Скрытые возможности ветрогенератора

XV Всероссийская научная конференция молодых исследователей

«Шаг в будущее»

Скрытые возможности

ветрогенератора

Автор: Момот Кирилл

МОУ лицей № 2, 9 А класс
Руководитель: Зеленкевич С.В.

МОУ лицей № 2, учитель физики

Мурманск

2007 год

Содержание:

1. Введение. 3

Ход исследования 5

Глава 1 Альтернативные источники энергии. 5

1.1 Возможность использования энергии ветра. 5

2.2 Элементы ветроэнергетической установки 6

2.3 Пьезоэлектрический эффект. Использование в технике. 8

3. Выводы. 10

Литература: 11

1. Введение.

Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Homo Sapiens прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов - угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнее обсуждаются вопросы использования новых нетрадиционных, альтернативных видов энергии.

Почему же наблюдается тенденция к освоению альтернативных видов энергии, при том, что в последние годы в шельфовых зонах морей открыты огромные запасы нефти и газа? Есть четыре ответа на этот вопрос:

непрерывный рост промышленности, как основного потребителя энергетической отрасли;
необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями;
экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов;
проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО₂), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.

Поэтому люди все чаще обращаются к нетрадиционным источникам энергии. К видам альтернативной энергии относят энергию Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Преобразование в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Актуальность выбранной темы определяется тем, что в настоящее время 70% территории России не имеют централизованного энергоснабжения. Это обусловлено, прежде всего, тем, что довольно часто расстояние между двумя населёнными пунктами составляет сотни и даже тысячи километров, а 1км ЛЭП стоит около 1000$. Поэтому во многом ситуацию можно исправить лишь автономными ветроэнергетическими станциями.

В нашем городе уже прецедент использования альтернативных источников энергии – это ветрогенератор у отеля «Огни Мурманска» и автора заинтересовала проблема повышения КПД ветрогенератора за счет выявления его скрытых резервов. Поэтому проект был назван «Скрытые возможности ветрогенератора».

Объектом исследования стала модель ветрогенератора.

В качестве рабочей гипотезы было выдвинуто следующее предположение: ветрогенератор, как и любой технический объект имеет скрытые резервы для совершенствования, выявить которые можно путем анализа физических процессов происходящих в ходе его работы, чтобы реализовать полученные результаты практически будет необходимо применить соответствующий физический эффект.

Методы исследования – изучение литературы по данной теме, моделирование физических процессов, анализ результатов, эксперимент, обобщение материала в виде реферативной работы.

Цель работы: провести исследование физических процессов происходящих в процессе работы ветрогенератора, для выявления скрытых резервов его совершенствования.

Задачи.

Провести анализ литературы по проблеме.
Определить на модели основные характеристики ветрогенератора.
Выявить перспективные направления для совершенствования ветрогенератора на основе известных физических эффектов.
Провести практическую апробацию полученных в ходе исследования решений.

Ход исследования

Глава 1 Альтернативные источники энергии.

1.1 Возможность использования энергии ветра.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение.

Первый ветрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году. В России в начале 20 века Н.Е. Жуковским была разработана теория ветряного двигателя, которую его ученики расширили и довели до практического использования.

В первой половине столетия ветроэнергетика стремительно развивается во всем мире. С 1929 по 1936 года в СССР разрабатываются установки мощностью 1000 кВт и 10000 кВт. Эти установки планировались для работы на сеть. В 1933 году в Крыму устанавливается ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром колеса 30 м. Развитие этого направления достигло своего пика, когда в 1957 году была изготовлена ветряная турбина мощностью 200 кВт. Но вскоре их вытеснили мегаватные станции, работающие на традиционном топливе.

Рис.1 Пионеры ветроэнергетики 1940 – 1950 г.г.

В течение Второй Мировой войны датская машиностроительная компания F.L.Smidt построила двух- и трехлопастные ветряные турбины. Эти машины генерировали постоянный ток.

Трехлопастной аппарат с острова Бодо, построенный в 1942 году, был частью ветро-дизельной системы, которая обеспечивала электроснабжение острова.

рис.2 Большая Калифорнийская ветровая атака

Более тысячи ветротурбин было поставлено в Palm Springs (Калифорния) в начале восьмидесятых.

Энергетический кризис 70 - х годов положил начало созданию небольших ветрогенераторов для домашнего хозяйства.

2.2 Элементы ветроэнергетической установки

Автономная ветроэнергетическая установка конструктивно состоит из ветроголовки, установленной на мачте, зарядного устройства, аккумуляторной станции, инвертора (преобразователя тока). Ветроэлектростанции могут использоваться как самостоятельно, так и в составе смешанных систем: ветро-солнечных (рис.3) или ветро-дизельных. Ветроголовка состоит из ветрогенератора, лопастей, суппорта и хвоста. Ветрогенератор – устройство, которое преобразует механическую энергию ветра в электрическую. Ветрогенератор в сборе с лопастями образует ветроколесо. Суппорт прикрепляет ветроколесо к мачте и обеспечивает его вращение вокруг вертикальной оси. Хвост выполняет роль флюгера и обеспечивает ориентацию ветроколеса по ветру. Зарядное устройство – преобразует переменный ток, вырабатываемый ветрогенератором, в постоянный, пригодный для зарядки аккумуляторных батарей. Процесс зарядки аккумуляторной станции начинается чуть позже того, как ветроколесо начинает вращаться. Величина зарядного тока определяется скоростью ветра. Аккумуляторная станция – состоит из аккумуляторных батарей, накапливает электроэнергию в период сильных ветров и отдает ее в нагрузку при дефиците мощности ветрогенератора. Инвертор (преобразователь тока) – применяется для преобразования постоянного тока, вырабатываемого аккумуляторной станцией, в переменный ток, пригодный для питания потребителей.

Нельзя извлечь всю энергию ветра, т.к. часть потока будет проходить сквозь ветроколесо между лопастями беспрепятственно.

P=Cp ^. S ^. r ^. V ^3. n_r ^. n_м/2

где: P – мощность ветротурбины (Вт);

r – плотность воздуха (кг/м³);

S – площадь обдува ветротурбины, находящаяся под действием ветра (м²);

V – скорость ветра (м/с);
Cp – коэффициент использования (0.6 –теоретически возможный максимум);

n_г – КПД генератора (0.7-0.8, у генератора на постоянных магнитах может быть и больше);

n_м – КПД коробки передач (если она применяется) и подшипников (до 0.95).

Формула мощности свободного потока воздуха:

P=S ^. r ^. V ^3/2

где: P – мощность воздушного потока (Вт);

r – плотность воздуха (около 1.225 кг/м³ на уровне моря, выше – плотность уменьшается);
S – площадь ветроколеса, находящаяся под действием ветра (м²);

V – скорость ветра (м/с).

Как видно из формулы, выходная мощность ветрового потока увеличивается пропорционально третьей степени (кубу) скорости ветра. Если скорость ветра возрастает в два раза (например, с 5м/с до 10м/с), то энергия ветрового потока возрастает в 8 раз. Результатом данного кубического соотношения является наличие очень небольшого количества энергии на малых скоростях ветра.

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер – это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра – скорость и направление – меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока.

Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин. Поэтому автор работы решил исследовать какие еще энергетические возможности скрыты в ветрогенераторе.

Как было установлено в ходе проведенного исследования, лопасти ветряка под действием ветровой нагрузки подвергаются сложному изгибу. Данный факт был зарегистрирован при помощи индикатора часового типа, при подвергании макета ветряка нагрузке создаваемой потоком воздуха из пылесоса (см. табл.1)

Таблица 1. Результаты измерения деформаций лопастей

Скорость воздушного потока, м/с	Величина прогиба лопастей, мм
2	0,005
4	0,01
16	0,35

У автора возникла идея использовать деформацию лопастей в качестве источника дополнительной энергии. Осталось только подобрать соответствующий физический эффект. Проведя поиск по литературным источникам, автор пришел к выводу, что искомым эффектом может быть пьезоэлектрический эффект.

2.3 Пьезоэлектрический эффект. Использование в технике.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков.

Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титаните бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука.
Пьезоэлектрики - это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла.

Пьезоэлектрический эффект существует в целом ряде полупроводников - CdS,

Zn0, GaAs, InSb, Те и др. Большинство опытов, в особенности на первом этапе, было проведено на CdS - этот полупроводник является довольно сильным пьезоэлектриком и в то же время фотопроводником (т. е. изменяет свою проводимость при освещении). Поэтому в нем, как уже говорилось, легко можно отделять электронные эффекты.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Почему бы не найти еще один способ применения пьезоэлектрического эффекта, основанный на превращении энергии деформации лопастей под действием ветра в электрическую энергию. Электрическая энергия с пьезоэлектрических элементов через коллектор снимается при помощи щеток. Это позволит получать дополнительно некоторое количество энергии. В ходе проведенного исследования были получены следующие результаты

Модель ветрогенератора без пьезоэлемента		Модель ветрогенератора с пьезоэлементом
16 м/с	Скорость воздушного потока	16 м\с
0,35 мм	Изгиб лопастей	0,30 мм
10 мВ	Вырабатываемое напряжение	10 мВ + 0,6 мВ

Проведенные эксперименты подтвердили, факт наличия скрытых резервов у ветрогенератора. Использование пьезоэлектрического эффекта увеличивает количество вырабатываемой энергии на 8%. Если учитывать, что площадь лопастей оклеенных пьезоэлектриком составляет 50% от возможных, это говорит о значительных резервах скрытых в упругих деформациях лопастей, которые можно получить через использование пьезоэлектрического эффекта.

3. Выводы.

В результате проведенного исследования было установлено, что у ветрогенратора есть скрытые резервы, которые можно использовать в качестве источника дополнительной энергии. Одним из таких резервов является использование пьезоэлектрических пластин расположенных на лопастях ветрогенератора и вырабатывающих дополнительное электричество за счет упругой деформации. Выявленный скрытый резерв ветрогенератора подтвердил предположение о том, что любой технический объект имеет скрытые резервы для совершенствования.

Литература:

«Занимательные опыты по физике»
Л.С. Енохович «Справочник по физике и технике» М. «Просвещение» 1989г. (с. 50 – 140)
Г.И. Атабеков и др. « Теоретические основы электротехники. т.2» М. «Энергия» 1979 г
К.М. Поливанов «Теоретические основы электротехники т.3» М. «Энергия» 1975г.
Б.М. Яворский «Справочник по физике и технике» М. «Наука» 1989г (с. 257 – 290)
http://www.stroimsamolet.ru/
http://www.rosinmn.ru
http://www.eao.ru/