Разработка и создание парусной ветроустановки - Курсовая работа

Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. 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; Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. 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 изпод ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. 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.Перспективы развития ветроэнергетики Казахстана обусловлены высоким потенциалом ветровой энергии в РК и «Стратегией территориального развития Республики Казахстан до 2015 года», согласно которой намечены мероприятия по проработке вопроса развития ветроэнергетики в регионах, обладающих значительным потенциалом ветровой энергии. Порядка 50% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 4-5 м/с, а ряд районов имеет скорость ветра 6м/с и более, что предопределяет очень хорошие перспективы для использования ветроэнергетики. Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами: - возобновляемый ресурс энергии, не зависящий от мировых рынков топлива; Парус практически мгновенно подстраивается под силу и направление ветра, что обеспечивает возможность работы парусного ветряка в широком диапазоне скоростей ветра, от самых малых до буревых. Так как паруса располагаются по периферии ветроколеса, то даже при слабом ветре такое ветроколесо передает на ось электрогенератора заметную мощность, тогда как сечение лопасти у классического лопастного ветряка уменьшается от центра к периферии, поэтому лопастные ветряки, не способны утилизировать слабый ветер.Можно будет избежать неравномерности в скорости ветра по высоте, так как каждый парус, работая на общую ось, гибко сам будет подстраивается под силу и направление локального воздушного потока. Кроме того, как показали наблюдения на лабораторном макете, при движении ветра, паруса создают между собой систему воздушных каналов, воздух в которых перенаправляется в таком направлении, что обеспечивается увеличение мощности ветроколеса, так как увеличение скорости воздуха между парусами приводит к падению давления между ними, а значит, в эти зоны будет устремляться воздушные потоки, «пролетающие» рядом с ветроколесом (аэродинамический эффект). В течение полугода были произведены испытания материала парусов на стойкость к погодным условиям и по предварительным расчетам, срок службы составит не менее 3 - х лет. По данным «Казгидромет» в нашем городе средняя скорость ветра по направлениям составляет 3,9 м/с, а средне годовая скорость ветра - 2,3 м/с, но в отдельных местах города и пригорода средне годовая скорость ветра достигает - 5м/с. Как видно, из приведенных данных этой скорости будет достаточно для постоянного вращения парусов ветроустановки (минимальная скорость ветра при которой паруса будут вращаться-1,9м/с).В результате реализации проекта было выбрано место установки ветрогенератора - крыша корпуса лаборатории. В опытно-промышленной площадке лаборатории изготовлены некоторые ответственные детали ветроустановки: головка откидного болта ветроколеса, фланец, стопорный болт вала, поворотная площадка мачты путем термообработки изделий после фрезерно-токарных работ.

Содержание

1. Абстракт

2. Введение

3. Аналитический обзор

4. Объект исследования

5. Результаты работы и их обсуждение

6. Заключение

7. Список использованной литературы вал мощность износостойкость ветроэнергетическая установка

1. Абстракт

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

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 изпод 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 (?-, ?-, ?- 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.

Сегодня в США, Великобритании, Дании и Канаде производятся ветровые турбины мощностью 1 МВТ электроэнергии (этого хватает, чтобы мгновенно вскипятить 500 чайников). Самые большие ветрогенераторы в мире - английская LS-1 на острове Оркни и американская MOD5-B на Гавайских островах. Лопасти английской турбины имеют размах 60 метров, она производит приблизительно 3 МВТ электроэнергии. Американская еще больше: размах лопастей 96 метров.

Однако вряд ли ветровая энергетика будет развиваться по пути гигантизма. Скорее, будущее принадлежит средним турбинам, более удобным в производстве и эксплуатации. Как бы ни были велики и мощны современные ветрогенераторы, они пока не могут полностью обеспечить потребности крупных городов. Небольшие ветровые электростанции успешно действуют во многих странах мира. В США, например, где множество ферм и малых городов расположено в труднодоступной местности, всячески поощряется строительство ветрогенератор в 1,5 киловатта. На одном из Северо-Фризских островов в Германии уже много лет работает установка для опреснения морской воды, а на острове Пельворм даже создан полигон для испытаний разных моделей ветроустановок. В нашей стране ветрогенераторы малой мощности успешно применяются в южных животноводческих хозяйствах для механизации подъема воды. Практика показала, что использование их обходится в 4 раза дешевле, чем использование дизельных двигателей, и в 10 раз дешевле подвоза воды автомобилями.

Непостоянство силы ветра требует надежной аккумуляции (сохранения) энергии на периоды затишья. Однако существующие аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми ветрогенераторами. Вследствие этого энергию ветра лучше аккумулировать в самом продукте, который она производит, - в смолотой муке, измельченных кормах, воде, наполнившей водонапорную башню. Все это повышает ценность применения ветровой энергии именно в сельском хозяйстве.

Одно из достоинств ветроустановок заключается в том, что они действуют как бы в унисон с нашими потребностями. В большинстве регионов земного шара наиболее сильные ветра дуют осенью и в начале зимы - как роз тогда, когда человек больше всего нуждается в свете и тепле. И наоборот, времена затишья - в основном летом - совпадают с периодами сокращения потребления энергии (мы говорим, разумеется, о бытовом потреблении). Но это и другие достоинство выглядят бледновато по сравнению с основным недостатком: чтобы увеличить мощность ветроустановки, надо наращивать размер лопастей, то есть, утяжелять конструкцию. Однако тогда для работы ветрогенератора потребуется еще большая скорость ветра, а значит, сузятся районы применения установки.

Постановка проблемы.

Республика Казахстан находится на этапе устойчивого социально-экономического развития. Ежегодный прирост внутреннего валового (ВВП) продукта составляет порядка 8 процентов. Основной прирост ВВП обеспечивается за счет горнодобывающей и нефтегазовой отраслей. Приняты государственные программы по диверсификации экономики и развития не сырьевых отраслей промышленности и сельского хозяйства. Президентом страны поставлена задача входа страны в 50 наиболее конкурентных стран мира. В то же время экономика страны характеризуется высоким потреблением энергии. Высокая энергоемкость экономики приводит к нерациональному использованию топливно-энергетических ресурсов, снижает конкурентно способность экономики и приводит к существенному загрязнению окружающей среды. В Стратегии индустриально - инновационного развития Республики Казахстан поставлена задача снижения энергоемкости экономики в два раза к 2015г. Как следствие высокого потребления энергоресурсов происходит значительное загрязнение окружающей среды. По удельным выбросам парниковых газов на единицу ВВП (6,11 кг СО2/USD) Казахстан занимает третье место в мире. Казахстан является участником Киотского Протокола и обязан вести работы по снижению выбросов парниковых газов. В этой связи, для обеспечения устойчивого социально-экономического развития Республики Казахстан необходимы усилия по повышению энергоэффективности экономики и сохранению окружающей среды. Одним из путей сокращения потребления топлива и вредного влияния на окружающую среду является использование возобновляемых источников энергии.

В этой связи актуальным и своевременным является проект по созданию новых типов эффективных ВЭУ.

Актуальность проблемы.

В настоящее время в РК работы по использованию энергии ветра ведутся преимущественно на территориях с хорошими ветровыми условиями (Алматинская область, Акмолинская, Мангистаускаяи.т.д.). Разработка и создание ВЭУ для большей части территории Казахстана со среднегодовой скоростью ветра менее 6 м/с, частыми перепадами его скорости и политропной розой ветров требуют поиска новых технических решений, обеспечивающих энергоэффективность ВЭУ с совокупе с их невысокой стоимостью и небольшими массогабаритными размерами. Разработанный ветрогенератор с горизонтальной осью вращения в однофазном исполнении предназначен для бесперебойного снабжения электроэнергией мощностью до 220 В. При наличии среднегодовой скорости ветра более 2,5 м/с достаточно ветроустановки мощностью 5 КВТ для электроснабжения потребителей домов, коттеджей и т.д. В периоды сильного и продолжительного ветра излишки вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления помещений.

Кроме того, особо актуальна эта проблема стоит в преддверии Международной выставки «Экспо 2017» в г. Астана, результаты данного проекта могут послужить в качестве выставочного материала отечественной разработки.

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

Задачи: - Сборка и установка ВЭУ;

- эксплуатация, оценка и оптимизация рабочих параметров ВЭУ;

- построение зависимостей скорости ветра и вращения вала ВЭУ от вырабатываемой мощности;

- модернизация и улучшение рабочих характеристик ВЭУ в процессе его работы, оценка конкурентных преимуществ ВЭУ;

- разработка технологии изготовления износостойких упрочняющихся материалов для ВЭУ на базе опытно-промышленной площадки.

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.

Объект исследования: Парусный ветрогенератор.

Предмет исследования: Процесс преобразования ветрового потока в электроэнергию и подвод электроэнергии к потребителю.

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

В результате реализации проекта было выбрано место установки ветрогенератора - крыша корпуса лаборатории. Данное место было выбрано исходя из его ветропотенциала, который оценивался путем измерения скорости ветра с помощью анемометра в течении года. Разработан эскиз ветрогенератора расчетной мощностью 5 КВТ с горизонтальной осью вращения в трехфазном исполнении, предназначенный для бесперебойного снабжения электроэнергией. В опытно-промышленной площадке лаборатории изготовлены некоторые ответственные детали ветроустановки: головка откидного болта ветроколеса, фланец, стопорный болт вала, поворотная площадка мачты путем термообработки изделий после фрезерно-токарных работ.

Таким образом, разработанная конструкция парусного ветрогенератора позволит эффективно использовать энергию ветра за счет использования большой площади ветрового потока, за счет сравнительно медленного движения парусных элементов безопасного для человека и животных, не создает шумовых инфразвуков и радиопомех, работает в приземных воздушных потоках. Турбулентность приземного воздушного потока мало влияет на эффективность работы установки.

1. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. Пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов. -М.: Высш. Шк., 1990. - 416 с: ил, с. 287 - 298.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике - М., «Машиностроение», 1969 - с.99.

3. ГОСТ Р 51991-2002. Нетрадиционная энергетика. Ветронергетика. Установки ветроэнергетические. Общие технические требования.

4. Фатеев Е. М. / Как сделать самому ветроэлектрический агрегат/: Государственное энергетическое издание, Москва, 1949 г.,314 с.

5. Фатеев Е.М. / Ветродвигатели ветроустановки / Сельхозиздание, Москва, 1948 г., 186 с.

6. Безруких П.П., Безруких ПЛ. (мл.).Что может дать энергия ветра: Ответы на 33 вопроса. М.: Недра, 2002. 39 с.

7. Power performance measurements of electricity producing wind turbines, 1st ed., 12/2005.

Размещено на