Введение.

Актуальность.

Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является использование энергии ветра для получения электричества с помощью ветрогенераторов [1, 2]. Представляется, что ветрогенераторы малой мощности могут быть востребованными для табунных хозяйств на дальних пастбищах Кобяйского наслега Республики Саха (Якутия), где нет электричества.

Цель: расширить знания по физике и обосновать эффективность использования ветрогенератора для конкретного потребителя.

Задачи исследования:

1. Изучить особенности работы и технические характеристики ветрогенератора на основе лего-модели.

2. Обосновать эффективность использования ветрогенератора малой мощности для конкретного потребителя.

Объект исследования: энергия ветра.

Предмет исследования: ветрогенераторы малой мощности.

Гипотеза (идея) исследования: показать эффективность использования ветрогенератора малой мощности для табунных хозяйств Кобяйского наслега.

Методы исследования: анализ, наблюдение, эксперимент, решение физических задач.

Суть моей учебно-исследовательской работы составляет технико-экономическое обоснование эффективности применения ветрогенератора малой мощности в суровых условиях Якутии на примере обеспечения электроэнергией табунных хозяйств Кобяйского наслега, где нет электричества.

Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе и практических рекомендациях для табунных хозяйств Якутии.

Основные результаты и обсуждение.

Эксперимент 1. Изучение воль-амперных характеристик ветрогенератора.

Для создания модели ветрогенератора, использовал специальный набор конструктора Lego Mindstorms education EV3 9688.

Оборудование и комплектующие: лего-ветрогенератор, мотор-генератор, мультиметр с программным управлением, секундомер, соединительные провода, электровентилятор на 40 Вт.

Рис. 1 - Лего-ветрогенератор и схема проведения эксперимента

Ход выполнения работы:

1) По инструкции собрал ветрогенератор. Использовал программу, которая позволяла ветрогенератору вырабатывать электричество.

2) Установил вентилятор на одной оси с турбиной так, чтобы его центр находился напротив центра турбины и расстояние между ними равнялось 20 см, 40 см, 60 см.

3) Подобрал вентилятор с такой мощностью, чтобы при вращении турбины показание лего-мультиметра на входе превышало 2,0 В. Мощность вентилятора должна быть не более 40 Вт.

4) Выбрал такую схему размещения ветро–турбины, при которой лего-мультиметр показывает максимальное значение мощности генератора.

5) При необходимости можно облегчить запуск турбины плавно провернув лопасти.

6) Показания вольт-амперной характеристики ветрогенератора записал в табл. 1.

Табл. 1 - Вольт-амперные характеристики лего-ветрогенератора

Максимальный заряд аккумулятора составил 31 Дж. Время полной разрядки аккумулятора для вращения лопастей ветрогенератора составило 46,5 секунд.

Вывод: полезная мощность, затраченная на работу электродвигателя по экспериментальным данным, составляет Nпол = Енакоп / t = 31 : 46,5 = [Дж/с] = 0,67 Вт.

Задача 1. Определение коэффициента полезного действия ветрогенератора.

С физической точки зрения энергия ветра, проходящей через площадь S определяется по формуле:

где р - плотность воздушной массы, S - общая обдуваемая площадь лопастей винта, V - скорость воздушного потока от вентилятора (ветра), t - время.

Используя понятие мощности, т.е. работу в единицу времени, в формуле 1 исключаем время и получаем формулу для определения мощности воздушного потока от вентилятора Nвент :

Nвент = р × S × V3/ 2, (2)

Учитывая, что обдуваемая площадь лопастей ветрогенератора равна S = π × r2 = 3,14 × 0,1352 = 0,057 м2 (диаметр лопастей равен 27 см = 0,27 м) и плотность воздуха р = 1,225 кг/м3 находим по формуле 2 значения мощности ветра при разных скоростях и заносим в табл. 2.

Табл. 2 - Зависимость мощности потока воздуха от скорости ветра

Известно, что коэффициент полезного действия (КПД) ветрогенератора определяется отношением полезной мощности Nпол на мощность ветра Nветра , приводящей лопасти к вращению:

КПД = Nпол × 100 / Nвент , (%), (3)

где Nпол = 0,67 Вт - полезная мощность, затраченная на работу электродвигателя по экспериментальным данным. При максимальной скорости воздушного потока от вентилятора 6 м/с КПД будет равно:

КПД = 0,67 × 100 / 7,56 = 0,67 / 7,56 = 8,9 %.

Вывод: Расчетно-экспериментальное значение КПД лего-ветрогенератора при скорости воздушного потока 6 м/с составляет 8,9 %.

Задача 2. Расчетное обоснование выбора ветрогенератора для климатических условий Кобяйского наслега.

Табунные хозяйства (разведение лошадей) находятся далеко от жилых поселений в отдаленных пастбищах, где нет электричества. Для своих нужд, даже для обычной зарядки телефонов, с собой берут мобильный электрогенератор и бензин. Для обеспечения круглогодичной минимальной комфортности жилья необходимы, в первую очередь, свет и связь, что может обеспечить наличие электричества от ветрогенератора малой мощности 0,5 кВт. Например, отечественный вертикально-осевой ветрогенератор Альэн-500 [3] (табл. 3).

Табл. 3 - Технические характеристики ветрогенератора Альэн-500

Для обоснования подходящей мощности ветрогенератора для ветровых условий Кобяйского наслега произведем расчет вырабатываемой мощности рассматриваемого ветрогенератора (табл. 3) в зависимости от скорости ветра. Среднегодовая скорость ветра в с. Кобяй по многолетним данным составляет Vср = 4,2-5,6 м/с [4] (рис. 2).

Рис. 2 - Изменение скорости ветра в течение года в с. Кобяй

Воспользуемся формулой определения мощности:

N = 1/2 × р × S × V3 × k, где

р = 1,225 кг/м3 - плотность воздуха при нормальных условиях;

Vмин = 4,2 м/с - минимальная скорость ветра (метеоданные);

Vмакс = 5,6 м/с - максимальная скорость ветра (метеоданные);

Vмакс = 7 м/с - номинальная скорость ветра (из табл. 3);

S = 1,8 × 2 = 3,6 м2 - площадь потока воздуха через лопасти;

k = 0,42 - коэффициент использования энергии ветра (из табл. 3).

Рассчитаем мощность ветрогенератора при минимальном, максимальном и номинальном значениях скорости ветра с. Кобяй:

Nмин = 1/2 × 1,225 × (2 × 1,8) × 4,23 × 0,42 = 79,1 Вт,

Nмакс = 1/2 × 1,225 × (2 × 1,8) × 5,63 × 0,42 = 162,6 Вт,

Nср = (Nмин + Nмакс ) / 2 = 120,08 Вт = 0,12 кВт.

Nном = 1/2 × 1,225 × (2 × 1,8) × 73 × 0,42 = 317,7 Вт.

Выводы:

1) Следует считать, что вырабатываемая ветрогенератором энергия в 79,1-162,6 Вт будет достаточно только для освещения и зарядки электронных устройств и аккумуляторов;

2) Средняя выработка электроэнергии в 1 час составит 24 % от номинальной мощности 0,5 кВт: (0,12 кВт × 100 % ) / 0,5 кВт = 24 %.

Задача 3. Расчет окупаемости ветрогенератора.

За 1 час ветрогенератор вырабатывает:

Nпол = 0,5 × 0,24 =0,12 кВт - вырабатываемая полезная мощность;

За 1 день:

0,12 × 24 часа = 2,88 кВт

За 1 год:

2,88 × 365 дней=1051,2 кВт

За весь срок службы

1051,2** × 20 лет = 21024 кВт

Делим стоимость ветрогенератора на получившееся число:

95000 / 21024 = 4,28 рублей/кВт.

Соответственно, ветрогенератор действительно является выгодным приобретением, даже если у вас есть другие источники электроэнергии, т.к. в сельской местности стоимость 1 кВт электроэнергии на 2025 г. составляет 6,01 рублей.

Рассчитаем срок окупаемости ветрогенератора:

tок = Dв / (t × Nпол × D1 ),

где Dв = 90000 рублей - стоимость ветрогенератора Альэн-500;

D1 = 6,01 рубля - стоимость 1 кВт × ч электроэнергии в с. Кобяй;

Nном = 0,12 кВт - расчетная полезная мощность ветрогенератора;

t = 24 часа (сутки);

tок = 90000 / (24 × 0,12 × 6,1) = 5123 суток = 14 лет.

Выводы:

1) Стоимость 1 кВт от ветрогенератора Альэн-500 составляет 4,28 рубля, что дешевле на 29 % от стоимости электроэнергии центральных сетей (6,01 рублей);.

2) Срок окупаемости ветрогенератора мощностью 500 Вт в условиях с. Кобяй составляет 14 лет.

Заключение

1) Приобрел новые знания и практические навыки проведения учебно-исследовательской работы.

2) При средней годовой скорости ветра 4,2-5,6 м/с Кобяйского наслега выгодным может быть только использование ветрогенераторов малой мощности до 1 кВт (в нашем случае 0,5 кВт), где нет электричества:

- средняя выработка электроэнергии в 1 час составит 24 % от номинальной мощности 0,5 кВт, что будет достаточно только для обеспечения светом, зарядки электронных устройств и накопления энергии в аккумуляторах;

- расчетная стоимость 1 кВт от ветрогенератора Альэн-500 составляет 4,28 рубля, что дешевле на 29 % от стоимости электроэнергии центральных сетей в селе Кобяй (6,01 рублей);.

- срок окупаемости ветрогенератора мощностью 0,5 кВт в условиях Кобяйского наслега составляет 14 лет.