Задорожний Віталій

Науковий керівник – А. В. Рябко

Глухівський національний педагогічний університет

імені Олександра Довженка

Анотація. В статті розглядаються фізичні основи вітроенергетики і технологія виготовлення саморобного вітрового агрегату.

Ключові слова: вітроустановка, вітрова енергія, генератор.

Фізика – фундаментальна наука сучасного природознавства, яка має визначальний вплив на зміст науково-технічної революції. Практичне значення фізичних явищ і законів в наш час загострення екологічних проблем означає також необхідність цивілізованого ставлення людини до природи та екологічної виваженості у використанні фізичного знання в суспільному розвитку людства. Досягнення фізики дозволяють вирішувати завдання охорони навколишнього середовища, створювати «дружні» технології, які стають частиною нашого повсякденного життя.

Вітроенергетична установка, або вітроустановка – сучасний екологічний метод отримання енергії. Ефективні двигуни і нові легкі матеріали для турбін зменшили витрати на 90 % у порівнянні з 1981 роком, а вартість енергії, яку отримують на вітрових електростанціях, стала конкурентоздатною до теплових електростанцій. Світовий ринок вітрових електростанцій у 2000 році склав близько 2,4 млрд. доларів, в цій галузі створено десятки тисяч робочих місць.

За кордоном вітрова енергетика стала одним з напрямків використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, які найбільш динамічно розвиваються в Данії, Англії, США, Австралії, Новій Зеландії, Франції, Німеччині. Там експлуатується понад 1 млн. вітроустановок одиничною потужністю 5 – 200 кВт.

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетворюється в механічну енергію їх робочих органів.

Вітроколесо має такі характеристики:

• площа перетину, яка охоплюється вітровим колесом (для горизонтально-осьових коліс) S = πD²/4, де D – діаметр вітроколеса, або площа лобового опору (для вертикально-осьових вітроколіс) S = h∙b, де h і b – відповідно висота ротора і його середній діаметр;
• геометричне заповнення – відношення площі проекції лопатей на площину, яка перпендикулярна до потоку,  до площі перетину, що охоплюється вітровим колесом; наприклад, при однакових лопатях чотирилопатеве колесо має удвічі більше геометричне заповнення, ніж дволопатеве;
• коефіцієнт потужності С_р – характеризує ефективність використання вітроколесом енергії потоку повітря; залежить від конструкції вітроколеса;
• коефіцієнт швидкохідності Z – це відношення швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

При швидкості вітру v_о і густині повітря ρ вітроколесо з площею перетину, яка охоплюється вітровим колесом S розвиває потужність:

N = C_NSρv_о³/2                                                     (1)

З формули видно, що потужність пропорційна кубу швидкості вітру. За теорією Жуковського, максимальне значення коефіцієнта потужності 0,6-0,69. На практиці найкращі швидкохідні колеса мають C_N  0,45-0,48; для тихохідних коліс C_N  0,35-0,38.

Виготовлення «вітряка» власними руками – завдання цілком реальне. Причому конструктивний і раціональний підхід до справи допоможе звести до мінімуму неминучі фінансові витрати. У першу чергу варто розробити проект, провести необхідні розрахунки балансування і потужності.

Винахідник із с. Бистрик Кролевецького району Сумської області Микола Олександрович Роде власноруч побудував вітроелектростанцію. З дозволу майстра ми ознайомилися з конструкцією, принципом роботи і обладнанням вітроелектростанції.

Дана вітрова установка представляє собою вишку з трьома лопатями довжиною 3,5 м. Висота вітрової установки від землі до точки обертання лопатей – 14 м. На вишці встановлено оглядовий майданчик і флюгер з герконовими датчиками. Основою вишки є квадрат зі стороною 3 метри. Металева конструкція вишки стоїть на фундаменті із залізобетонних стовпів, які закопані в землю на глибину 1,65 м. Маса однієї лопаті становить 18 кг, вони всі виважені до різниці в межах 5–10 грамів – це було зроблено для того, щоб звести биття до мінімуму. Кут лопаті відносно площини обертання в основі складає 24 градуси, а на кінці приблизно 3 градуси (кут заклинювання).

На рис. 1 цифрами позначено: 1) щит керування; 2) вольтметр, амперметр; 3) інвертор (пере-творювач); 4) щит контролю зарядки; 5) анемометр; 6) двигун повороту; 7) флюгер; 8) акуму-ляторні батареї; 9) фундамент; 10) оглядовий майданчик; 11) тягарці.

Вітряк швидкохідний. Регулювання обертів здійснюється за допомогою тягарців масою 7 кг кожен, які знаходяться в центрі кола обертання лопатей.

Регулювання обертів здійснюється за рахунок відцентрової силі, яка діє на три тягарці, що за допомогою важелів розтягують або стискають пружину, яка повертає лопаті паралельно в площині обертання в залежності від сили вітру.

Орієнтація на вітер здійснюється в трьох основних режимах:

1) автоматичному – флюгер (рис.1, 7), який встановлено на оглядовому майданчику, має закріплені на собі два герконові датчики з обох боків. Коли вітер повертає флюгер, то магніт, який закріплений на хвості флюгера, замикає контакти датчика і в апаратній частині спрацьовує відповідне реле. Через діоди сигнал йде на реле часу, яке створює певну затримку і забезпечує захист від коротких поривів вітру. Якщо встановлюється стабільний напрямок вітру, то електричний сигнал йде до двигуна повороту вітряного колеса (рис.1, 6), який коригує напрямок повороту лопатей вітряка.

2) ручному – регулювання повороту вітряка здійснюється за допомогою відповідних кнопок на пульті керування, який знаходиться в апаратній частині – маленькому будиночку біля основи вітрової установки.

3) дистанційному – керування поворотом вітряка здійснюється за допомогою дистанційного пульту, до якого вмонтований радіопередавач, а в апаратній частині на пульті керування (рис.1, 1) встановлено радіоприймач. Запчастини майстер використав з радіокерованих моделей.

Вітрова установка обладнана захистом від урагану. На верхівці вітряка встановлено анемометр з пластиною, яка відхиляється на певний кут в залежності від сили вітру. На пластині встановлений магніт, а на корпусі анемометра – герконовий датчик. Під час коротких, але досить сильних поривах вітру сигнал з датчика йде на реле часу, яке забезпечує відповідну затримку. Якщо сильний порив вітру має більш стійкий характер, то, після певної затримки реле часу, сигнал йде до двигуна повороту. Реле, яке подає сигнал на двигун, має необхідну затримку, щоб двигун повернув площину обертання лопатей вітрової установки паралельно до напрямку вітру, чим зупиняє роботу вітроколеса. Також для безпеки можна загальмувати лопаті після їх повороту барабанними гальмами, які встановлені на самих лопатях і приводяться в дію за допомогою лебідки, яка знаходиться внизу вишки.

Майстер пояснив роботу основних частин установки: редуктора, генератора, перетворювача і акумуляторів.

Редуктор (мультиплікатор) має передаточне відношення 9,25. На електростанції встановлено асинхронний надтихохідний трифазний генератор з частотою 680 об/хв. Струм від генератора йде на трифазний трансформатор, на виході якого отримуємо напругу близько 36 вольт. Через діоди струм йде на дві акумуляторні батареї (АКБ). Для перетворення напруги АКБ з 30 В до 220 В використовуються два перетворювачі. На вітроустановці М. О. Роде використовує кадмієво-нікелеві акумулятори з лужним активним середовищем. Застосовується дві АКБ: більша має ємність 300 А/г і складається з банок напругою 1,25 В кожна; менша батарея має ємність 125 А/г і складається з аналогічних банок.

У процесі курсового проектування з фізики ми також виготовили невеликий вітрогенератор напругою 5 В на основі двигуна принтера (рис. 2).

Список літератури

1. Фатеев Е. М. Как сделать самому ветроэлектрический агрегат / Е. М Фатеев. – М. : Госэнергоиздат, 1949. – 63 с.
2. Вітровий агрегат : досвід винахідника М. О. Роде [Електронний ресурс] // Наш журнал : [сайт] / А. В. Рябко, В. М. Задорожний – Режим доступу : http://phys.at.ua/publ/fizika/fizichni_osnovi_vitroenergetiki/5-1-0-9 (11.03.15). — Назва з екрану.