Ветрогенераторы устройство принцип работы история возникновения ветрогенераторов

История ветрогенератора

История применения и значение энергии ветра в истории цивилизации. Устройство первых ветроэлектростанций. Использование энергии ветра в ХХ веке. Устройство и принцип работы ветряка Джеймса Блита, ветроэлектростанции Чарльза Браша, турбины Поль Ла Кура.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	31.10.2015
Размер файла	4,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Историческая справка

1.1 Первые упоминания использования энергии ветра

По данным М.В. Колодина и Я.И. Шефтера первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае.

В Египте около г. Александрия до сих пор сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа с вертикальной осью вращения. Каменная кладка сохранившихся частей мельниц говорит о том, что они были построены еще во 2-1 веках до н.э.

Представим себе горизонтальное бревно — вал с двумя крестовинами на концах. К крестовинам прикреплены продольные доски-лопасти. Вал помещается в двух опорах, укреплённых на столбах. Ветроколесо такого простейшего ветродвигателя очень похоже на общеизвестное водяное колесо, работа его также напоминает работу водяного колеса. Лопасти такого ветродвигателя ниже вала прикрываются щитом. Если поместить теперь вал поперёк ветра, то ветер будет давить лишь на верхние лопасти ветродвигателя. Нижние лопасти не будут испытывать давления ветра, так как их прикрывает щит. Благодаря этому лопасти начнут под действием ветра вращаться и будут вращать вал. Такие ветровые машины называются барабанными ветродвигателями: они раньше применялись там, где ветер часто дует в одном направлении.

В 7 веке н.э. в Персии были построены более совершенные конструкции — крыльчатые карусельные ветродвигатели. Использовавшаяся конструкция идентична барабанному ветродвигателю, но с расположенной вертикально осью вращения. У таких ветродвигателей лопасти имеют самую разнообразную форму. Порой отличались очень низким коэффициентом полезного действия, несмотря на то, что лопасти изготавливались из легкого дерева и материи. Причина их неэффективности состояла в том что многими народами была забыта иновационная составляющая -заслонка одной половины вала. В результате сила ветра, толкающая одну половину колеса с лопастями, тормозила вторую половину. Эти мельницы первоначально использовались в качестве двигателей для насосных станций, подающих воду для бытовых нужд и орошения полей. Использование такой мельницы получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока.

Позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти или более деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами.

энергия ветер ветроэлектростанция

Несколько позднее, в 8-9 веках ветряные мельницы появились в Западной Европе и на Руси. Начиная с 13 века ветродвигатели получили широкое распространение в Голландии, Дании, Англии и России для подъёма воды, размола зерна и в качестве привода различных станков и механизмов. Знаменательным моментом можно выделить начало строительства 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.

Особенно широко были распространены ветряные мельницы и ветронасосные установки в Голландии. С помощью ветронасосных установок эта маленькая страна постоянно отвоёвывала свою землю у наступающего моря.

Так же в Голландии был создан свой оригинальный тип ветряного двигателя, массивная башня которого была неподвижна, а на ветер поворачивалась вместе с ветровым колесом её верхняя часть или шатёр. Такие ветряные двигатели получили название шатрового или голландского типа. Ветродвигатели в развитии хозяйства Голландии сыграли огромную роль.

По этому поводу Карл Маркс в «Капитале» писал: «Частью недостаток естественных водопадов, частью борьба с избытком воды в других формах заставили голландцев применять ветер в качестве двигательной силы. Самые ветряные мельницы голландцы заимствовали из Германии, где это изобретение вызвало серьёзную борьбу между дворянством, попами и императором из-за того, кому же из них троих «принадлежит» ветер. Ещё в 1836 г. в Голландии было в ходу 12000 ветряных мельниц в 6000 лошадиных сил, которые предохранили две трети страны от обратного превращения в болото».

1.2 Применение и значение энергии ветра в истории цивилизации

Мукомолье это единственный вид сельскохозяйственного производства, где энергия ветра используется с незапамятных времён. Но известно и множество других примеров её (энергии) применения.

В Китае, Персии и на острове Крит явно найдены свидетельства того, что ветряки здесь использовались не только для перемола зерна, но и подачи воды на поля и в дома.

В 14 столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, через 4 года первая бумажная фабрика. Оба предприятия использовали энергию ветра. Конструктивное решение в этих случаях было примерно таким: к нижней части вертикального вала через дополнительную металлическую или деревянную зубчатую передачу подключается горизонтальный вал. На нём размещаются рабочие шкивы для привода различных машин.

В 1714 г. француз Дю Квит предложил использовать пятилопастное карусельное ветроколесо, установленное на треноге, для вращения гребных колес судна. Гениальность этой идеи состояла в том, что такое судно могло свободно двигаться в любом направлении независимо от направления ветра. Однако в начале 20 века ветряки использовали для эксплуатации дополнительного оборудования на судах, например для подъема якоря или работы помп.

Таким образом, основные принципы работы ветродвигателей, используемые и в современности, были изобретены очень давно. Инженерная мысль на основе современных знаний находит применение этим принципам в самых разных областях. Открытие электричества, изобретение генератора стали новым стимулом к совершенствованию ветряных двигателей. Несомненно, что идея использовать силу ветра для выработки электроэнергии приходила в голову не одному инженеру.

И вот наконец в 1888 году в США Чарльзом Брашем был создан первый ветрогенератор для производства электричества, он был очень большим: диаметр ротора был равен 17 метрам и ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра. Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под ней. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт.

2. Первые ветроэлектростанции

2.1 Ветряк Джеймса Блита

Первый ветряк, использующийся для производства электроэнергии, был построен в Шотландии в июле 1887 г. профессором Джеймсом Блит в колледже Андерсона. Его диаметр был равен 10 метрам. Он была установлен в саду его коттеджа и использовался для зарядки аккумуляторов , разработанных французом Камиль Альфонс Фором. Аккумуляторы в свою очередь были нужны для питания освещения в коттедже. Блит предложил излишки электроэнергии для освещения главной улицы, однако, жители отклонили предложение, поскольку они думали, что электричество было «работой дьявола.» Несмотря на это, Блит построил ветряные турбины для поставки аварийного питания местного лазарета и диспансера. Никто не обратил внимания на его изобретение, посчитав их экономически невыгодными.

2.2 Ветроэлектростанция Чарльза Браша

В течение зимы 1887-88 гг. Браш сконструировал и построил первую автоматически управляемую ветровую турбину для производства электроэнергии. Её он и использовал на ветроэнергоустановке, которую удалось возвести в конце 1888 года. Вот некоторые её характеристики:

диаметр ротора: 17 метров

высота башни: 18 метров

количество лопастей: 144

мощность: 12 кВт

материал лопастей: кедр (этот материал был выбран благодаря способности выдерживать большие нагрузки на сжатие, растяжение и изгиб. Кроме того он не поддается влаге и не разъедается жучками. Кедровая древесина почти не подвержена гниению, чревоточине.)

2.3 Турбина Поль Ла Кура

В Дании в 1891 г. Дан Поль Ла Кур разработал и построил ветряную турбину, вырабатывающую до 25 кВт, для выработки электроэнергии. Он применял ее для производства водорода посредством электролиза. Водород он использовал в своих экспериментах и более наглядного преподавания в средней школе деревни Askov, в которой он работал. В том же году он попытался организовать компанию по продаже электричества. Однако бизнес по продаже энергии ветра не получился. Позже, усовершенствовав свое изобретение и добившись более стабильной выработки энергии, он переделал свой ветряк в прототип электрической электростанции, которая была использована в 1895 году для освещения деревни Askov.

В его изобретениях числится так же электропривод с генератором, позволявшим подключаться к наиболее эффективным по своей конструкции на то время ветряным мельницам и вырабатывать электричество.

Несмотря на коммерческие неудачи изобретателя, его установка считается первым электроветряком современного типа.

3. Двадцатый век

Развитие в 20 веке можно разделить на периоды:

1900-1973, когда ветрогенераторы использовались в случае если поблизости не было ископаемого топлива или рек, а расстояние до центральной энергосети слишком далеко.

1973-наше время, когда нефтяной кризис стимулировал поиски альтернативных видов энергии.

3.1 Ветроэнергетика в России

В 1918 году получением электричества с помощью ветра заинтересовался профессор В. Залевский. Он создал теорию ветряной мельницы и сформулировал ряд принципов, которым должен отвечать ветрогнератор. В 1925-м профессор Н. Жуковский организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. В 30-х годах двадцатого века руководство Советского Союза всерьез озаботилось использованием энергии ветра. Было налажено производство ветроустановок мощностью 3-4 кВт, причем выпускались они сериями.

Самую первую ветроэлектрическую станцию в СССР установили в 1930 году в городе Курске. Разработал ее Анатолий Георгиевич Уфимцев, причем ветроэлектростанция строилась на средства самого изобретателя.

Это сооружение имеет:

— раскреплённую вантами башню ферменной конструкции высотой 42 м с площадкой;

— ветросиловую установку, состоящую из трёхлопастного ветроколеса диаметром 10 м, имеющего механизм (первый в мире) управления шагом лопастей, и флюгерные лопасти;

— инерционно-кинетический аккумулятор, выполненный в виде диска диаметром 95 см и массой 328 кг, помещённого в кожух с разреженным воздухом;

— динамомашину постоянного тока мощностью 3,5 кВт (220 В, 16 А) при 1580 об/мин.

В 1931 году в СССР заработала самая крупная на тот момент в мире Ялтинская ВЭС мощностью 100 кВт.

Строительство и установка ветрогенераторов шло высокими темпами вплоть до начала 60-х. Достаточно сказать, что с 1950 по 1955 годы Союз выпускал до 9 тысяч ветроустановок ежегодно. Когда осваивалась целина в Казахстане, советские люди соорудили первую многоагрегатную ВЭС, работавшую совместно с дизелем; общая мощность данной установки составляла 400 кВт.

Однако к концу 60-х ветроэнергетика Советского Союза уступила место крупным ТЭС, ГЭС и АЭС, и серийное производство «ветряков» было свернуто. К ВЭС вернулись в 90-е годы ХХ века, не в пример США и Европе.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

История использования энергии ветра. Современные методы генерации электроэнергии, конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Мировые мощности ветряной энергетики, проблемы, экологические аспекты и перспективы развития.

реферат [580,7 K], добавлен 21.11.2010

История использования энергии ветра; современные методы генерации электроэнергии. Малая ветроэнергетика в России: экономические и экологические аспекты. Ветряные электростанции Германии; поставщики ветрогенераторов. Потенциал ветроэнергетики Китая.

реферат [1,4 M], добавлен 15.06.2013

История использования и современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра. Перспективы развития ветроэнергетики в мире, экономические и экологические аспекты, себестоимость электроэнергии. Проект «Джунгарские ворота» в Казахстане, его цель.

реферат [835,1 K], добавлен 01.03.2011

Существующие источники энергии. Мировые запасы энергоресурсов. Проблемы поиска и внедрения нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Альтернативная энергетика. Энергия ветра, недостатки и преимущества. Принцип действия и виды ветрогенераторов.

курсовая работа [135,3 K], добавлен 07.03.2016

Ветер как источник энергии. Выработка энергии ветрогенератором. Скорость ветра как важный фактор, влияющий на количество вырабатываемой энергии. Ветроэнергетические установки. Зависимость использования энергии ветра от быстроходности ветроколеса.

реферат [708,2 K], добавлен 26.12.2011

Источник

Принцип работы ветрогенератора

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.

Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

• для автономной работы;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с солнечными батареями;
• параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

• установка экологически чистая;
• отсутствует потребность её заправки топливом;
• не накапливаются какие-либо отходы;
• устройство работает очень тихо;
• имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора

Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании. Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек. В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.

Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)

Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.

Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО. Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения. Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.

Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.

Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию. Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей. Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.

Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость. Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом. Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.

При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.

Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности. Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия. Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.

Ветрогенераторы российского производства

В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства. Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные. Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.

Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в комментариях или через форму.

Источник