Белорусская ветроэнергетика. Реалии и перспективы

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Белорусский национальный технический университет

 

Кафедра: «Электротехника и электроника»

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по  дисциплине «Технические средства обучения и методика их применения»

на тему «Белорусская ветроэнергетика. Реалии и перспективы»

 

 

Исполнитель

студент группы 109330:      Метельский А.Д.

Руководитель

Канд. физ.-мат. наук, доцент       Кравченя Э.М.

Минск 2012

Оглавление

 

 

Введение

Тема моей курсовой работы называется «Разработка и изготовление средств обучения по теме Белорусская ветроэнергетика. Реалии и перспективы» по дисциплине «Общая энергетика». Она предназначена для студентов электроэнергетических и электротехнических специальностей вузов [1]. В качестве основного может быть использовано студентами, которые специализируются по электроэнергетическим системам, электрическим сетям, электрическим станциям, системам электроснабжения, а как вспомогательное – студентам смежных инженерных специальностей, экономических и педагогических специальностей энергетического профиля. Курсовая работа содержит материал по состоянию и перспективам развития ветроэнергетики, а также рисунки к ним. В ней приведены характеристики и основные параметры ветряков различных конструкций[2].

Методика обучения формирует информационные потоки, объем, и последовательность подачи которых  обеспечивает полное усвоение поставленной цели. В этом процессе технические средства призваны облегчить учебно-воспитательный процесс.

Разрабатывая  технические средства обучения, слайды для средств мультимедиа, я ставил следующие цели: экономия учебного времени, отводимого на изучение теоретического материала; активизация познавательной деятельности учащихся; углубление и конкретизация знаний  и  обогащение  представлений учащихся, получаемых на основе объяснения учителя; формирование практических навыков и умений.

Для повышения  эффективности изучения и усвоения этого материала в данной работе приведено много наглядных пособий: рисунков, схем, фотографий. Также в учебном процессе широко используются наглядные пособия в виде слайдов. Слайды содержат рисунки с кратким пояснением. При пояснении нового материала можно тут же представить наглядный рисунок в виде слайда. Но слайд не является самостоятельным источником информации, поэтому изображение на нем не может быть полностью усвоено без пояснений учителя. При подготовке к занятиям необходимо утвердить последовательность демонстрации слайдов, а также решить какие пояснения будут сопровождать каждый слайд.

В ходе курсовой работы предо мной стоит задача в создании следующих средств наглядного обучения и контроля:

• Для наглядного массового объяснения основных определений – разработать презентацию;
• Для контроля усвоенных знаний – создать тест.
• Для самостоятельного обучения – создать Интернет сайт.

 

1. История развития ветряных генераторов

Что же такое ветряк, ВЭС или как его еще называют ВЭУ? Издавна человечество искало способы использовать энергию ветра. Со временем применение ветряных машин  или ветряков нашло свое применение в переработке зерна, осушении земель и, наконец, получении электроэнергии.

Первая ветряная мельница выглядела очень просто: вертикальный вал и паруса, прикреплённые к нему. Жернова такого устройства перемалывали зерно в древней Персии.

Со временем к людям пришло понимание того, что эффективность ветряных мельниц можно повысить, если использовать горизонтальный винт, раположенный на башне. Чем выше башня, тем сильнее ветер, тем больше зерна можно перемолоть. Такая ветряная мельница передавала основное движение с горизонтального вала на вертикальный, который, в свою очередь, приводил в движение жернова.

Правда у ветряных мельниц был очевидный недостаток – направление ветра постоянно меняется, что привело к необходимости поворачивать башню, что требовало от мельника немалой физической силы. На сегодняшний день почти все ветряные генераторы имеют башню, поворачивающуюся навстречу ветру самостоятельно. Этот способ впервые был применен для флюгеров, а затем получил распостранение при создании ветряных мельниц.

Наиболее часто ветряные мельницы использовались в городах Европы начиная с 16 века. Здесь их применяли как для орошения засушливых районов, таки для откачки воды.

Наиболее распространены такие устройства были в Голландии, Франции, Испании. Позднее ветряные мельницы уступили место водяным – постоянная скорость течения реки стала преимуществом, а затем и паровым генераторам. Но с появлением электричества ветряные мельницы начали свою вторую жизнь, и теперь широко распространены по всему миру.

История ветряков началась в Персии. Бескрайние пустынные просторы этого государства, обдувающиеся сухими ветрами, подтолкнули древних изобретателей использовать силу ветра на свое благо.

До нас дошли лишь туманные описания первых ветряных мельниц, но судя по ним, прообраз современного ветрогенератора с его классической горизонтальной осью и вращающимися лопастями, был заложен еще в древности, а именно в 7 веке.

Конечно, хрупкие конструкции с лопастями из легких пород дерева, обтянутые тканью, не пережили века, наполненные войнами и разрушениями. Правда существует и другая точка зрения, согласно которой, ветряные мельницы появились задолго до персидских - в древнем Китае. Китайцы известны своим поклонением ветру, их умение строить воздушных змеев приводит в эту страну тысячи туристов.[3]

Сразу введем расшифровки некоторых сокращений. Ветряк - любое устройство, преобразующее линейное движение масс воздуха во вращательное. Человек может подразумевать под словом ветряк что угодно - от электростанции до флюгера. ВЭС - ветряная электростанция, так же может иметься ввиду ветряной генератор или их совокупность. ВЭУ - ветряная энергоустановка. Имеется ввиду любое устройство, преобразующее энергию двигающихся масс воздуха в электрическую. Далее расскажем подробно о том, что же такое  ветряной генератор или ветряк, принципах их работы и распостраненнии в мире.

Стоит отметить, в первую очередь, что ветроэнергетика относится к так называем возобновляемым источникам энергии, то есть, в отличии от сжигания нефтепродуктов, ресурс которых ограничен, ветер на нашей планете был и будет всегда.

Кроме этого, ветряной генератор или ветряк как источник энергии довольно эстетичен, современен и поэтому радует глаз. Со временем распространение ветряных генераторов привело к появлению новой отрасли энергетики – это ветроэнергетика. В настоящее время ветроэнергетика в некоторых странах, например Дании, является основным направлением развития отрасли. Как и энергия морских приливов, солнца, ветроэнергетика отнисится к возобновляемым источникам энергии, поэтому происходит рост интереса к этому направлению. По статистике Всемирной Ассоциации ветроэнергетики (World Wind Energy Association WWEA) количество электрической энергии, полученной посредством превращения кинетической энергии масс воздуха, достигает величины 94 ГигаВатта, то есть это количество электричества, которое дает ветроэнергетика.

Приведем некоторые цифры, предоставленные Европейской Ассоциацией ветроэнергетики. С 1997 года по 2007 объем производимой ветрогенераторами во всем мире энергии вырос с значения 7,47 ГВт до 94,1 ГВт, то есть в 13 раз. Прогнозируемый показатель на 2010 год – 170 ГВт - то, что дает ветроэнергетика.[4]

В чем причины такого бурного развития? В настоящее время ветроэнергетика растет за счет большого скачка в области создания материалов: легких и прочных композитов, а так же положительно сказывается появление на рынке множества фирм-производителей ветрогенераторов, чья продукция постоянно модернизируется, повышается КПД, но при этом за счет конкуренции и введения новых технологий падает цена. Кроме этого, во многих Европейских странах ведется политика поддержки разработчиков в области ветроэнергетики и  получения электроэнергии из возобновляемых источников.

Рассмотрим, как распространена ветроэнергетика в мире. Для этого обратимся к данным, предоставленным в отчетах Европейской Ассоциацией ветроэнергетики. Государством, где наиболее интенсивно используется ветроэнергетика, является Германия. Здесь с помощью ветрогенераторов в 2007 году было выработано 22247 МВт электроэнергии.

На втором месте ветроэнергетика США: здесь было выработано 16818 МВт электроэнергии из ветра. На третьем месте Испания 15145 МВт. Далее расположились: Индия, Китай, Дания, Италия, Великобритания, Франция, Португалия, Нидерланды. Как видим, наибольшее распространение ветроэнергетика получила Европа. Нужно отметить успехи таких небольших государств, как Испания и Дания, процент электроэнергии, которую дает ветроэнергетика, перешагнул отметку в 40%. Правда, необходимо уточнить и тот факт, что этому во многом способствует природные факторы.[5]

 

2. Устройство и принцип работы ВЭС.

Все ветроэлектростанции  работают по одному принципу: преобразуют  линейную скорость ветра в угловую  скорость вращения оси ветрогенератора. Генератор ветроэлектростанции  преобразует вращательное движение в электроэнергию.[6]

1. Лопасти турбины.

2. Ротор.

3. Направление  вращения лопастей..

4. Демпфер.

5. Ведущая ось.

6. Механизм вращения  лопастей.

7. Электрогенератор.

8. Контроллер  вращения.

9. Анемоскоп  и датчик ветра .

10. Хвостовик Анемоскопа.

11. Гондола.

12. Ось электрогенератора.

13. Механизм  вращения турбины.

14. Двигатель  вращения.

15. Мачта.

 

Ветрогенераторы современных конструкций позволяют  использовать экономически эффективно энергию ветра. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности.

1. Лопасти подвижного  ротора либо ветротурбина ветроэлектростанции  и сам генератор (как правило  это синхронный трехфазный с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =24 В)

2. Мачта с  растяжками. Чем выше высота мачты  ветроэлектростанции, тем больше  скорость ветра. Но слишком  высокая мачта может оказаться  неустойчивой при сильном ветре.  Для этого существуют болкираторы, останавливающие вращение на больших скоростях при работе ветроэлектростанции.

3. 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.

4. Батарея аккумуляторов  (обычно автомобильные на 12 В) - 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.

5. Инвертор (= 12 В -> ~ 220 В 50Гц). Еще его называют  преобразователь - преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

Инверторы бывают четырёх типов:

1. Модифицированная синусоида - преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств и т.п.

2.Чистая синусоида  - преобразовывает ток в переменный  с напряжением 220В с чистой  синусоидой. Пригоден для любого  типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и.др.

3.Трехфазный  – преобразовывает ток в трехфазный  с напряжением 380В. Можно использовать  для трехфазного оборудования.

4.Сетевой –  в отличие от предыдущих типов  позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже, чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые.

6.Электрическая  сеть связывающая ветрогенератор  с жильем.

7. Электрическая  сеть связывающая ветрогенератор  с общей сетью.

Для промышленной ветроэлектростанции все аналогично, только присутствуют системы слежения за направлением и скоростью ветра, которая направляет лопасти в сторону ветра и прекращает их работу в случае превышения допустимых скоростей, системы слежения за состоянием ветрогенератора и системы защиты от молний. Мачта ветроэлектростанции часто заменяется на башню, напоминающую маяк. Так как же работает ветроэлектростанция? Направленный поток воздуха вращает лопасти ротора.Затем ротор передает вращение на генератор, который подает выработанное электричество через контроллер на аккумуляторы. Инвентор преобразует электричество в пригодное для использования. Все! Простота метода и его экологичности позволяет делать ветроэлектростанции все более популярными.