Загрузка...Ветроэнергетическая установка ‘парусно-флюгерного типа’ с вертикальной осью вращения
Ветроэнергетическая установка «парусно-флюгерного типа» с вертикальной осью вращения
Введение
ветроустановка энергия парусный флюгерный
К работе над данным проектом нас подтолкнули нельзя сказать, чтобы частые, но довольно неприятные отключения электроэнергии. Так как отключения случались в основном из-за сильного ветра, мы решили именно его использовать в качестве источника энергии.
В своей модели мы решили использовать не сложный в изготовлении пропеллер, а жесткий лист, который в рабочем цикле движется перпендикулярно направлению ветра, а в холостой цикл возвращается в исходное положение, имея минимальное сопротивление ветру.
Актуальность работы: запасы не возобновляемых сырьевых ресурсов — нефти, газа и угля — будут исчерпаны. Чем активнее мы их используем, тем меньше их остается и тем дороже они нам обходятся. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля на Земле хватит лет на 400-500, а нефти и газа — максимум на столетие. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива уродуют планету, и год от года ухудшают ее экологию. Задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их еще называют, нетрадиционных, источников энергии сейчас как никогда актуальна. Среди них лишь энергия Солнца и ветра поистине неисчерпаема и не вносит практически никаких изменений в природу.
Цель проекта
Разработка и создание действующей модели альтернативного источника электроэнергии, исследование его работы.
Задачи проекта
Создать действующую модель ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения.
Провести исследования и определить возможности использования ветроустановок этого типа как источника электроэнергии.
Обобщить теоретический и экспериментальный материал с определением его возможного использования
Краткое описание хода работы
.изготовление модели ветроэнергетической установки с модулями двух типов (схема модулей прилагается);
2.исследование технических характеристик каждого модуля (измерение момента силы при разных углах, частоты вращения при одинаковой силе ветра и нагрузке, измерении силы тока и напряжения, вычисление КПД);
.выбрать лучший вариант и рассчитать зависимость его мощности от скорости ветра и площади паруса-флюгера;
4.Обобщение теоретического и экспериментального материала с определением его практического применения.
1. История развития ветроэнергетики
Механическая энергия, полученная в результате вращения лопастей ветроколеса, на первом этапе использовалась для помола зерна, подачи воды, осушения заболоченных мест, распиловки древесины и т.д. Следы использования ветряных мельниц, найденных в Египте, относятся к IV ст. до н.э. Обнаружены следы использования ВЭУ в Китае, Иране. Этот период относится к X ст. н.э. Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт.
И, наконец, к 1990 г. на побережье Северного моря, между Голландией и Данией, использовалось уже сто тысяч ветряков, которые выполняли различную механическую работу. Энергия ветра нашла применение и на другом континенте. Так, в США в 20-е гг. нашего века насчитывалось около 6 млн ветроустановок.
Развитие ветроэнергетики в СССР началось в 30-е гг. В 1931 г. был организован Центральный ветроэнергетический институт. Исследовательские работы проводились и в других институтах. Налаживалось их Производство. Так, только на Херсонском заводе выпуск ВЭУ мощностью 11 и 75 кВт составлял 2000 штук в год. В том же 1931 г. в Крыму была построена самая крупная в то время ВЭУ мощностью 100 кВт, которая работала до 1942 г. В 1935 г. была разработана ВЭУ мощностью 1000 кВт. Производство ветроустановок набирало силу, и в 1956 г. их выпуск достиг 9000 штук. Однако вскоре их Производство было прекращено. В стране набирала силу «гигантомания».
В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.
За рубежом нетрадиционная энергетика начала всерьез развиваться после нефтяного кризиса середины 1970-х годов. И хотя на первых порах ветроэнергетические станции (ВЭС) не давали прибыли, отрасль развивалась. Сегодня мировая ветроэнергетика вышла на Прибыль и существует без каких-либо дотаций, но в условиях активного госрегулирования.
Ветроэнергетика как сектор энергетики присутствует в более чем 50 странах мира. страны с наибольшей установленной мощностью: Германия (18 428 МВт), Испания (10 027 МВт), США (9 149 МВт), Индия (4 430 МВт) и Дания (3 122 МВт). Ряд других стран, включая Италию, Великобританию, Нидерланды, Китай, Японию и Португалию, перешли отметку в 1 000 МВт.
Анализ мирового развития ветроэнергетики показал, что за последние 5 лет мощность ветроэнергетических станций (ВЭС) в мире возросла в 5 раз и достигла уровня около 35,0 миллионов киловатт. За последние 10 лет в результате принятых политических решений и значительных капитальных вложений в исследования и организацию производства в ряде стран (Дания, США, Германия, Голландия, Великобритания и др.) создана целая отрасль ветроэнергетики. Сегодня эта отрасль обеспечивает выработку электроэнергии при себестоимости 4-5 центов/кВт-ч.
Дания к 2030 году планирует довести этот показатель до 50%. Если посмотреть европейский «разрез» по установленной мощности ветровых энергоустановок, то видно, что лидирующее положение в Европе занимает Германия (18 млн. кВт), затем Испания (около 10 млн. кВт), Дания и Голландия, где имеются мощности свыше одного миллиона киловатт.
До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС, но сегодня эта тенденция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году зарегистрирован рекордный уровень роста.
Белорусская энергетическая программа основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей автономного обеспечения. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки.
. Перспективы и проблемы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии
Общие сведения
Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. таким образом, используемая энергия ветра является преобразованной в механическую энергией Солнца.
Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками.
При правильной организации использования ветроэнергетики такой дешевый и неиссякаемый источник энергии, как ветер, может удовлетворить большую часть потребностей в любой отрасли народного хозяйства. Установки, преобразующие энергию ветра в электрическую, тепловую и механическую, могут обеспечить:
автономное энергоснабжение различных локальных объектов (оросительные системы, механизмы животноводческих ферм, вентиляцию, устройства микроклимата и т.п.);
горячее водоснабжение, отопление, энергообеспечение холодильных агрегатов;
подъем воды для садовых участков, на пастбищах и т.п.;
откачку воды из систем вертикального и горизонтального дренажа и прочих систем.
По сравнению с другими видами источников энергии ветроэнергетические установки имеют следующие преимущества:
отсутствие затрат на добычу и транспортировку топлива;
снижение более чем в 10 раз трудозатрат на сооружение ветроэнергетической установки по сравнению со строительством тепловых или атомных станций;
широкий технологический диапазон прямого использования энергии ветроустановок (автономность или совместная работа с централизованными сетями, совместимость с другими источниками возобновляемой энергетики и т.п.);
минимальные сроки ввода мощностей в эксплуатацию;
улучшение экологической обстановки за счет снижения уровня загрязнения окружающей среды.
Мы выбрали ВЭУ с вертикальным валом ротора, который жестко связан с вертикально установленными крыльями как минимум по три в каждом ярусе. Такая установка может быть модернизирована путем размещения по вертикали нескольких ярусов, в каждом ярусе можно разместить одну турбину внутри другой, которые вращаются в разные стороны.
В такой схеме привлекает:
полная независимость аэродинамических режимов работы всех лопастей, расположенных на разной высоте;
прямая жесткая связь вала установки с ротором электрогенератора, расположенного внизу, практически на земле;
возможность наращивать суммарную мощность ВЭУ за счет установки дополнительных ярусов ветродвижителей и дополнительных генераторов на одной оси.
возможность компактного размещения ВЭУ на местности и близко к потребителю.
3. Действующая модель парусно-флюгерной ветроустановки с вертикальной осью вращения
Теория
В начале своих «научных изысканий» мы провели поиск в Интернете «ветроэнергетических установок» и не нашли ничего похожего на проект нашей ветроэнергетической установки:
Рис. 1. Типы ветряных колес
Приводим также описание их характеристик: Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам — геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.
Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна — вертикально-осевой.
Ветроколесо с горизонтальной осью, использующее подъемную силу (двух— или трехлопастное ветроколесо), показано на рис. 1 (а, б, в, г).
Ветроустановки, использующие силу лобового сопротивления, состоят из укрепленных вертикально оси лопастей различной конфигурации (рис. 1 е, ж, з, и, к).
На рис. 1, д представлено ветроколесо, использующее эффект Магнуса (эффект возникновения подъемной силы, перпендикулярной направлению ветра, при вращении цилиндра или конуса).
Но после того как мы определились с названием нашей ВЭУ «Парусно-флюгерного типа» и набрали в поисковике соответствующую фразу то нашли достаточное количество подобных установок. Наверное, первой из них является «Карусельный ветродвигатель Нухова».
после этого мы решили в нашей установке расположить ось поворота паруса-флюгера вертикально, и это помогло нам значительно упростить и следовательно удешевить конструкцию
В литературе мы нашли разные подходы к определению мощности ветроустановки:
.(По теории Н. Жуковского) Воздушный поток, проходя перпендикулярно через лопасти ветроколеса, вызывает его вращение, производя механическую энергию. Если объем протекающего за 1 с воздуха V = Fv, то мощность ВЭУ может быть получена из выражения:
N = 1/2ρv3S [Вт],
где S — площадь ветроколеса, v и ρ — скорость и плотность воздуха соответственно. однако не вся, а лишь часть энергии ветра может быть преобразована в механическую энергию. Эта величина оценивается коэффициентом использования энергии ζ, который определяется как отношение энергии, преобразованной в механическую, к полной энергии потока. Теоретическое конструкциях составляет примерно 0,45 — 0,48.
Механическая энергия может быть преобразована в электрическую с коэффициентом полезного действия η, учитывающего потери в системе преобразования. Тогда окончательно мощность ВЭУ
Nэ = 1/2 ηζρv3F [Вт]
2.(Розин михаил Николаевич «Теория парусных установок») Если пластина неподвижна и перпендикулярна скорости ветра, то на нее действует сила
Где:
F — сила давления воздушного потока [н],
Сx — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,
р — плотность воздуха 1,29 [кг/м 3],
S — площадь поперечного сечения пластины [м 2]
Vв — скорость потока воздуха [м/с].
Коэффициент Cx зависит от формы тела. Понятно, что скорлупка, обращенная отверстием навстречу потоку, имеет большее сопротивление, чем та же скорлупка, обращенная выпуклостью к потоку. Самым же обтекаемым будет каплеобразная форма тела, обращенная тупым, а не острым, как ни странно, концом к потоку. Значения коэффициентов Cx для некоторых тел приведены ниже.
·Тонкая пластина перпендикулярная потоку Cx =1,11 — для небольших пластин и Cx = 1,33 для больших пластин
·Полусфера, отверстие обращено навстречу потоку (парашют) Cx=1,33
·Полусфера, отверстие обращено по потоку Cx =0,35
·Тело обтекаемой каплеобразной формы Cx =0,05
Когда пластина движется, то она как бы убегает от ветра и относительная скорость воздушного потока, набегающего на пластину, снижается. Поэтому сила напора воздушного потока также будет меньше
п — скорость перемещения пластины.
Мощность равняется произведению силы на скорость
= FV п
Мощность, получаемая на генераторе, составит
Для плоской пластины КИЭВ η равен 0,164 — 0,197.
Если пластина неподвижна, то полезная мощность равна нулю. Если пластина движется со скоростью ветра, то она не испытывает давления и мощность тоже равна нулю.
При скорости ветра 5 м/с мощность согласно первой теории превышает вторую более чем в 10 раз.
Практика
В своей модели мы решили использовать не сложный в изготовлении пропеллер, а жесткий лист, который в рабочем цикле движется перпендикулярно направлению ветра, а в холостой цикл возвращается в исходное положение, имея минимальное сопротивление ветру. Увлеченные идеей, мы занялись конструированием самой установки, ее механики и преодолением возникающих при решении этой задачи технических сложностей.
Мы решили создать ВЭУ (ветроэнергетическую установку) из доступных материалов с наименьшим количеством деталей. С целью регулирования мощности устанавливается необходимое количество модулей.
История создания нашей ВЭУ пока состоит из трех этапов:
.ВЭУ с поворотом паруса в горизонтальной плоскости (рис. 1): основной недостаток — для возвращения пластины в горизонтальное положение необходимо усилие равное ½ веса пластины. установка начинала вращение при скорости ветра более 2 м/с, КПД существенно снижался.
.ВЭУ с поворотом паруса в горизонтальной плоскости с противовесами (рис. 2): недостатки — усложнение конструкции, задержка в возвращении в рабочее положение (перпендикулярно потоку воздуха).
.ВЭУ с поворотом паруса в вертикальной плоскости (рис. 3): преимущества — наиболее простая конструкция, низкая шумность, устойчивость при порывах ветра, самоторможение при ураганном ветре.
4. исследование ветроэнергетической установки парусно-флюгерного типа с вертикальной осью вращения (на модели)
Результаты испытаний
На сегодняшний день мы успели провести следующие исследования:
.вначале мы решили проверить на практике справедливость формулы
и использовать её для определения скорости ветра:
Где:
F — сила давления воздушного потока [н],
Сx — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,
р — плотность воздуха 1,29 [кг/м 3],
S — площадь поперечного сечения пластины [м 2]
Vв — скорость потока воздуха [м/с].
Опыт мы проводили следующим образом:
измерили с помощью динамометра силу давления ветра на пластины
S=0.125 м2 — F =0.5 н
S=0.25 м2 — F =1 н
измерили скорость ветра с помощью воздушного шара, секундомера и рулетки — Vв = 2 м/с (V=S/t)
определили частоту вращения нашей ветроустановки без нагрузки
n = 2 об/сек,
вычислили линейную скорость середины пластины D=0.5 м — Vпс = 1,6 м/с, крайней точки D=1 м — Vпк = 3,2 м/с
— провели вычисления с помощью электронной таблицы и сделали следующие выводы: а) формула справедлива и с её помощью можно вычислять скорость ветра и создать прибор для вычисления скорости ветра
б) крайние точки пластины вращаются со скоростью выше скорости ветра и в справедливости формулы стоит усомниться.
2.Измерили силу, при которой ветроустановка начинала вращаться с подключенным генератором: F = 4н — согласно теории 2 это должно было происходить при скорости ветра около 3,7 м/с. При наших испытаниях скорость ветра не превышала 3 м/с и установка вращалась с частотой 0,4 об/сек. Показания вольтметра и амперметра были незначительны — 0,6 v, 0.2 A.
Заключение
Модель ветроэнергетической установки парусно-флюгерного типа работает и начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра более 2 м/с.
Коэффициент использования энергии ветра (или КПД) такой установки выше 0,2.
Ветроэнергетическая установка парусно-флюгерного типа с вертикальной осью вращения рассчитана на любые характеристики ветрового потока. Установка способна вырабатывать электроэнергию при минимальной скорости ветра. Чем медленнее вращается ротор, тем больше сила взаимодействия с воздушным потоком, следовательно, можно ставить редуктор с максимальным передаточным числом, автомобильный генератор и не заботиться об управлении отбора мощности.
Для увеличения мощности при известном ветре, достаточно просто увеличивать площадь паруса и количество модулей.
Цель проекта — «разработка и создание действующей модели альтернативного источника электроэнергии, исследование его работы» в части «исследования его работы» требует продолжения.
Литература
1. Ветроэнергоресурсы и условия возведения ветроэнергетических установок на территории Восточной Прибалтийско-Черноморской зоны Европы / Лаврентьев Н.А., Волобуева Г.В., Гноевой А.И., Камлюк Г.Г., Евчук В.И.; под научной редакцией Н.А. Лаврентьева. — Минск: Право и экономика, 2010. — 455 с.
. Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Энергию ветра — на ветер?. // Архитектура и строительство. — 1999. — № 5. — С. 36-38.
. Патент на изобретение BY 4323. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Хлебцевич В.А. Приоритет от 23.11.1998.
. Патент на изобретение BY 9608. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д., Шляхтенко В.Г., Лаврентьева Ю.Н. Приоритет от 12.24.2003.