверхности Земли, образуются мощные воздушные течения, называемые струйными. Характеристики струйных и приземных воздушных течений существенно отличаются. Диаметрально струйные течения достигают от 300 до 3000 км, а их протяженность до 1000 км. Скорость воздуха в ядре струйного течения в среднем составляет 45-55 км/ч и может достигать даже 200 км/ч. Энергетический потенциал ветра на нашей планете очень велик и по оценкам Всемирной метеорологической организации составляет 170 триллионов кВт•ч в год. Это дает возможность выработки энергии ветроустановками в количестве 1,18•10¹³кВт•ч в год, что многократно превосходит количество потребляемой энергии во всём мире.

1. Конструкция ветрогенератора

Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен.

Первый ветрогенератор был создан в 1921 году. За сто лет его конструкция претерпела множество изменений, однако в каждой типовой установке можно выделить одинаковые элементы:

• генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию ветра в электрическую;

• лопасти, которые передают вращение к валу;

• мачта ветряка, к которой крепятся лопасти;

• аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии.

• контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи.

Более подробно с конструкцией ветрогенератора вы можете, ознакомившись с Приложением №1

1. Принцип действия ветрогенератора

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. 

Сначала ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора, который заставляет вращаться ротор, образуя трехфазный переменный ток. Затем полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.

Для защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.

А для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.

В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвертора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.

1. Коэффициент полезного действия ветрогенератора

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. КПД ветрогенератора является производным от его технического состояния, вида турбины, конструктивных особенностей данной модели.

Следует отметить, что для ветрогенераторов существует свой, специфический показатель эффективности — КИЭВ (Коэффициент Использования Энергии Ветра). Он обозначает, какой процент воздушного потока, проходящего в рабочем сечении, непосредственно воздействует на лопасти ветряка. Или, если говорить более наукообразно, он демонстрирует отношение мощности, полученной на валу устройства, к мощности потока, воздействующего на ветровую поверхность рабочего колеса. Таким образом, КИЭВ является специфической характеристикой, применимым только для ветрогенераторов, аналогом КПД.

Для того, чтобы увеличить КПД ветрогенератора, надо изменить в положительную сторону его рабочие или эксплуатационные характеристики. В первую очередь, надо повысить чувствительность крыльчатки к слабым и неустойчивым ветрам. В практической части мы постараемся выяснить какие именно характеристики ветрогенератора влияют на КПД данного устройства.

Глава 2.

С помощью экспериментов мы решили проверить, какая конструкция ветрогенератора будет давать максимальную мощность. Для этого мы использовали школьное оборудование из комплекта «Horizon Energy Box. Альтернативные источники энергии», которое включало в себя ветрогенератор со сменными деталями, конденсатор и мультиметр.

Пробные испытания показали, что использование естественного ветра для наших экспериментов недопустимо. Большую часть времени сила ветра на открытой местности недостаточна для выработки даже слабой электроэнергии с помощью нашего оборудования. В те немногие замеры, когда удавалось раскрутить ветрогенератор, порывы ветра были весьма нестабильны. Это существенно сказывалось на «чистоте» эксперимента. Поэтому мы приняли решение использовать электрический вентилятор для того, чтобы раскрутить ветрогенератор.

Далее нами были проведены многочисленные эксперименты, ход которых, их результаты и сформулированные выводы представлены ниже.

2.1. Зависимость напряжения генерируемого тока от скорости ветра.

В первом опыте мы определили зависимость напряжения тока от скорости ветра. Собрав ветрогенератор, мы установили его перед вентилятором на расстоянии 1 м, а затем переключали режимы работы последнего. Примерную скорость ветра нам удалось вычислить на основе технической документации к прибору.

Представив данные таблицы в виде графика (Приложение 2), мы обнаружили, что зависимость между напряжением и скоростью ветра близка к прямой пропорциональности. Небольшие отклонения объяснимы погрешностями измерения.

2.2. Зависимость энергии и средней мощности ветрогенератора от времени

Во второй серии экспериментов мы попытались выяснить зависимость напряжения, энергии и средней мощности генерируемого тока от времени. Для этого ветрогенератор мы подключили к конденсатору с электроемкостью 15 Ф и в течении 5 минут заряжали его генерируемой энергией. Изменение напряжения конденсатора в этом процессе фиксировались каждые 60 секунд. Результаты представлены в таблице.

Для вычисления энергии конденсатора была использована формула

,

где W – энергия конденсатора

С – электроемкость конденсатора

U- напряжение конденсатора

Можно заметить, что напряжение возрастает равномерно, что приводит к росту энергии. График зависимости энергии конденсатора от времени (Приложение 3) представляет собой ветвь параболы, следовательно, перед нами пример квадратичной зависимости.

Также мы смогли вычислить среднюю мощность энергии конденсатора за указанный период.

Для вычисления мощности генерируемого тока была использована формула ,

где P-мощность конденсатора

W – энергия конденсатора

t - время зарядки

Средняя мощность заряда конденсатора за 5 минут составила 0,018 Вт. Это свидетельствует о том, что из-за небольшой конструкции производительность нашего ветрогенератора крайне мала.

2.3. Зависимость напряжения генерируемого тока от угла между направлением ветра и плоскостью лопастей ветрогенератора

В комплекте нашего оборудования мы можем фиксировать лопасти ветрогенератора в 4 положениях, представленных в Приложении 4.

В третьем опыте мы рассматривали зависимость напряжения от угла наклона лопастей. Был использован тот же ветрогенератор с лопастями типа B(Приложение 6), но изменяя угол наклона лопастей.

Можно заметить, то что максимальное напряжение мы получим при угле между направлением ветра и плоскости лопастей в 30⁰. Разница между всеми 4 измерениями оказалась достаточно велика, что приводит нас к выводу о том, что для оптимальной работы ветрогенератора он должен самостоятельно поворачиваться к ветру, то есть иметь подвижное крепление с мачтой.

2.4. Исследование зависимости напряжения генерируемого тока от аэродинамических свойств лопастей

В нашем комплекте присутствуют 3 типа лопастей, с которыми вы можете ознакомиться в Приложении 5.

Лопасти A отличаются наибольшей площадью поверхности, но наихудшей аэродинамикой. Экземпляр C имеет немного загнутые края. Все опыты проводились с 6 лопастями.

Сначала мы взяли лопасти А и выяснили, что максимальное напряжение (1,24 В) будет при угле наклона 30⁰. А если сделать ветрогенератор вертикальным, то напряжение будет равно 0,6 В. Только лопасти А будут крутиться при вертикальном положении, так как у них наибольшая площадь. (Приложение 6)

После лопастей А, мы взяли лопасти С. Лопасти будут давать большее напряжение при наклоне лопастей 0⁰ , а не при 30⁰ как был у В и А, так как лопасти С более выгнутые, чем другие лопасти поэтому угол наклона должен быть равен 0⁰, а максимальное напряжение будет равно 6 В. Следовательно, наибольший коэффициент использования энергии ветра из всех представленных экземпляров будет именно у лопастей С.

2.5. Зависимость напряжения генерируемого тока от количества лопастей

В нашем комплекте имеются 6 отверстий для лопастей, расположенных равномерно по кругу. В этой серии экспериментов мы собрали 6 различных ветрогенераторов, отличающихся друг от друга только количеством лопастей. (Приложение 7)

Данные таблицы проиллюстрированы в Приложении 8.

Наибольшее значение напряжения показал генератор с 3 лопастями, а наименьшие значения, имеющие 1 и 5 лопастей. Две последние названные модели получились крайне несбалансированными и сильно вибрировали при работе. Проблема в том, что при нашей конструкции невозможно равномерно распределить лопасти по поверхности генератора.

Заключение

В ходе исследовательской работы нам удалось описать устройство и принципы работы ветрогенератора. Мы выяснили, что величина получаемой энергии зависит от силы ветра, аэродинамических свойств конструкции и характеристик аккумулятора.

Наибольшую мощность ветрогенератор способен выработать на открытой местности, продуваемой ветрами, часто на относительно большой высоте. Он должен быть расположен горизонтально, иметь 3 лопасти, расположенные под углом 0⁰ к направлению ветра.

Наша конструкция, конечно, выдавала крайне малую мощность (0,018 Вт), но это компенсируется несколькими факторами. Во-первых, энергия ветра относится к неисчерпаемым, абсолютно бесплатным и экологически чистым ресурсам. Во-вторых, мы работали, к сожалению, только с небольшим и крайне упрощенным ветрогенератором. Скорее всего многократное увеличение размеров конструкции даст пропорциональный рост площади поверхности, силы ветра, давящей на лопасти, и получаемой энергии.

Россия считается самой богатой ветровыми ресурсами страной, но это только из-за большой площади. Средние показатели в нашей стране относительно невысокие, скорости потока слабые или средние. Это вынуждает изыскивать пути повышении эффективности. Поэтому ветровые электростанции у нас пока не так распространены, как во многих других странах.

Потребности в энергии в большинстве субъектов нашей страны удовлетворяются с помощью ГЭС и ТЭС, но имеются труднодоступные и отдаленные регионы, где строительство больших станций нерентабельно. Использование ветрогенераторов в этом случае может стать прекрасной заменой традиционным источникам энергии.

Использование энергии ветра является одним из самых перспективных направлений в современной энергетике. Наглядное сравнение: потенциал ветра более чем в 100 раз превышает потенциал всех рек Земли.

Список литературы:

1. Безруких, П. П. Ветроэнергетика / П.П. Безруких, (мл.) Безруких Безруких Грибков. - М.: Интехэнерго-Издат, Теплоэнергетик, 2014. - 304 c.

2. Безруких, П. П. Ветроэнергетика: моногр. / П.П. Безруких. - М.: Энергия, 2010. - 665 c.

3. Буянов, А. Атомная энергия / А. Буянов. - М.: Московский рабочий, 2007. - 160 c.

4. Вест, К. Источник энергии / К. Вест. - Москва: СПб. [и др.] : Питер, 2011. - 224 c.

5. Д. де Рензо Ветроэнергетика / Д. де Рензо. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 229 c.

6. Загрядцкий, Владимир Иванович; Харитонова Л. Г. К Вопросу Создания Автономного Энергосберегающего Источника Энергии / Загрядцкий Владимир Иванович; Л. Г. Харитонова. - Москва: ИЛ, 2008. - 957 c.

7. Земсков, В. И. Возобновляемые источники энергии в АПК. Учебное пособие / В.И. Земсков. - М.: Лань, 2014. - 368 c.

8. Коллинз, П. Введение в реджевскую теорию и физику высоких энергий / П. Коллинз. - М.: [не указано], 2014. - 819 c.

9. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии. - М.: МЭИ, 2009. - 144 c.

10. Рассел, Джесси Ветроэнергетика Канады / Джесси Рассел. - М.: VSD, 2013. - 358 c.

Приложения

Приложение 1.

Устройство промышленного ветрогенератора

Приложение 2

Зависимость напряжения генерируемого тока от скорости ветра

Приложение 3

Зависимость энергии конденсатора от времени

Приложение 4.

Крепление лопастей к генератору

Приложение 5

Типы лопастей комплекта

Приложение 6.

Вертикальное расположение вентилятора

Приложение 7.

Конструкция ветрогенераторов с различным количеством лопастей.

Приложение 8.

Зависимость напряжения от количества лопастей