Альтернативные источники энергии. Расчет ветрогенератора

Альтернативные источники энергии. Расчет ветрогенератора

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. РАСЧЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

СОДЕРЖАНИЕ

энергоресурсы альтернативный ветрогенератор

ВВЕДЕНИЕ

. Источники энергии

.1 Виды существующих источников энергии

.2 Проблемы развития энергетики

. Альтернативные источники энергии

.1 Проблемы и способы развития

. Ветроэнергетика

.1 Ветрогенераторы

.1.1 Принцип действия и виды ветрогенераторов

.2 Расчет ветрогенератора

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Многолетние исследования показали, что запасы многих органических источников энергии не бесконечны, а истощаются с каждым годом в больших количествах. Эти выводы привели к появлению множества вопросов и поиску новых или альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Это привело к классификации всех ресурсов планеты. Все запасы существующего топлива для выработки энергии разделились на два основных типа:

возобновляемые;

не возобновляемые.

В связи с этим поиск новых месторождений и новых видов топлива в настоящее время играет первостепенную роль в обеспечении энергией весь мир и отдельные жизненно важные объекты.

Разрабатываются новые месторождения. Однако новые месторождения также могут истощиться, а альтернативные источники энергии такие, как энергия ветра и солнца эксплуатируются при благоприятных условиях и требуют немалых затрат в оснащении и эксплуатации. Это связано с их более высокой нестабильностью и изменением показателей эффективности в процессе работы.

1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Как уже упоминалось, многие ресурсы Земли истощаются. Однако, как известно, новые разрабатываемые месторождения ничего не меняют. Ведь они также просуществуют относительно недолго.

Энергетика находится на первом месте в употреблении и преобразовании энергии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, истощение ресурсов планеты и экономику государств. Очевидно, что темпы потребления энергии в будущем не прекратятся и даже увеличатся. В результате этого возникают следующие вопросы:

какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветре, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

1.1 Виды существующих источников энергии

Все существующие виды энерготоплива в природе подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В отопительных приборах, для нагрева теплоносителя также применяется тепловое действие электрического тока. Некоторые группы топлива, в свою очередь, подразделяются на две подгруппы, из которых одна подгруппа представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; вторая подгруппа - топливо, которое получается путем переработки или обогащения естественного природного топлива; это называется искусственное топливо.

К твёрдому топливу относят:

а) естественное твёрдое топливо - дрова, каменный уголь, антрацит, торф;

б) искусственное твёрдое топливо - древесный уголь, кокс и пылевидное топливо, которое получается путём измельчения углей.

К жидкому топливу относят:

а) естественное жидкое топливо - нефть;

б) искусственное жидкое топливо - бензин, керосин, дизельное топливо (солярка) мазут, смола.

К газообразному топливу относят:

а) естественное газообразное топливо - природный газ;

б) искусственное газообразное топливо - генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный, светильный, попутный и другие газы.

Все виды органического природного топлива состоят из одних и тех же химических элементов. Разница между видами топлива состоит в том, что эти химические элементы содержатся в топливе в разном количестве.

Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы.

группа: это те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К подобным элементам топлива относятся углерод, водород и кислород.

группа: это те элементы, которые сами не горят и не способствуют горению но они входят в состав топлива; к ним относятся азот и вода.

Особое место от названных элементов занимает сера. Сера является горючим веществом и при горении выделяет определённое количества тепла, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.

Количество тепловой энергии, которое выделяет топливо при горении, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м³ газообразного топлива, называется как теплотворная способность топлива или теплота сгорания топлива. Теплота сгорания различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплота сгорания составляет около 10000 ккал/кг, для угля 3000 - 7000 ккал/кг. Чем выше теплота сгорания топлива, тем топливо ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива или для производства расчётов расхода количества того или иного топлива применяется общая единица измерения или эталон топлива. В качестве такой единицы принято топливо Московского угля, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условное топливо. Для производства расчётов и сравнения расходов топлива различной теплоты сгорания необходимо знать калорийность топлива. К примеру, при проектировании, когда необходимо сравнить расход угля с расходом мазута и целесообразность строительства угольной или мазутной котельной необходимо учесть поправочный коэффициент на калорийность топлива.

Таким образом, несмотря на большое разнообразие топливных ресурсов, их количество, прогнозы специалистов показывают, что их хватит ненадолго в ближайшее время, а продолжающиеся поиски месторождений наносят непоправимый вред окружающей среде.

1.2 Проблемы развития энергетики

Развитие индустриального общества опирается на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и электрической энергии лежит, как было сказано выше, процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угля, нефти или газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана и плутония при поглощении нейтронов.

Добыча, обработка и потребление энергоресурсов, металлов, воды и воздуха растет с большими требованиями человечества, при этом их запасы стремительно сокращаются. Особенно остро стоит проблема не возобновляемых органических ресурсов планеты.

Мировые запасы энергоресурсов оцениваются величиной 355 Q, где Q - единица тепловой энергии, равная Q = 2,521017 ккал = 36109 тонн условного топлива /т.у.т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,81012 т.у.т.

Из этого количества примерно одна треть (что составляет ~ 4,31012 т.у.т.) может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. С другой стороны, современные потребности в энергоносителях составляют 1,11010 т.у.т. в год и растут со скоростью 3-4% в год, то есть удваиваются каждые 20 лет.

Не составляет никакого труда догадаться, что органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем.

Отметим также, что при сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5%, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Таким образом, даже сокращение потребления и экономичность полезных ископаемых не сможет помочь избежать энергетической катастрофы. Если в ближайшем будущем планета не станет непригодна для жизни, то критическая нужда в энергоресурсах обеспечена.

Выход остается в поиске и внедрении нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Огромную важность играет борьба с отходами и выбросами в атмосферу тонн вредных и смертельно опасных в больших количествах веществ и тяжелых металлов.

Как уже известно, сгорание органического топлива вредно для окружающей среды. В настоящее время разрабатываются системы и устройства очистки выбросов в атмосферу продуктов сгорания. Среди устройств можно выделить следующие:

фильтры на соплах Вентури;

металлические лабиринтные фильтры;

волокнистые синтетические объемные фильтры из нетканых материалов.

Из существующих методов очистки существуют следующие:

Адсорбционный метод.

Метод термического дожигания.

Термокаталитический метод.

Плазмохимический метод.

Плазмокаталитический метод.

Однако все они не дают стопроцентной гарантии того, что извлекаемый воздух будет полностью очищен. Это связано с тем, что многие примеси, такие как частички пыли, мешают идентификации и извлечению вредных частиц. Кроме того, данные устройства несут крупные эксплуатационные затраты и высокую стоимость. Можно привести еще и необходимость в высококвалифицированном персонале для обслуживания таких систем.

2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Альтернативные источники энергии в настоящее время являются наиболее существенным решением вредному органическому производству энергии. Альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относится энергия:

Солнца;

ветра;

морских волн;

внутреннее тепло планеты.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т. ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Несмотря на благоприятные позиции альтернативные источники энергии имеют и недостатки. Среди них непостоянство производства энергии, затраты на установку и эксплуатацию, неточность существующих расчетов по вырабатываемой мощности.

2.1 Проблемы и способы развития

Наиболее явными из недостатков медленного внедрения данной категории производства энергии являются: недостаточное финансирование и перебои в работе.

Это связано с тем, что до сих пор их внедрение является весьма дорогостоящим процессом. Новизна и недостаточная осведомленность многих организаций также весьма влиятельна. Многие производители предпочитают вредные и опасные для здоровья и окружающей среды энергостанции, в силу их проверенности и готовности к работе, чем дорогостоящие и “капризные” в работе системы альтернативного производства энергии.

Перебои энергии являются существенным недостатком. Например производство солнечной энергии возможно лишь в дневное время суток, то есть на постоянное обеспечение энергией оно не тянет. Поэтому чаще всего вместе с альтернативными источниками энергии устанавливаются все те же вредные производства для компенсации энергоресурсов. Кроме того, лишняя приобретенная энергия накапливается в специальных аккумуляторных батареях.

Стоит учитывать, что альтернативные источники активно исследуются, совершенствуются и внедряются, как источники экологически чистой и безопасной энергии. Возможно в ближайшем будущем энергия солнца, ветра и т.д. станет неотъемлемой частью энергетической обеспеченности многих объектов.

3. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

Запасы энергии ветра рассчитаны в сумме 170 трлн кВт∙ч в год. Ветроэнергетика уже настолько исследована, что каждый дом может себе позволить установить ветряк небольшой мощности для собственных нужд.

Однако энергия ветра имеет ряд недостатков. Среди них можно выделить рассеяность в пространстве, колебания скорости ветра. Ветряки отражают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых.

В настоящее время разработаны ветряки, способные работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается. Помимо этого активно применяются циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный циклон, который тем временем турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

3.1 Ветрогенераторы

Ветрогенераторы являются единственными производителями электроэнергии из энергии ветра. Они представляют собой башню с корпусом на конце и вращающимися лопастями (рис. 3). Внутри корпуса находятся преобразователи энергии от каждой лопасти. Число лопастей может быть самое разное, однако большинство потребителей предпочитают ветрогенераторы с тремя лопастями. Высота штифта может быть самой разной вплоть до 5-7 метров в высоту.

Рис. 3.1 Структура ветрогенератора

Рассмотрим далее принцип работы ветрогенератора и его виды.

3.1.1 Принцип действия и виды ветрогенераторов

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой. Сила напора используется в самых ранних ветряках. Лопасти с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

Ветрогенераторы различаются по следующим основным признакам:

количеству лопастей;

- материалам изготовления лопастей;

- расположению оси вращения по отношению к земле;

шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одного-двух-трех и многолопастные. Последние начинают свое вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где важен сам факт вращения, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла..

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но конструкция сложна. Она 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:

,                                              (3.2)

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

Для примера расчета примем следующие значения:

ξ = 0,4;

R = 5 м;= 3 м/с;

ρ = 1,25 кг/м³_;

η_р = 0,91;

η_г = 0,87.

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

Вт

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.

ВЫВОДЫ

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.

ЛИТЕРАТУРА

1. http://www.himikatus.ru/art/ch-act/0257.php.

. Реферат “Альтернативные источники энергии”.

. http://www.potram.ru/index.php%3Fpage%3D57.

.http://www.niilkp.ru/articles/tekhnologiya_i_sistemy_lkp/apparaty_i_sistemy_ochistki_vybrosov.html.

. Конкурсная работа “Ветрогенератор - альтернативный источник энергии”.

. http://vetryaky.ru/raschet-lopastey-dlya-vetryakov.

. http://altenergiya.ru/veter/vidy-vetrogeneratorov.html.

. http://dom-en.ru/elekt14.