Ветрогенераторы

Содержание

Введение

Глава 1.

Типы ветрогенераторов

Компоненты ветроустановки

Ветрогенераторы и окружающая среда

Глава 2.

Экономическое обоснование

Заключение

Библиографический список

Введение

   Производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше заостряет свое внимание на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

Сегодня, когда экологические проблемы постепенно становятся одной из главных забот человечества, использование разных источников энергии рассматривается не только с точки зрения их мощности и экономичности, но и влияния на окружающую среду.

   Таким образом, на сегодняшний день перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будет рассмотрен способ получения электроэнергии по средствам ветрогенераторов.

На Западе, в частности в Америке и Европе – получение электроэнергии за счет силы ветра уже давно поставлено на широкую ногу. В развивающихся странах Индия, Китай – ветрогенераторы тоже уже стали «частью» привычного ландшафта местности. В России же пока все только начинается. Причиной тому и обычное недоверие наших граждан ко всему новому, относительно (по сравнению с мировыми тенденциями) невысокая стоимость электричества, а также обычное отсутствие информации «по теме». Привлекательность ветрогенераторов состоит не только в том, что они не наносят вреда природе, а еще и в том, что их можно достаточно быстро установить там, где других источников энергии нет или когда подключение к существующим сетям слишком дороги.

Целью данной работы является сравнение уже имеющихся на рынке ветроустановок с новой разработкой ветрогенератора . 

(мы доработаем)

Типы ветрогенераторов

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт

Определяясь с мощностью приобретаемой ветроэлектрической установки, надо иметь ввиду, что все ветроустановки работают на заряд аккумуляторной батареи. Только так можно обеспечить непрерывное электропитание потребителей определённой  мощности требуемым напряжением,  при помощи подключаемого к аккумуляторной батарее инвертора. Однако надо учитывать, что максимально возможный зарядный ток на аккумуляторы составляет 10% от их ёмкости. Это значит, что чем мощнее ветрогенератор, тем больше должна быть ёмкость установленной аккумуляторной батареи и, следовательно, большее количество аккумуляторов. Так при мощности генератора в 5 кВт и напряжении на аккумуляторной батарее 48 Вольт, максимально возможный ток заряда батареи составляет около 100 Ампер. Следовательно для батареи, собранной из отдельных 12 вольтовых аккумуляторов ёмкостью по 200 А/час. каждый, необходимо 20 аккумуляторов, чтобы использовать мощность генератора в полном объёме. То есть каждые 4 аккумулятора, соединённые последовательно, составляют одну линейку напряжением 48 Вольт и ёмкостью 200 А/час. Максимально возможный ток для такой линейки составляет 20 Ампер. Таких линеек необходимо 5, соединённых параллельно. Если же аккумуляторов будет меньше (общая ёмкость батареи меньше 1000 А/час.) - то либо придётся ограничивать ток заряда = мощность генератора (а зачем тогда приобретать такой мощный генератор?), либо аккумуляторная батарея будет "кипеть" при сильном ветре, и быстро выйдет из строя. Конечно, чем мощнее генератор, тем больше ток заряда при малых ветрах, и быстрее восстановление аккумуляторов до полной ёмкости. Но соотношение цены и мощности ветроустановки, возможность размещения огромной по количеству и дорогой по цене аккумуляторной батареи заставляют подумать о мощности приобретаемого ветрогенератора.

Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом :

• 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.1. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Более современный и эффективный тип – ортогональные ветрогенераторы, для работы которых достаточно скорости ветра 0,7-0,8 м/с. Отличные эксплуатационные характеристики, бесшумное вращение ротора, интересный дизайн делают ортогональные ветрогенераторы выгодным приобретением.

Рис.2. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления и подъемной силы

Рис.3. Ветрогенераторы других типов

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. 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.

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. Ветровая электростанция, какой бы мощности она ни была, состоит примерно одинаково: мачта (производители предлагают несколько типов: попроще на растяжках, телескопические, монолитные - разница в занимаемой площади и цене), на вершине которой устанавливается контейнер с генератором и редуктором. Редуктор вооружен лопастями, улавливающими потоки ветра. Контейнер закреплен подвижно и способен разворачиваться вслед за ветром.

Компоненты ветроустановки

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

- Генератор - необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.

- Лопасти - приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.

- Мачта - обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует - чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.

Список дополнительных необходимых компонентов:

- Контроллер - управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей.

- Аккумуляторные батареи - накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей.

- Анемоскоп и датчик направления ветра - отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.

- АВР - автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания!

- Инвертор - преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

Ветрогенераторы и окружающая среда

Сегодня, когда экологические проблемы постепенно становятся одной из главных забот человечества, использование разных источников энергии рассматривается не только с точки зрения их мощности и экономичности, но и влияния на окружающую среду.

На первый взгляд ветровая энергия абсолютно чиста экологически и не наносит ущерба природе и людям. Но это не совсем так. Мощные ветровые электростанции с сотнями и тысячами ветровых турбин приносят немало проблем: они производят невообразимый шум, могут служить помехой для радио- и телетрансляций. Кроме того, огромные вышки нередко препятствуют миграции птиц. Разумеется, по сравнению с тем огромным ущербом природе, который наносят тепловые электростанции, вред от ветрогенераторов почти незаметен, однако если мы хотим в будущем иметь абсолютно "чистую" энергетику, проблемы влияния ветроустановок на окружающую среду надо решать уже сейчас. Одним из таких решений - и наиболее перспективным - является установка ветрогенераторов в открытом море, на большом удалении от берегов. Это повысит не только безопасность, но и экономичность, так как на просторах Мирового океана ветры дуют с особой силой. Разумеется, установка ветрогенераторов в открытом море требует больших затрат, однако экологическая чистота стоит денег, затраченных на нее.

Первая ветряная электростанция в открытом море уже действует. Это установка Эбельтофф в Дании. 16 ее турбин производят 55 кВт электроэнергии - вполне хватает для полного снабжения поселка из 600 домов. Специалисты подсчитали, что только Западная Европа, береговая линия которой протянулась более чем на 20000 километров, в состоянии получать около триллиона киловатт-часов электроэнергии в год, если воздвигнуть ветрогенераторы вблизи от побережья. А возможности нашей страны в этом плане еще выше.

На сегодняшний день технология строительства платформ для ветрогенераторов в открытом море отработана (большую роль здесь сыграл опыт строительства морских скважин для добычи нефти) и уже применяется.

Как уже отмечалось, главной проблемой применения ветровой энергии является непостоянство ветра. Имеется несколько способов аккумулировать энергию на случай безветренных дней. Простейший из них - создать систему двух резервуаров, один из которых залегает ниже другого. В ветреные дни производимое электричество можно использовать для закачки воды из нижнего резервуара в верхний. А когда ветрогенератор бездействует, достаточно открыть перемычку - и вода устремится из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, которая будет давать электроэнергию. Еще один способ аккумулирования - использование ветровой энергии для электролиза воды - получения водорода и кислорода из воды. Водород - идеальное топливо, которое может заменить любой тип горючего. Теплота его сгорания втрое выше, чем у бензина. Если в ветреные дни создать достаточный запас водорода, его можно транспортировать в любое место по газопроводам, а затем использовать в топливных элементах.

Ученые подсчитали, что общий ветроэнергетический потенциал земли приблизительно в 30 раз превосходит годовое потребление электричества во всем мире. Разумеется, весь этот запас энергии использовать не удастся. Для нормальной работы ветроустановок скорость воздушных потоков не должна в среднем за год падать меньше 4-5 м/с, и в то же время не должна превышать 50 м/с. Впрочем, максимальная скорость ветра может быть и выше. Американские инженеры создали генератор с вертикальными роторами, которые вращаются наподобие карусели. По своей эффективности он превосходит лопастные генераторы почти втрое и способен выдерживать даже ураганные ветры. Видимо, с развитием технологии появятся и более совершенные конструкции. Скорее всего, технология не пойдет по пути повышения размеров ветроустановок. Будущее принадлежит ветрогенераторам мощностью от 5 до 100 киловатт, которые будут обеспечивать нужды сельского хозяйства и небольших поселений. Впрочем, имеется возможность применения и более мощных (до 5 мегаватт) установок, которые будут вырабатывать электроэнергию в составе уже существующих энергетических систем. Кроме того, ветровая энергия может быть использована для производство удобрений, для получения сжатого воздуха, который будет направляться в водоемы для их аэрации - повышения содержания кислорода, необходимого для его обитателей. Разные отросли промышленности все активнее делают заявки на ветровую энергию.

Экономическое обоснование

Масса детали Вал – 2,3 кг

Трудоемкость 31,12 мин

Трудоемкость на 1 кг массы детали 31,12/2,3= 13,5 мин

Материальные затраты

К итоговой сумме прибавим расходы на транспортировку 5%:

45902+(45902х5/100)=48197 руб

Также добавим стоимость фундаментных работ.

Для 1 м3 – 500 руб оформление котлована  и 300 руб для работ по армированию фундамента.

Итого для 2,5 м3 готового фундамента получим (500+300)*2,5=2000 руб 

С учетом полной стоимости фундамента:

45902+2000=47902 руб

Трудоемкость.

Определим трудоемкость для обработки материалов входящих в состав изделия.

Масса обрабатываемых материалов составляет 310 кг.

Трудоемкость 13,5 мин/кг

Т=310х13,5=4185 мин или 70 ч/ч

Разряд работы принимаем III.

Тарифная ставка для рабочих 31,34 руб/час.

Основная заработная плата:

                  З/п=70х31,34=2994 руб

Дополнительная з/п составляет 40% от основной:

                        Доп. з/п =2994х40/100=1198 руб

Отчисления по ЕСН составляют 26% от суммы основной и дополнительной з/п:

                 ( 2994+1198)х26/100=1090 руб

Накладные расходы принимают 100% от суммы основной и дополнительной з/п.

                        (2994+1198)х100/100=4192 руб

Итого себестоимость готового изделия:

47902+2994+1198+1090+4192=57376

       Рассчитаем амортизационные отчисления. Примем норму амортизационных отчислений - 5,3. Получим

57376*5,3/100=3041 руб/год

Рассчитаем окупаемость ветроэнергетической установки.

Потребляемое количество электроэнергии в год – 2580 кВт*ч/год.

Стоимость годового содержания  установки примем:

техническое обслуживание - 500 руб

амортизационные отчисления – 3041 руб.

Тогда стоимость вырабатываемой энергии ветряком будет:

(500+3041)руб/2580кВт*ч=1,37 руб

Стоимость электроэнергии в общественной сети: 

         за 1 кВт*ч – 2,11 руб

         за 1 год – 5444 руб.

Экономия в год:

Эг=(2,11-1,37)х2580=1909 руб

Срок окупаемости:

лет

Заключение

Итак, ветрогенераторы - это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы - высокотехнологичное изделие мощностью от 5 КВт до 4 500 КВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров - от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности.

Ветрогенераторы применяются в самых различных местах. Это открытые территории с хорошим ветропотенциалом, поля, острова, мелководье, горы. Как следствие энергетической политики в России- места, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого.

Широко распространены конструкции ветрогенераторов, не имеющих мультипликатора, что существенно увеличивает их производительность. При изменении направления ветра сенсоры на башне ВГ подают команду, и механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру. Стабилизация вращения ветроколеса ветрогенератора достигается различными методами, один из которых - поворот лопастей или их фрагментов вокруг своей оси под углом к направлению ветра.

- Ветрогенераторы могут работать как по одиночке (единичный комплекс), так и группами (ветропарк). Часто один или несколько ветрогенераторов работают параллельно с дизель-генераторами в качестве средства экономии расходов на дизельное топливо.

Вывод: …