Ветроэнергетическая установка 'парусно-флюгерного типа' с вертикальной осью вращения

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 значение коэффициента ζ равно 0,59. Практически же этот коэффициент в современных 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

N_э = 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],

С_x - коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,

р - плотность воздуха 1,29 [кг/м 3],

S - площадь поперечного сечения пластины [м 2]

V_в - скорость потока воздуха [м/с].

Коэффициент C_x 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 C_x для некоторых тел приведены ниже.

·              Тонкая пластина перпендикулярная потоку C_x =1,11 - для небольших пластин и C_x = 1,33 для больших пластин

·              Полусфера, отверстие обращено навстречу потоку (парашют) C_x=1,33

·              Полусфера, отверстие обращено по потоку C_x =0,35

·              Тело обтекаемой каплеобразной формы C_x =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],

С_x - коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,

р - плотность воздуха 1,29 [кг/м 3],

S - площадь поперечного сечения пластины [м 2]

V_в - 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 - V_в = 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 - V_пс = 1,6 м/с, крайней точки D=1 м - V_пк = 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.