Введение.

Республика Казахстан находится на этапе устойчивого социально-экономического развития. Однако высокая энергоемкость экономики приводит к нерациональному использованию топливно-энергетических ресурсов, снижает конкурентоспособность экономики и приводит к существенному загрязнению окружающей среды. В стратегии индустриально-инновационного развития РК поставлена задача снижения энергоемкости в два раза к 2015 г. По удельным выбросам парниковых газов на единицу Внутреннего Валового Продукта (ВВП) Казахстан занимает третье место в мире. Производство электроэнергии в Казахстане в 2010 году составит около 83 миллиардов кВт ч., а к 2015 году составит около 97,00 миллиардов кВт ч.

В 2008 г. ООН выдвинула призыв развивать «зеленую» экономику в качестве реагирования на всемирный финансовый кризис и глобальные климатические изменения. Переход к экономике с низкими углеродными выбросами рассматривается как важный шаг в осуществлении глобальной экономической трансформации.

В экономике, о которой идет речь, экономический рост осуществляется не за счет расходов ископаемого топлива. Энергетическая стратегия с низкой углеродной составляющей предполагает:

1) замену употребления ископаемого топлива, которое порождает высокие выбросы газообразных углеродных соединений, возобновляемых энергетическими ресурсами, такими как солнечная, ветровая и биологическая энергия;

2) значительное повышение эффективности применения ископаемого топлива;

3) увеличение площадей озеленения путем лесонасаждения, чтобы деревья поглощали углеродные соединения, появляющиеся в процессе антропогенной деятельности.

По существу, экономика с низкими углеродными выбросами – это совокупность экономических форм, в которых реализуется промышленность с низкими углеродными выбросами, новые технологии и экологическая жизнь. Основные характеристики такой экономики – энерго- и ресурсосбережения, низкие углеродные выбросы и низкий уровень загрязнения. [1]

Новая модель экономики, нацеленная на производство экологически чистых ресурсов, внедрение ветроустановок с большим КПД для электроснабжения больших и малых населенных пунктов, фермерских хозяйств, отгонных пастбищ и повышение эффективности их применения, является глобальной задачей.

Поэтому целью нашей работы является разработка модели ветроустоновки с регулируемым ветровым потоком, поступающего на лопасти.

Исследование включает в себя следующие задачи:

-изучение положения ветроэнергетики в мире;

-изучение положения и перспектив развития ветроэнергетики

в Казахстане;

-исследование конструкций существующих ветроустановок;

-изучение активности ветра на территории г. Павлодара;

-разработка конструкции модели с регулируемым потоком ветра.

Гипотеза: Если разработать конструкцию ветроустановки с регулируемым ветровым потоком для получения электрической энергии, то появится возможность оптимального использования ветра, в широком диапазоне скоростей.

Исследование включает в себя методы:

Описательный, теоретический анализ, сбор данных, моделирование.

Объект исследования: Ветроэнергетика.

Предмет исследования: Создание действующей модели ветроустановки.

Научная новизна: Впервые разработана конструкция ветроэнергетической установки с повышенным КПД, за счет эффективного использования потока ветра. Изготовлена модель, которая отличается от стандартных ветроустановок винтообразной формой лопастей, работающая в широком диапазоне скоростей ветра.

Результаты и область применения:

В данной работе разработана модель ветроэнергетической установки, состоящей из ветродвигателя, передаточного механизма, генератора, флюгера, механизма регулирования угла наклона ветродвигателя к направлению потока ветра при чрезмерно больших скоростях ветра.

Предлагаемую модель ветроэнергетической установки можно использовать для освещения бытовых помещений и зарядных устройств.

Методику определения размеров элементов конструкции ветродвигателя и механизма регулирования угла наклона, предлагается использовать для разработки конструкций реальных более мощных ветроэнергетических установок.

1.Общие сведения о ветроэнергетике

1.1 Энергия, отнимаемая у ветра

Из закона сохранения энергии следует, что если мы отнимем у ветра всю его энергию, то воздушный поток остановится, поэтому мы не можем отнять энергию у следующей его части. Значит, отнимать энергию надо с умом, замедляя его скорость до такой степени, чтобы процент извлечения ветровой энергии был максимальный. Немецкий физик А.Бец в 1919 г. доказал, что ветряк может извлечь не более 16/27 мощности ветра. Вот так выглядит это простое доказательство. Допустим, через лопасти ветряка воздух движется со средней скоростью, равной полусумме скоростей до и после ветряка

.

Тогда за 1 с через ветряк поперечной площадью S проходит масса воздуха,

где - плотность воздуха. Мощность, отбираемая ветряком у ветра, равна

Если нормировать мощность P на величину мощности ветра

,

то окажется, что

.

Зависимость доли извлекаемой мощности ветра p/p₀ от отношения скоростей воздуха после и до ветряка легко построить, используя электронные таблицы Excel, и убедиться, что А. Бец был прав, утверждая, что максимальная эффективность ветряка(59%)соответствует тому случаю, когда скорость ветра за ветряком уменьшается в 3 раза.

1.2 Ветроагрегаты

Современные ВЭУ - это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию.

2

3

Рисунок 1.

Типы мачт ветроустановок

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов:

Горизонтально-осевые (рис.1-1) и вертикально – осевые ветродвигатели (рис. 1-2). Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого «активного» типа (рис.1-3), (карусельного и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от выше указанных ветроколес,

использующих подъемную силу). Однако такие установки имеют очень низкий КПД (менее 20 %), поэтому в настоящее время

для производства энергии не применяются.[2]

Рисунок 2

Рисунок 3.

1.3 Основные компоненты ветроэлектрических установок

промышленного применения

1. Ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных с выпрямителем и инвертором - обычно переменная;

2. Вал ротора – предает механическую энергию мультипликатору;

3. Шкаф контроля – содержит устройства слежения за параметрами ветра, скоростью, направлением и в зависимости от них производит переключения режимов работы;

4. Мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах, в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

5. Тормозной механизм включается автоматически при скоростях ветра, больших номинальной скорости ветра. При скоростях ветра, близких к критической, ветроустановка полностью останавливается, и лопасти ветроколеса переводятся в защитное положение;

6. Анемометр – прибор, измеряющий скорость и направление ветра. Данные затем передаются системе управления. Прибор может иметь различное исполнение у ветроустановок разного типа;

7. Радиатор служит для отвода тепла при превышении температуры генератора выше определенного значения. Может отсутствовать у некоторых установок;

8. Генератор может быть установлен как наверху, так и внизу. При нижнем расположении генератора дополнительно используется редуктор;

9. Вал генератора передает вращающийся момент от мультипликатора генератору;

10. Механизм ориентации по ветру служит для изменения положения гондолы в зависимости от направления ветра;

11. Башня, на которой установлено ветроколесо. Для повышения устойчи- вости ее иногда укрепляют стальными растяжками. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75м, обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни (рис.3)

12. Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения

установки при сильном ветре. [3]

Более подробная схема ветроэлектрических установок промышленного применения представлена в приложении №3.