VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Как использовать энергию ветра для нужд человека с давних пор волновала умы людей. «Зелёная энергетика – это энергетика будущего. Именно она современна и актуальна на фоне всеобщего роста потребления энергоресурсов человечеством на нашей планете, а также в условиях международных экономических и геополитических отношений. Энергоресурс на основе движения воздушных масс можно использовать как независимый источник дополнительной энергии в Крыму.

Цель работы:

Рассмотреть возможности использования энергии ветра в городе Мурманске. Сконструировать модель ветрогенератора и исследовать его работу, как устройства, дающего дополнительную энергию.

Задачи:

• Рассмотреть географическое положение в соответствии с направлением и силой ветра Мурманской области и города Мурманска.

• Познакомиться с историей развития ветродвигателей.

• Рассмотреть устройство ветроэнергетической установки.

• Изучить явления и законы аэродинамики, положенные в основуработы ветродвигателей.

• Провести экспериментальное исследование – изготовить модель ветрогенератора.

• Проанализировать достоинства и недостатки ветродвигателей, планы и перспективы их применения

Географическая характеристика Мурманска.

Мурманск- крупнейший в мире город, расположенный за Северным полярным кругом.

Мурманск является главным энергопотребителем на Кольском полуострове.

Город расположен на восточном берегу Кольского залива, на 4 террасах. Очень сильны перепады высот. Самая высокая точка города - безымянная сопка на окраине высотой 305,9 метров над уровнем моря. Самая низкая точка в городе - берег Кольского залива, совпадающая с уровнем моря.

В городе множество озёр. Что так же способствует формированию ветра в черте города. В городской зоне шесть родников и три ручья. В северной части города протекает небольшая река Роста.

Общая характеристика города располагает к максимальному использованию энергии ветра.

Средняя географическая высота г. Мурманска над уровнем моря50 м(таблица 1).

Таблица 1 – Географические высоты улиц г.Мурманска

Наименование улицы	Высота, м
Ул. Прибрежный рынок	22
Ул.Шмидта	44
Ул. Полярные Зори	51
Пр.Ленина	74
Ул. Скальная	149

Данные улицы города являются базовыми для террасового расположения Мурманска.

При изучении карт движения воздушных масс, было выяснено, что безветренной погоды в Мурманске нет (таблица 2).

Таблица 2 - Карта скорости ветра в г. Мурманске

Местоположение метеостанции	Среднегодовая скорость ветра (на высоте 10м)	Средняя скорость ветра (м/с)				Максимальная скорость ветра (м/с)
		Зима	Весна	Лето	Осень
Мурманск	4,4	4,8	4,3	3,8	4,5	29

Рассмотрим карту Кольского полуострова и соотношение среднегодичной скорости движения воздушных масс (рис. 1). Географическое положение города Мурманска находится в максимальной зоне движения воздуха. Более 5км/ч.

Рисунок 1 – Карта Кольского полуострова и соотношение среднегодичной скорости движения воздушных масс

На карте, всё побережье обдувается интенсивными ветрами, именно поэтому мы можем использоватьветровые установки. Суточный ход скорости ветра в Мурманске 4,5 м/с

В России в целом ситуация несколько обстоит по - другому. В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, поэтому привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы. Их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от такой работы существенное количество энергии не удастся. Карта энергоресурсов России показывает реальные возможности использования энергии ветра (рис. 2).

Характерный годовой ход скорости ветра в г. Мурманске 7,4м/с

Суточный ход скорости ветрав г. Мурманске 4,5 м/с

Рисунок 2 – Карта энергоресурсов России

Устройство ветроэнергетической установки представлено на рис.3.

Рисунок 3 – Ветроэнергетическая установка

1 – ветродвигатель; 2 – рабочая машина; 3 – аккумулирующее или резервирующее устройство; 4 – дублирующий двигатель; 5 – системы автоматического управления и регулирования режимов работы

Принцип работы.

Принцип действия ветродвигателя основывается на законе Бернулли о подъёмной силе крыла (рис. 4): Давление больше там, где скорость течениявоздуха меньше, и наоборот, меньше там, где скорость течения больше.

Рисунок 4 – Принцип действия ветродвигателя

Зная всё это, возникла необходимость рассмотреть вопрос: насколько эффективен ветрогенератор в городе, какие преимущества и недостатки могут быть при его использовании…

Эксперимент

Цель исследования: изготовить модель крыльчатого ветрогенератора с горизонтальной осью вращения (рис. 5) и установить влияние различных факторов на ЭДС, вырабатываемую им.

Рисунок 5 – Модель крыльчатого ветрогенератора

с горизонтальной осью вращения

Гипотеза: ε =|∆Ф/∆t| -закон электромагнитной индукции

Ф = ВSCos(ωt)

На ЭДС влияет:

1. давление воздушного потока – p,

2. количество лопастей ветроколеса - N,

3. диаметр ветроколеса – d.

Оборудование:

1. Ветроколёса d=85мм; 100мм;115мм;130мм

2. Генератор электроэнергии

3. Источник ветра - фен

4. Милливольтметр

5. Демонстрационный манометр: ц.д. = 1мм вод.ст.

Начальные условия работы ветрогенератора:

1 исследование: ветроколеса разного диаметра с N = 85; 100; 115; 130

2 исследование: ветроколеса с разным количеством лопастей. N=3;5;7

Результаты:

• первое исследование показало, чтоЭДС зависит от давления воздушного потока: чем больше давление, тем выше значение Э.Д.С(рис.6).

Рисунок 6 – Зависимость ЭДС от давления воздушного потока

• второе исследование показало, что ЭДС пропорциональна диаметру ветроколеса (рис. 7).

Рисунок 7 – Зависимость ЭДС от диаметра ветроколеса

При исследовании принципа действия ветряного энергогенератора определились его положительные и отрицательные стороны:

Выводы.

1. Недостатки ветряных установок:

• Низкая плотность энергии, приходящаяся на единицу площади лопасти

• Непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток

• Необходимость аккумулирования произведённой энергии

• Отрицательное влияние на телевизионную связь

• Испускание инфразвука, вызывающие низкочастотные колебания тел

• Отрицательное влияние на среду обитания животных

2. Достоинства:

• Доступность, повсеместность

• Постоянное поступление механическойэнергии

• Не требует транспортировки

• Отсутствие потребления кислорода

• Отсутствие выбросов углекислого газа и других продуктов сгорания

• Отсутствие влияния на тепловой баланс

• Автономный источник энергии. При чрезвычайных ситуациях, может использоваться как носитель энергии. В городе ветрогенераторами должны быть оснащены больницы, детские учреждения, здания городской администрации и т.д.

• В настоящее время зелёную энергию предполагают максимально использовать на территории Крыма

Применение ветрогенераторов какальтернативных источников тока представлено на рис. 8.

Рисунок 8 – Применение ветрогенератов

Перспективы развития Мурманского региона.

В районе Териберки построят крупнейший ветропарк в России. Будет установлено 80 турбин, каждая по 2,5 МВт. За год они будут вырабатывать650 ГВт в час.

Список использованных источников

1. Большая советская энциклопедия — БСЭ

Интернет-ресурсы

1. http://ru.wikipedia.org

2. http://e-veterok.ru

3. http://parus.z42.ru/

4. http://vetronet.com

5. http://zeleneet.com

6. http://alternativenergy.ru

Код для цитирования: Скопировать