Проектная работа. Ветрогенератор. Конференция научнопрактических работ шаг в науку секция физики
 Скачать 189 Kb.
|
|
Муниципальное учреждение дополнительного профессионального образования «Информационно-методический центр» 142100, Московская область, Г.о. Подольск, ул. Комсомольская, дом 73 тел: 8 (4967) 63-82 60 Е-mail: pimc@inbox.ru КОНФЕРЕНЦИЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ «ШАГ В НАУКУ» СЕКЦИЯ ФИЗИКИ Тема работы: ВЕТРОГЕНЕРАТОР. Автор работы: Мололкина Александра Евгеньевна 8 «В» класс МОУ «Гимназия №7» Научный руководитель: Зданевич Надежда Владимировна, учитель физики МОУ «Гимназия №7» тел. 89031719914 Городской округ Подольск 2019 г. Оглавление Введение Современная энергетика базируется в основном на ископаемых источниках энергоресурсов: каменном угле, торфе, нефти и газе. Однако запасы их ограничены, а темпы потребления возрастают с каждым днем, что в недалеком будущем приведет к их полному истощению. Использование атомной энергии, как показала история, весьма небезопасно, а проблемы создания термоядерных энергетических установок столь велики, что в ближайшие годы исключается всякая надежда воспользоваться им. Поэтому человечество вынуждено обращаться к неиссякаемым источникам энергии - воде, ветру, солнцу, приливам и отливам, в которых заключены огромные запасы энергии. В последние десятилетия использование таких возобновляемых энергетических ресурсов получило название – альтернативная энергетика. Энергия ветра один из наиболее перспективных возобновляемых, экологически чистых и практически неисчерпаемых источников энергии. Бурные темпы развития мировой ветроэнергетики впечатляют. На первый взгляд ветер кажется самым доступным из возобновляемых источников энергии. За пределами закрытых помещений он есть практически везде, однако весьма непостоянен и непредсказуем — как по силе и скорости, так и по направлению. По этой причине, до того, как энергия ветра сможет принести ощутимую пользу, необходимо решить многие технические проблемы. Хотя многое здесь достигнуто, но разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных длительное время надежно работать в сложных климатических условиях до сих пор остается актуальной задачей. Цель данного проекта: изучение различных конструкций ветроэнергетических установок, сравнение их характеристик и разработка действующей модели небольшой ВЭУ. Немного из истории. Ветряки известны человечеству с незапамятных времен. Широко распространена версия о том, что механизмы, приводимые в действие силой ветра, использовались для подъема воды и помола зерна еще в Древнем Египте и Китае больше 2000 лет назад. Однако наиболее раннее документальное упоминание такого устройства относится к периоду 500-900 годов н.э. В документе описывается персидский водоподъемный механизм, приводимый в движение ветром. Ветряные мельницы (приложение 1) оказались прекрасными источниками бесплатной энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки приводили в движение пилы на лесопилках, поднимали большие грузы, использовались для нужд водоснабжения. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины прошлого века. Часть их действует и в настоящее время. И вот, наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. В Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые электрогенераторы стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Современные ветродвигатели конструируют и строят на основе научных достижений в области аэродинамики и конструирования машин. Эффективность их в 2-3 раза выше старых ветряных мельниц, да и приспособлены современные ветродвигатели не для размола зерна и водоснабжения, а, в основном, для получения электроэнергии. Ветродвигатели. Движение любой массы, в том числе и воздушной, порождает энергию. Ветряной двигатель преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Это устройство является основой ветроэнергетики, поэтому рассмотрим его принцип действия, характеристики и конструкцию и сравним преимущества и недостатки различных вариантов ветродвигателей. Ветер возникает на Земле при неравномерном нагреве ее поверхности Солнцем. Наибольшей силы ветры достигают на побережье морей и океанов, так как разница температур водной и земной поверхностей там достигает значительных величин. На континентальных равнинах ветер значительно слабее. Для России усреднённую скорость ветра принято считать равной 2 - 3 м/с — величина, прямо скажем, достаточно малая (субъективно ощущается как слабое дуновение). Конечно, в реальности не удастся отобрать у воздушного потока абсолютно всю его энергию. Долю энергии воздушного потока, отобранную ветродвигателем, показывает коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). По сути дела КИЭВ является коэффициентом полезного действия ветряка. Коэффициент использования энергии ветра для большинства реальных установок составляет от 5 до 40%. Принцип действия: преобразование энергии в современных ВЭУ осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем эта энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования кинетической энергии ветра в механическую применяются аэромеханические устройства, которые принято называть ветродвигателями, роторами или ветроколесами. Ветродвигатель, как было сказано выше, отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, ее габаритов и особенностей конструкции. Все известные в настоящее время ветродвигатели можно разделить на два основных типа по расположению оси их рабочего органа (ветроколеса, ротора, турбины, винта). Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (горизонтально-осевые), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку и с вертикальной осью (вертикально-осевые), если ось вращения ветроколеса перпендикулярна воздушному потоку. Виды двигателей. Горизонтально-осевые ветродвигатели (приложение 1) – это всем известные пропеллеры на высоких мачтах. Такие ветряки в настоящее время являются наиболее распространенными. Лопасти этих ветряных двигателей, имеющие в сечении профиль самолетного крыла, приводятся во вращение за счет возникновения аэродинамических сил при обтекании их набегающим воздушным потоком. (Профиль лопасти пропеллера ветродвигателя - приложение 1)  Схема сил, действующих на лопасть При взаимодействии потока с лопастью возникают: 1) сила сопротивления Fx, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока W; 2) подъемная сила Fy, перпендикулярная силе сопротивления; Проекция суммарной силы F∑ на плоскость вращения и приводит лопасть в движение. Преимущества и недостатки горизонтально-осевого ветродвигателя. На равнинах и других местах с преобладающими постоянными ветровыми потоками он является наилучшим вариантом. Однако ветер – вещь весьма непостоянная. Скорость ветра изменяется с высотой (у поверхности земли поток несколько притормаживается) и различные части пропеллера оказываются в неодинаковых условиях, в результате резко снижается эффективность. Поэтому для эффективной работы горизонтально – осевых ВЭУ нужно чтобы пропеллеры располагались на высоких мачтах, чтобы максимально отдалить их от поверхности земли, а ось вращения была сориентирована точно по направлению потока воздуха. Эффективная работа такого ветродвигателя обеспечивается лишь в сравнительно узком диапазоне скоростей ветра, что приводит к определенным неудобствам при его эксплуатации. Типичные значения скорости ветра, характерные для современного быстроходного ветрогенератора, следующие: - стартовая скорость ветра – 2.5 .. 3 м/с; - оптимальная (рабочая) скорость ветра – 10 .. 12 м/с; - максимально допустимая скорость ветра – 50 м/с. Кроме того, концы лопастей крупной ветроустановки, двигаясь с большой скоростью, создают значительный шум. В общем, использование подобных ВЭУ оправдано лишь в тех местах, где почти всегда дует сильный ровный ветер. Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения не настолько эффективны, как их горизонтальные собратья, поскольку у них, как правило, лишь половина сечения потока набегающего воздуха работает с пользой, попадая на область рабочего хода ротора. Вращение вертикально – осевого двигателя может осуществляться как за счет дифференциального сопротивления элементов его ротора набегающему воздушному потоку, так и за счет аэродинамической силы, возникающей при обтекании потоком воздуха его лопастей. Принцип действия вертикально-осевого ветродвигателя дифференциального сопротивления (приложение 2 ротор Савониуса) заключается в том, что поток воздуха, набегающий на тело несимметричной формы действует на него с разной силой при различной ориентации этого тела в потоке. Давление ветра, например, на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой стороной. Если полусферы закрепить на роторе симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться. Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующих на полусферы, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью сечения) и разностью их сопротивления воздушному потоку.  Преимущества и недостатки: Такая конструкция отличается простотой и дешевизной. К достоинствам этого ротора также можно отнести то, что он развивает больший крутящий момент и способен работать даже при очень низких скоростях ветра. Главное же его достоинство, присущее всем ветродвигателям с вертикальной осью вращения – способность вращаться при любом направлении ветра. А главный недостаток такого ротора – низкая эффективность использования ветровой энергии. Объясняется это тем, что лопасти-полуцилиндры работают только в четверть оборота, а остальную часть окружности вращения они как бы тормозят своим движением скорость вращения. Номинальная быстроходность ротора Савониуса, как правило, меньше единицы, и, вследствие этого, он отличается низким уровнем аэродинамического шума. Вертикально-осевой ветродвигатель, использующий для вращения аэродинамическую подъемную силу, был разработан Ж. Ж.-М.Дарриусом во Франции в 1931 году и получил название ротора Дарье (приложение 2). Принцип его работы поясняет приведенный ниже рисунок, на котором показаны: устройство ротора, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.  Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или нескольких тонких изогнутых плоскостях, имеющих аэродинамический профиль. Причины возникновения подъемной силы на таком профиле при его взаимодействии с набегающим воздушным потоком, те же, что и у описанного выше воздушного винта горизонтально – осевого ветродвигателя. Только величина этой силы не постоянна, как у воздушного винта, а меняется вместе с изменением положения лопасти относительно потока при ее вращении вокруг центральной оси. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Преимущества и недостатки: Ротор Дарье, обладая всеми достоинствами вертикально – осевых ветродвигателей, имеет еще и достаточно высокий КИЭВ. Его эффективность сравнима с эффективностью быстроходных горизонтально – осевых ветряков. По этой причине интерес к таким роторам в последнее время непрерывно возрастает. При всех достоинствах ротор Дарье имеет и существенный недостаток – раскручиваться самостоятельно он, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется дополнительный двигатель. Еще одним серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Вследствие этого крутящий момент резко изменяется в течение оборота, и ротор вращается как бы рывками. Разработка и изготовление ВЭУ. Целью данного проекта являлась разработка и изготовление небольшой ВЭУ способной обеспечивать работу не очень мощной бытовой техники и приборов освещения в условиях слабых воздушных потоков, часто меняющих свое направление. Такая ветряная электростанция всегда пригодится в удалённых местах, где нет доступа к бытовой электрической сети, например, при отдыхе на природе. ВЭУ, удовлетворяющая заданным условиям эксплуатации должна обладать следующими свойствами: обеспечивать работу в широком диапазоне скоростей ветра и при резком изменении его направления (при наличии турбулентных потоков); - легко монтироваться, не требуя стационарных опор и высоких мачт; - обладать низким уровнем шума, чтобы не наносить урон окружающей среде шумовым загрязнением. Всем этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет ротор Савониуса, который и принят за основу разработанной установки. Разработанная конструкция имеет трехлопастный ротор: двухлопастный работает рывками, не обеспечивая приемлемой равномерности вращения, а 4-лопастный много теряет в КИЭВ без дополнительных конструктивных усложнений. Кроме того, для увеличения плавности вращения использован маховик. Ротор установлен на достаточно массивное (за счет маховика) основание, что позволяет при монтаже установки просто установить ее на ровную поверхность, не применяя при этом дополнительных креплений и растяжек. Размеры спроектированного ротора: высота – 290 мм и диаметр – 185 мм. Расчет показывает, что при рабочей скорости ветра 5 м/с и принятом КИЭВ – 0,15 такой ротор может обеспечить мощность 3,5 Вт. Конечно, эта мощность не велика, но ее вполне хватит для питания радиоприемника, небольшого фонаря, зарядки аккумулятора сотового телефона и для прочих подобных нужд. Лопасти ротора изготовлены из пластиковой трубы, а в качестве механических элементов использованы узлы бытовой аппаратуры. Генератором электричества в данной установке служит электродвигатель постоянного тока. Внешний вид собранной установки показан на фотографии (приложение 3). Испытания ВЭУ заключались в проверке работоспособности и измерении механической мощности развиваемой ротором (приложение 3). Для проверки работоспособности ветрогенератор был установлен на открытом пространстве, продуваемом легким ветерком. Ротор пришел в движение, вращаясь ровно, без рывков. Измерение мощности, развиваемой ротором, проводилось путем замера скорости вращения и вращающего момента ротора. Скорость вращения измерялась путем подсчета числа оборотов за определенный отрезок времени с помощью счетчика оборотов, установленного вместо электрогенератора. Поскольку коэффициент пересчета не был известен, счетчик потребовалось откалибровать. Для этого при ручном вращении ротора было подсчитано число его оборотов и сопоставлено с показанием счетчика. Поделив число оборотов ротора на показание счетчика, мы получили цену его деления. N/n = k, где N – число оборотов ротора, n – показания счетчика, k – коэффициент пересчета. Для измерения крутящего момента на ось ротора был установлен рычаг, который мог вращаться вокруг нее с некоторым трением. Приведя ротор во вращение и измерив с помощью динамометра усилие на конце рычага, можно вычислить крутящий момент ротора по формуле: М = F*L, где F – усилие на конце рычага и L – его длина. В нашем случае: F = 0,4 н; L = 0,1 м; М = 0,04 н*м. Далее ротор был установлен на ветру, имеющем скорость около 2,5 м/с. Через одну минуту после запуска ветродвигателя были зафиксированы показания счетчика и вычислено количество оборотов, сделанное ротором за это время. Для нашего случая: N = 102. Мощность, развиваемая ротором, вычисляется по формуле: Р = (2πN*М) /t, где t – время в секундах. Подставив полученные значения: Р = 0,42 Вт. Учитывая кубическую зависимость мощности ветродвигателя от скорости воздушного потока, для расчетной скорости ветра 5 м/с мощность данного ротора составит 3,36 Вт, что вполне согласуется с ранее вычисленным значением. Выводы: в результате проведенной работы подтверждено, что предложенная концепция и конструктивное решение являются оптимальными для малых ветроэлектрических установок, способных работать в полевых условиях при ветрах любой силы и направления. Малые, легко разгоняемые ветрогенераторы способны эффективно работать уже в районах со среднегодовой скоростью ветра от 2 м/с. Такие ветрогенераторы являются абсолютно независимыми и надежными источниками электроэнергии в местах, удаленных от существующих электросетей. Они решают задачу выработки экологически чистой и дешевой электроэнергии из возобновляемого источника - из ветра. Список использованной литературы 1. Ветроэнергетика / Под. ред. Д.де Реизо: Пер. с англ.; М.: Энергоатомиздат, 1982. 2. Фатеев Е. М., Ветродвигатели и ветроустановки, 2 изд., М., 1957; 3. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоиздат. 1983. 4. Шефтер Я.И. Ветроэнергетические агрегаты. М.: Энергоиздат. 1972. 5. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. М. 2006. |