Разработка и создание парусной ветроустановки

                МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РК

                                    ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКАЯ ОБЛАСТЬ

                                                Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ                                                                                      “№44 ШКОЛА-ЛИЦЕЙ ИМЕНИ ОРАЛХАНА БОКЕЯ”

 

 

 

Направление:  «Научно - технический прогресс,

как ключевое звено  экономического роста»

Секция: Техника

 

Тема проекта: Разработка и создание парусной ветроустановки

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

Жилкашинова Альмира Михайловна, к.ф.-м.н., зав. лаборатории энергосбережения и альтернативной энергетики Национальной научной лаборатории коллективного пользования ВКГУ им.С.Аманжолова

 

 

 

Усть-Каменогорск

2013

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Абстракт
2. Введение
3. Аналитический обзор
4. Объект исследования
5. Результаты работы и их обсуждение
6. Заключение
7. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Абстракт

Цель исследования: разработка и создание парусного ветрогенератора, а также разработка новых износостойких материалов, использующихся при производстве ветроустановки (ВЭУ).

Гипотеза: С точки зрения научного эффекта, будут оптимизированы рабочие параметры ВЭУ и построены зависимости скорости ветра и вращения вала от вырабатываемой мощности данной ВЭУ; с точки зрения технического эффекта, будет создана эффективная инновационная ВЭУ, которая сможет производить электроэнергию, отдельные элементы которой будут произведены изготовлены на базе лаборатории.

Этапы, процедура исследования:

- Изготовление отдельных деталей (головка откидного болта ветроколеса, фланец, стопорный болт вала, поворотная площадка мачты) и изучение комплекса физических и химических характеристик данного материала деталей для улучшения их технических характеристик;

- Сборка и запуск парусного ветрогенератора. Проведение пуско-наладочных и монтажных работ. Производство и оценка производственной себестоимости, произведенной электроэнергии с целью определения конкурентных преимуществ;

- Отработка рабочих режимов ветроустановки, выход на номинальную мощность;

Методика  эксперимента: В процессе работы были использованы классические программы проектирования для разработки конструкции ветроустановки, а также методы механической обработки металлических и пластиковых деталей ветроустановки (фрезерно-токарные, сварочные работы).

Новизна исследования и степень самостоятельности: Ветровой генератор, отличающийся тем, что он использует парусные лопасти из прочной синтетики, закрепленные на ветроколесе,  соединенным с многополюсным генератором на постоянных магнитах.

Автор проекта принимал непосредственное участие во всех этапах проекта и  самостоятельно изготавливал отдельные  детали ветроустановки, а также проводил ряд эксплуатационных испытаний  по подготовке грунта в месте установки  ветрогенератора.

Результаты работы и выводы: Разработан и изготовлен парусный ветрогенератор, произведена его установка на крыше корпуса университета и оптимизированы его рабочие параметры (демонтаж предыдущей схемы асинхронный генератор-редуктор и установка нового генератора на постоянных магнитах без использования системы редукции).

 Области практического использования результатов: Данная установка служит для производства. В первую очередь данные малые ветроустановки будут интересны для жителей отдаленных районов, владельцев фермерских и крестьянских хозяйств, а также приграничных таможенных постов. Кроме того, данный ветрогенератор может послужить в качестве выставочного материала на международную выставку «Экспо-2017».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет  до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и  размола зерна. За пятьдесят с  лишним веков ветряные мельницы почти  не изменили свой облик. Например, в  Англии имеется мельница, построенная  в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и  по сей день. В России до революции  насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых  составляла около 1,5 млн. кВт. На них  размалывалось до 3 млрд. пудов зерна  в год.

Рис.1. Персидская ветряная мельница

 

Рис.2. Греческая ветряная мельница

 

С появлением ветряных мельниц, была облегчена одна из самых тяжелых  крестьянских работ - вращение тяжелых  каменных жерновов, перетирающих зерно  в муку. Теперь это делал ветер, крутя крылья мельницы. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии - в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова. Всем была хороша персидская мельница, но вот беда - она могла работать лишь при сильном устойчивом ветре. Когда его порывы стихали, вращать жернова приходилось по старинке - с помощью быков, а то и рабов. И вот, приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии, издавна славившейся изобретательными мастерами. В 1745 году некий Эдмунд Ли осчастливил мельников изобретением нового типа крыльев - деревянных каркасов, обтянутых материей. Выдумка оказалась настолько удачной, что применяется в ветряных мельницах и сейчас.

 

Рис.3. Ветряная мельница Эдмунда  Ли

 

Ветряные мельницы оказались  прекрасными источниками даровой  энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для  размола зерна. Ветряки вращали  дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. 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 нашего века. Часть их действует  и в настоящее время. Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх - настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам  приписывали общение с нечистой силой. Время шло, и люди все чаще задумывались о ветре как о  источнике бесплатной энергии. Наступил такой этап развития технологии, когда  стали строить электрогенераторы. И 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 турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Между 1920 и 1930 годами ветровые генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция. Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветрогенератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.

 

Рис.4. Ветрогенератор в Калифорнии

 

 

Типы верогенертаторов

 

Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости  от ориентации оси вращения по отношению  к направлению потока ветрогенераторы  могут быть классифицированы следующим  образом (рисунок 5-7):

• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению  ветрового потока;

• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению  ветра (подобные водяному колесу);

• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению  ветрового потока.

 

Рис.5. Ветрогенераторы с  горизонтальной осью вращения

Рис.6. Ветрогенераторы с  вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления и подъемной  силы

 

Рис.7. Ветрогенераторы других типов

 

Разработаны также устройства для преобразования энергии ветра  в электроэнергию без применения движущихся частей. К ним относится, например, устройство, в котором  для выработки электрической  энергии на основе термоэлектрического  эффекта Томсона применяется  процесс охлаждения в ветровом потоке.

а) Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для  преобразования энергии ветра подъемную  силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, поскольку они могут развить  в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует подъемная  сила (ветроколеса), могут быть более  быстроходными (быстроходность -отношение  окружной скорости элемента поверхности  к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы  при меньшей стоимости единицы  установленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено  с различным количеством лопастей; от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с  числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса  с горизонтальной осью вращения выполняют  иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению  ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется  поворотной, ориентирующейся по направлению  ветра. У малых ветрогенераторов как правило применяются для  этой цели хвостовые оперения, у  больших - ориентацией управляет  электроника.

Для ограничения частоты  вращения ветроколеса при большой  скорости ветра используется ряд  методов, в том числе установка  лопастей во флюгерное положение, использование  клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с  помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса.

Лопасти могут быть непосредственно  закреплены на валу генератора, или  же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный  вал к генератору, или другой рабочей  машине.

Из рисунка 8 видно, как  установленная мощность Руст, развиваемая  ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.

 

Рис.8. Мощности ветрогенераторов различных размеров при скорости ветра 7,6 м/с

 

Перпендикулярное направление  действия ветра на установки с  горизонтальной осью вращения оказалось  малоэффективным, так как также  требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов  съема мощности, что ведет к  потере их эффективности. Они не имеют  преимуществ по сравнению с другими  типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

б) Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Такие роторы имеют важные преимущества перед ветрогенераторами  с горизонтальным расположением  оси. Для них отпадает необходимость  в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и  уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и  прочих элементах установок с  горизонтальной осью вращения.

К таким установкам относятся  устройства с пластинами, чашеобразными  или турбинными элементами, а также  роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует  также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным  моментом, однако меньшими быстроходностью  и мощностью по сравнению с  обычным ротором.

В 1920 г. во Франции Дарье  предложил новый тип ротора, интенсивной  разработкой которого начали заниматься с 1970 г. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Ротор Дарье относится  к ветрогенераторам, использующим подъемную  силу, которая появляется на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении  профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, и  большую быстроходность, в силу этого - относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или  стоимости. Такие роторы имеют различную  форму (Φ-, Δ-, Υ- и ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей.

Крылья пропеллера должны быть легкими и в то же время  достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали или искусственных  материалов - таких как фиберглас.

Современные ветрогенераторы  конечно, более производительны  чем ветряки. Количество вырабатываемого  ими электричества зависит от силы ветра и площади лопастей пропеллеров. Например, увеличивая вдвое  площадь лопастей, можно получить вчетверо больше электричества.

Малые и средние ветровые турбины как правило снабжают электричеством острова или небольшие  отдаленные поселения. В США, например, ветрогенератор на острове Каттиханк  Айлэнд, расположенном неподалеку от побережья штата Массачусетс, вырабатывает достаточно энергии для снабжения  двухсот человек - всего населения  острова. В нашей стране ветрогенераторы  применяются, в основном, на севере - на Кольском полуострове, в Якутии и даже на антарктических научных  станциях.