Типы ветряных электростанций

Муниципальное образовательное учреждение
средней общеобразовательной школы №5
Способы получения электричества в
XXI веке.
Трушев Александр Игоревич,
ученик 8 класса «А»
Красовская Елена Ивановна,
учитель высшей
квалификационной категории
Бердск, 2010
Содержание
1) Введение, цели и задачи исследовательской работы.
3-5 стр.
2) Устройство генератора и принцип работы.
6-7 стр.
3) Альтернативные источники энергии.
8-14 стр.
4) Вывод.
15 стр.
5) Список литературы.
16 стр.
6) Приложение.
17 стр.
2
Цель работы:
Провести исследование
в области получения
электроэнергии c использованием альтернативных источников.
Задачи:
1.Изучить устройство и принцип работы генератора преобразующее
энергию того или иного вида в электрическую энергию
2. Изготовить самостоятельно прибор для получения электрического тока.
3. Выяснить, какие существуют источники превращения и способы
получения энергии.
4. Сделать соответствующие выводы.
3
Введение
Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, ведь
практически вся современная техника имеет электрическую основу.
Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней
увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционного
природного топлива (нефти, угля, газа, ядерного топлива и др.) конечны.
Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники
электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны
топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации,
дешевизны материалов, долговечности станций, безвредные для экологии
планеты.
Схема превращения различных видов энергии в электрической цепи.
4
Источник превращает энергию (механическую, тепловую химическую,
световую, магнитную) в электрическую, А значение потребителя, он
превращает энергию электрического поля в тепловую, магнитную.
Химические источники тока: гальванические элементы; батареи
аккумуляторов; ртутная батарейка, используемая в часах, калькуляторах и
слуховых аппаратах, дает 1,4В; традиционная батарейка для карманного
фонарика, дает 4,5 В.
Достоинства – компактность, возможность использовать как автономный
источник энергии.
Недостатки – небольшая энергоемкость, высокая стоимость энергии,
недолговечность, проблема утилизации отходов.
Термоэлементы, фотоэлементы, солнечные батарея
Достоинства – безмашинный способ получения энергии.
Недостатки – малый КПД, зависимость от погодных условий.
Преобладающую роль в наше время играют электромеханические
индукционные токи, генераторы постоянного и переменного
Практически они дают всю используемую энергию.
Переменный ток можно рассматривать как вынужденное колебательное
движение свободных электронов или вынужденные электромагнитные
колебания силы тока и напряжения, меняющееся со временем по
гармоническому закону.
5
Переменный ток имеет преимущество перед постоянным, потому что
напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовать
(трансформировать) почти без потерь, а такие преобразования необходимы
во многих электра- и радиотехнических устройствах.
особенно большая необходимость трансформации напряжения и тока
возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния.
Электрическая энергия обладает преимуществом перед всеми другими
видами энергии: ее можно передавать по проводам на огромные
расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять
между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью
достаточно простых устройств легко превратить в другие формы:
механическую, тепловую, световую и т.д.
В современной энергетике применяются индукционные генераторы
переменного тока, действие которых основано на явлении
электромагнитной индукции.
Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский
физик Р.Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудобогатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и
представить».
И этим богатырем, изменившим облик Земли, является генератор.
Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного
вида в электрическую энергию )
Электрический ток вырабатывается в генераторах его основные части.
1. Ротор, вращающаяся часть генератора, создает магнитное поле от
электромашины постоянного тока.
2. Статор, состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от
вихревых токов, пластины сделаны из электротехнической стали.
3. Щетки, неподвижные пластины, прижаты к кольцам и осуществляют
связь обмотки ротора с внешней цепью.
4. Кольца, чтобы подводить ток к ротору и отводить из обмотки ротора
во внешнюю цепь при помощи скользящих контактов.
5. Турбина, сочетание турбины с генератором переменного тока
называется турбогенератором.
6. Станина, корпус, внутри которой размещены статор и ротор.
7. Возбудитель, генератор, вырабатываемый постоянный ток, который
подводят к вращающему электромагниту.
6
Изучив устройство и принцип работы генераторов я сконструировал свой
мини прибор, который преобразует механическую энергию в
электрическую
Состоит прибор из электромагнита, создающий магнитное поле, и обмотка
в которой индуцируется ЭДС.
Один из сердечников
горизонтальной оси – называется ротором.
Неподвижный сердечник с его обмоткой называют – статором
При вращении ручки лампочка загорается
В
больших
промышленных
генераторах
вращается
именно
электромагнит, который является ротором. Обмотки, в которых наводится
ЭДС, вложены в пазах статора – появление ЭДС в неподвижных обмотках
статора объясняется возникновением в них вихревого электрического
поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Мы живем в 21 веке и основой цивилизованного образа жизни,
следовательно, и научно-технического прогресса, является энергия,
которой требуется все больше и больше. Казалось бы, вырабатывайте ее
сколько угодно, пока есть полезные ископаемые, есть машины,
вырабатывающие эту энергию. Но здесь возникает проблема.
Эту проблему можно назвать - проблема «трех Э»: Энергетика +
Экономика + Экология. Для бурного развития экономики, требуется все
больше и больше энергии, увеличение выработки энергии - ведет к
ухудшению экологии, наносит большой вред окружающей среде.
Ведь энергетика является одной из самых загрязняющих отраслей
народного хозяйства. При неразумном подходе происходит нарушение
нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха,
воды, почвы, животного и растительного мира), а в исключительных
случаях, подобных Чернобылю, под угрозой оказывается и сама жизнь.
7
Поэтому главным должен стать подход с экологических позиций,
учитывающих интересы не только настоящего, но и будущего.
Между тем, ТЭС являются одними из основных загрязнителей атмосферы
твердыми частицами золы, окислами серы и азота, а также углекислым
газом, способствующим возникновению «парникового эффекта». Над
городами образуются, так называемые острова тепла, из-за усиленного
выброса энергии которых, нарушается нормальное течение атмосферных
процессов. В сентябре этого года образовался торнадо над
водохранилищем ГРЭС -2 в городе Сургуте.
Над поверхностью водохранилища образовался теплый воздушный фронт,
в то время когда температура и давление окружающего воздуха были
сравнительно низкими. Встреча, этих двух потоков и привела к
образованию смерча.
Важнейшими направлениями экологизации научно-технического процесса,
должны стать – внедрение ресурсосберегающих и безотходных
технологий; переход к чистым и неисчерпаемым источникам энергии.
Уже разрабатываются, так называемые топливные элементы, в которых
энергия освобождается в результате реакции водорода с кислородом,
получили широкое применение МГД – генераторы. Строят электростанции
разного типа, геотермальные, ветряные, солнечные и т.д.
Солнечная электростанция
Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический
эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела
или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах
глава физиков нашей страны академик А. Ф. Иоффе высказал мысль о
использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной
энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД)
тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество
превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних
экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем
американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году
они были установлены на одном из первых искусственных спутников
Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми
панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей
можно было бы компенсировать большой площадью, например покрыть
всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная
электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых
производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД,
тем дороже.
8
Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая
чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред
окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания
природного топлива такой ущерб - капля в море.
Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство
- долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала
особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи
становятся все более популярными в промышленности и быту.
Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить
все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим
количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии,
Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные
электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной
мощности.
Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных
электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не
теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение
предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже
отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная
технология позволяет осуществить такой проект в самом близком
будущем.
Ветряная электростанция — несколько ветрогенераторов, собранных в
одном, или нескольких местах. Крупные ветряные электростанции могут
состоять из 100 и более ветрогенераторов. Иногда ветряные
электростанции называют ветряными фермами
Офшорная ветряная электростанция Миддельгрюнден, около Копенгагена,
Дания. На момент постройки она была крупнейшей в мире
Исследование скорости ветра
Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью
ветра — от 4,5 м/с и выше.
9
Предварительно
проводят
исследование
потенциала
местности.
Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение
одного—двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра.
Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии
ветра. Такие карты (и специальное программное обеспечение) позволяют
потенциальным инвесторам оценить скорость окупаемости проекта.
Обычные метеорологические сведения не подходят для строительства
ветряных электростанций: эти сведения о скоростях ветра собирались на
уровне земли (до 10 метров) и в черте городов, или в аэропортах.
Во многих странах карты ветров для ветроэнергетики создаются
государственными структурами, или с государственной помощью.
Например, в Канаде Министерство развития и Министерство Природных
ресурсов создали Атлас ветров Канады и WEST (Wind Energy Simulation
Toolkit) — компьютерную модель, позволяющую планировать установку
ветрогенераторов в любой местности Канады. В 2005 году Программа
Развития ООН создала карту ветров для 19 развивающихся стран.
Высота
Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции
строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы
устанавливают на башнях высотой 30—60 метров. Принимаются во
внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания
и т.д.
Экологический эффект
При строительстве ветряных электростанций учитывается влияние
ветрогенераторов на окружающую среду. Законы, принятые в
Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень
шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в
дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до
жилых домов — 300 м.
Современные ветряные электростанции прекращают работу во время
сезонного перелёта птиц.
10
Типы ветряных электростанций
Наземная
Наземная ветряная электростанция в Испании. Построена по вершинам
холмов.
Наземная ветряная электростанция возле Айнажи, Латвия.
Самый распространённый в настоящее время тип ветряных
электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или
возвышенностях.
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за
7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на
строительство ветряной фермы может занимать год и более.
Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжёлая
подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы
устанавливаются на высоте около 50 метров.
Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.
Крупнейшей на данный момент ветряной электростанцией является
электростанция в городе Роско (Roscoe), штат Техас, США. Она был
запущена 1 октября 2009 года немецким энергоконцерном E.ON. Станция
состоит из 627 ветряных турбин производства Mitsubishi, General Electric и
Siemens. Полная мощность — около 780 МВт. Площадь электростанции не
менее 400 км².[1]
11
Прибрежная
Строительство прибрежной электростанции в Германии.
Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от
берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует
бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и
водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на
сушу, а ночной, или береговой — с остывшего побережья к водоёму.
Оффшорная
Оффшорные ветряные электростанции строят в море: 10—12 километров
от берега. Оффшорные ветряные электростанции обладают рядом
преимуществ:



морских их практически не видно с берега;
они не занимают землю;
они имеют большую эффективность из-за регулярных ветров.
Оффшорные электростанции строят на участках моря с небольшой
глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай,
забитых на глубину до 30 метров. Электроэнергия передаётся на землю по
подводным кабелям.
Оффшорные электростанции более дороги в строительстве, чем их
наземные аналоги. Для генераторов требуются более высокие башни и
более массивные фундаменты. Солёная морская вода может приводить к
коррозии металлических конструкций.
12
В конце 2008 года во всём мире суммарные мощности офшорных
электростанций составили 1471 МВт. За 2008 год во всём мире было
построен 357 МВт. офшорных мощностей. Крупнейшей оффшорной
станцией явлется электростанция Миддельгрюнден (Дания) с
установленной мощностью 40 МВт.[2].
Плавающая
Строительство первой плавающей электростанции. Норвегия. Май 2009
года.
Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией
H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт
установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега
Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.
Норвежская
компания
StatoilHydro
разработала
плавающие
ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro
построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в cентябре 2009
года[3]. Турбина под названием Hywind весит 5 300 тонн при высоте 65
метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку
от юго-западного берега Норвегии.
Стальная башня этого ветрогенератора уходит под воду на глубину 100
метров. Над водой башня возвышается на 65 метров. Диаметр ротора
составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенератора и погружения
его на заданную глубину в нижней его части размещён балласт (гравий и
камни). При этом от дрейфа башню удерживают три троса с якорями,
закреплёнными на дне. Электроэнергия передаётся на берег по подводному
кабелю.
Энергия из отходов
Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой
деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема
городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем
13
современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать
для производства электроэнергии. Во всяком случае именно так поступили
в США, в штате Пенсильвания. Когда построенная для сжигания мусора и
одновременной выработки электроэнергии для 15000 домов печь стала
получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с
уже закрытых свалок.
Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000
прибыли еженедельно. Но главное – объем закрытых свалок сократился на
78%.
Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого приходится
на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента - на
другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух,
то теперь в США его начинают использовать в качестве горючего в
двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии.
Только в мае 1993 года 114 электростанций, работающих на газе от свалок,
произвели 344 МДж электроэнергии. Самая крупная из них, в городе
Уиттиер, производит за год
50 МДж. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить
потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. По подсчетам
специалистов, газа на свалках США хватит для работы небольших станций
на 30-50 лет. Не стоит ли и нам задуматься над проблемой вторичного
использования мусора? При наличии эффективной технологии мы могли
бы сократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно
пополнить и восполнить запасы энергии, благо “дефицита сырья” для ее
производства не предвидится.
Энергия навоза
Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано с
загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие
количества органического вещества, попадающие в водоемы,
способствуют их загрязнению.
Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей среды,
свинофермы и коровники - тоже. Однако из этих двух зол можно составить
нечто хорошее. Именно это произошло в английском городе
Пиделхинтоне, где разработана технология переработки навоза свиней в
электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в
специальном реакторе подвергаются биологической переработке.
Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а
переработанные бактериями отходы - для удобрения. Перерабатывая 70
тонн навоза ежедневно, можно получить 40 КВт/ч.
Водородная энергетика
14
Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей
тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на
тепловых электростанциях сжигается все больше химического топлива, а
сотни новых атомных электростанций, как и зарождающиеся солнечные,
ветряные и геотермальные станции, будут во все более широком масштабе
работать для производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты
поиском принципиально новых энергетических сил.
15
ВЫВОДЫ:
На пороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет
основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной
составляющей жизни человека. Люди прошли путь от первого костра до
атомных электростанций.
Существуют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия
Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов.
Энергия из отходов и навоза, водородная энергетика. На основе этих
природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные,
геотермальные, солнечные. Существует энергия из отходов и навоза,
водородная энергетика принципиально новые способы получения энергии.
Настоящая воздушно-вакуумная электростанция относится к области
энергетики и может быть применена для производства электроэнергии
промышленного тока при отсутствии ветра.
16
Литература
1.Методы разработки ветроэнергетического кадастра.//АН СССР,
ГЛАВНИИ при Госэкономсовете Энергетический институт им. Г.М.
Кржижановского.
2.Энциклопедия.
3.Учебник физики для углубленного изучения. 11 класс Г.Я. Мякишев 2007г.
4. «Занимательная физика» Я.И. Перельман.
5. Интернет ресурсы.
17
Приложение
1.Презентация.
2.Прибор для получения электрического тока.
18