Развитие ветроэнергетики

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

Школа № 1080

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Проектно-исследовательская работа по теме: "Развитие ветроэнергетики"

Работа выполнена учеником 11 класса "А"

ГБОУ Школа № 1080

Алпатовым Александром Витальевичем

Руководитель: учитель физики

Кожевников Станислав Борисович

МОСКВА 2018

Оглавление

Введение

1. Принцип действия ветряного генератора

2. История создания: от ветродвигателей к ветрогенераторам

3. Виды ветрогенераторов

4. Современное состояние ветроэнергетики

5. Ветроэнергетика в России

6. Перспективы

7. Плюсы и минусы

Выводы

Список используемых ресурсов

Введение

Цель проекта:

Исследовать возможности современных ветровых генераторов и

создать действующую модель

Задачи:

1)Изучить литературу по теме проекта

2)Сравнить характеристики и возможности разных моделей современных ветрогенераторов

3)Создать действующую модель ветрогенератора

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими. ветряной генератор альтернативный энергия

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта* и, таким образом, превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики (однако на практике в среднем за год мощность ветрогенераторов в несколько раз ниже установленной мощности, в то время как АЭС почти всегда работает в режиме установленной мощности). В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераватт*-часов (3 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2015 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 42 % всего электричества; 2014 год в Португалии -- 27 %; в Никарагуа -- 21 %; в Испании -- 20 %; Ирландии -- 19 %; в Германии -- 8 %; в ЕС -- 7,5 %. В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. По итогам 2015 года в ветроэнергетике занято более 1 000 000 человек во всем мире (в том числе 500 000 в Китае и 138 000 в Германии).

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

1. Принцип действия ветряного генератора

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси. Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

2. История создания: от ветродвигателей к ветрогенераторам

История ветродвигателей начинается еще в Древнем Египте. Еще в 3500 году д. н. э. ветровые двигатели начали использоваться исключительно для подъема воды или размола зерна.

Позже появились ветряные мельницы, которые сильно облегчали работу крестьянам. Например, мельницы могли вращать каменные жернова, которые перетирают зерно. За крестьян это делал ветер, который заставлял крутиться крылья мельницы. Но одна из самых первых мельниц была обнаружена в Персии, и в этой мельнице крылья были на той же оси, что жернова. Мельница была хорошей, но могла работать только при устойчивом, сильном направленном ветре.

Если ветра нет, жернова вращали по старинке - при помощи рабов или быков.

Почти шестьсот лет назад человечество начало строить мельницы в виде вертикальных башен с большими крыльями. Одна из самых первых была в Голландии, которая всегда славилась мастерами. В 1745 Эдмунд Ли модернизировал тип крыльев - он сделал деревянный каркас, который обтянул материей. Инновация оказалась настолько качественной, что используется по сей день.

Кроме этого, мельницы оказались источником энергии, поэтому не удивительно, что их начали использовать не для молотения зерна. Ветряки создавали вращение дисковым пилам на лесопилках или могли поднимать грузы на высоты. Некоторая их часть работает до сих пор, оставаясь самыми мощными изобретениями прошлых лет. К примеру, в Голландии их по сей день осталось действительно много.

Но, что любопытно, раньше мельницы вызывали у некоторых людей суеверный страх, ведь тогда было непривычно видеть такие механические установки. Мельникам же приписывали отношения с нечистыми силами.

Но время двигалось, и люди начали задумываться о ветре как об источнике дармовой энергии. И вот наступил определенный этап развития, при котором началось строительство электрогенераторов. В 1890-м году в Дании возвели первый в мире ветрогенератор, цель которого - производить электричество. Они ставились предпочтительно в труднодоступных местах, куда было невыгодно проводить электрический ток с электростанций. Ив итоге такие нехитрые ветрогенераторы стали производить примерно четверть всей энергии, потребляемой в промышленности Дании. Между 1920 и 1930 годами в Австралии и Соединенных Штатах тоже начали производство ветрогенераторов, а в 1937 в Крыму возвели самую крупную на тот моментветрогенераторную станцию. Она действительно была большой, но весь ток, вырабатываемый ее, не превышал даже 100 кВт мощности.

3. Виды ветрогенераторов

· Вертикальный генератор.

Эти ветряки менее затратные в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте. Также они имеют меньше движущихся частей, легче в ремонте и производстве. Такой вариант установки нетрудно изготовить своими руками.

· Ортогональные ветрогенераторы

· Такие ветряки имеют несколько параллельных лопастей, которые устанавливаются на расстоянии от вертикальной оси. На работу ортогональных ветряков не влияет направление ветра. Устанавливаются они на уровне земли, что облегчает монтаж и эксплуатацию установки.

· Ветрогенераторы на основе ротора Савониуса

· Лопасти этой установки представляют собой особые полуцилиндры, которые создают высокий крутящий момент. Из недостатков этих ветряков можно выделить большую материалоемкость и не высокую эффективность. Для получения высокого крутящего момента с ротором Савониуса устанавливают еще ротор Дарье.

· Ветряки с ротором Дарье Наряду с ротором Дарье эти установки имеют ряд пар лопастей с оригинальной конструкцией для улучшения аэродинамики. Достоинством этих установок является возможность их монтажа на уровне земли. Геликоидный ветрогенераторы. Они представляют собой модификацию ортогональных роторов с особой конфигурацией лопастей, что дает равномерное вращение ротора. За счет снижения нагрузки на элементы ротора срок их службы увеличивается.

· Парусный ветрогенератор Основное достоинство такой установки -- это способность работать при небольшом ветре от 0,5 м/с. Парусный ветрогенератор устанавливается в любом месте, на любой высоте.

· Ветрогенератор горизонтальный

· Эти установки могут иметь разное число лопастей. Для работы ветрогенератора важно выбрать правильное направление ветра. Эффективность работы установки достигается небольшим углом атаки лопастей и возможности их регулировки. У таких ветрогенераторов небольшие габариты и вес.

4. Современное состояние ветроэнергетики

В настоящее время ветроэнергетика является одним из перспективных источников энергии в мире, ведущим направлением энергосбережения и использования экологически чистой энергии. Общий мировой ресурс, который технически может быть достигнут, оценивается в 53 000 ТВт (Терават - часов) в год. Мощность ВЭС в мире за последние 15 лет увеличилась в 9 раз и составляет 25 000 МВт. При этом объём установленной мощности удваивается примерно каждые два с половиной года. Наибольшее количество ВЭУ находится в странах Европы (69 %).

Лидирующее место среди европейских стран занимает Германия. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, а в Азии и Южной Америке зарегистрирован рекордный уровень роста доли ВЭС в общей энергосистеме. Ветроэнергетика как сектор энергетики присутствует в более чем в 50 странах мира. В настоящее время в нашей стране действуют «Программы развития ветроэнергетики РАО «ЕЭС России»». Согласно этой программе установленная мощность ветровых электростанций РФ к 2007 г. составляла около 15 МВт.

5. Ветроэнергетика в России

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полную глухоту к новациям и экологическим проблемам надолго затормозило развитие ветроэнергетики. Выпускаемые “ Ветроэном” ветроустановки не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа “Экологически чистая энергетика. Для участия и получения финансирования были отобраны лучшие проекты ветроэнергетических установок различных классов по мощности. Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт, 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.

Почти все проекты остались на уровне опытных и макетных образцов. Опытный образец ветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ “Радуга”, который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности. Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и успешно работает, вырабатывая 2300-2900 тыс. кВт ч электроэнергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ “ Радуга” были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8кВт и 250 кВт. Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики “ Energobalance Sovena” совместно с Германской фирмой Husumer SchiffsWert (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и мало эффективно.

Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5--4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с ветром 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны

6. Перспективы

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

Германия планирует к 2025 году производить 40-45 % электроэнергии из возобновляемых источников энергии. Ранее Германия устанавливала цель 12 % электричества к 2010 году. Эта цель была достигнута в 2007 году.

Дания планирует к 2020 г. 50 % потребности страны в электроэнергии обеспечивать за счет ветроэнергетики.

Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт.

В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году -- 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч..

В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 году и до 30 тыс. МВт к 2020 году. Однако бурное развитие ветроэнергетического сектора позволило Китаю превысить порог в 30 ГВт установленной мощности уже в 2010 году

Индия планировала к 2012 году увеличить свои ветряные мощности в 2 раза (на 6 тысяч МВт) в сравнении с 2008 годом. Эта цель была достигнута.

Венесуэла за 5 лет с 2010 года намеревалась построить ветряных электростанций на 1500 МВт.. Цель не была достигнута.

7. Плюсы и минусы

Плюсы:

· Отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.

· Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.

· Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.

· Стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источниками энергии.

· Минимальные потери при передаче энергии - ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.

· Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.

Минусы:

· Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.

· Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.

· Шум - исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.

· Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.

· Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.

· Изменения в ландшафте.

Выводы

В настоящее время ветроэнергетика - одна из наиболее быстро развивающихся отраслей промышленности, и одна из самых перспективных. История использования человеком энергии ветра начинается с древнейших времен. Несмотря на бурный рост в настоящее время человечество освоило едва ли десятую часть доступного на данном уровне развития ветроэнергетического потенциала.

Создание модели:

Для создания модели я использовал детали от конструктора, а также ветрогенератор, который превращает энергию ветра в свет, который исходит из светодиода.

Ветряной генератор превращает энергию ветра в свет, который исходит от светодиода. Ветер толкает лопасти ротора, заставляя ротор вращаться все время в одном направлении. Чем сильнее ветер, тем быстрее вращается ротор. Зубчатое колесо заставляет ось мотора поворачиваться много раз за один оборот ротора. Вращение оси вызывает вращение якоря; магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, вызывает течение тока по обмотке якоря. Если ось вращается достаточно быстро, вырабатывается количество тока, необходимое для работы светодиода. Хвостовая часть генератора поддерживает ротор в положении против ветра.

Примечания: (*)

· гигаватт-109 Вт

· тераватт-1012 Вт

Список используемого материала

1. http://stmsystem.ru/stati/article_post/istoriya-izobreteniya-vetryanogo-generatora

2. http://electricavdome.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-vetrogeneratora.html

3. http://electricavdome.ru/vidy-vetrogeneratorov.html

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика

5. https://alternativenergy.ru/vetroenergetika/581-plyusy-minusy-vetroenergetiki.html

6. https://mirznanii.com/a/193746/vetroenergetika-v-rossii

Размещено на Allbest.ru