Учебный проект по физике "Ветрноэнергетика"

Министерство общего и профессионального образования  Свердловской области Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования «Управление образования Североуральского городского округа» Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Учебный проект по физике ДЕНЬГИ НА ВЕТЕР Исполнитель:                                                                    Заева Ирина,  учащаяся 10А класса  МАОУ СОШ №1 Руководитель:                                                                          Леоненко Анна Николаевна,                                                                        учитель физики высшей категории. 2 Североуральский городской округ 2016 Учебный проект по физике  "Деньги на ветер" Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме): физика. Возраст учащихся: 10 класс. Тип проекта:  поисковый. Продукты проекта: Презентация, выполнена в программе Power Point . Основополагающий вопрос: Ветроэнергетика – польза или пустая трата  средств? ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ:  Что такое ветроэнергетика?  Какова история развития ветроэнергетики?  Почему человек стремиться использовать ветер?  Отрицательные стороны ветроэнергетики?  Проблемный вопрос: Что такое ветроэнергетика? Человек   всегда   стремился   получить   всё   от   природы.   С   развитием   новых технологий, человечеству требуется все больше электроэнергии. Что и привело к использованию для выработки энергии такое простое явление природы как ветер. Ветроэнергетика —   отрасль   энергетики,   связанная   с   разработкой   методов   и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Энергия ветра (кинетическая энергия ветрового потока) является формой солнечной   энергии:   образование   ветра   является   следствием   деятельности   солнца. Таким   образом,   запасы   энергии   ветра   являются   неисчерпаемыми,   что   позволяет относить   ее   к   возобновляемым   источникам   энергии.   Кроме   того,   энергию   ветра относят   к   так   называемой   «чистой»   или   «зеленой»   энергии,   поскольку   она характеризуется практически нулевым уровнем выбросов парниковых газов. 3 Однако   не   вся   энергия   воздушных   потоков   может   быть   использована   даже   с помощью   идеального   устройства.  Теоретически   коэффициент   полезного использования   (КПИ)   энергии   воздушного   потока   может   быть   равен   59,3%.     На практике   максимальный   КПИ   энергии   ветра   в   реальном   ветроагрегате   равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75­95%.  Учитывая   все   эти   факторы,   удельная   электрическая   мощность,   выдаваемая реальным   ветроэнергетическим   агрегатом,   видимо,   составляет   30­40%   мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом.  Однако   иногда   ветер   имеет   скорость,   выходящую   за   пределы   расчетных скоростей.   Скорость   ветра   бывает   настолько   низкой,   что   ветроагрегат   совсем   не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять   меры   по   его   защите   от   разрушения.   Если   скорость   ветра   превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется,   с   тем   чтобы   не   превышать   номинальной   электрической   мощности генератора.  Учитывая  эти  факторы,  удельная  выработка  электрической  энергии  в  течение года   составляет   15­30%   энергии   ветра,   или   даже   меньше,   в   зависимости   от местоположения и параметров ветроагрегата.   В ветрогенерации используют два типа установок: 1. Горизонтальные ветряки 2. Ветряки с вертикальной осью Широко применяются горизонтальные ветряки, предназначенные для установки на суше.   Из   таких   ветрогенераторов   организуются   промышленные   станции   или ветрофермы.   Такие   ветрофермы   могут   покрывать   потребности   в   электроэнергии сравнительно   небольших   городов.   Однако   конструкция   горизонтальных   ветряков, выполненная   по   принципу   ветряной   мельницы,   требуют   больших   открытых пространств. Вертикальные   ветряки  действуют   в   воздухе   и   применяются   для   обеспечения электроэнергией небольших кварталов или отдельных зданий. Эти ветрогенераторы не требуют большого пространства, компактны и работают на малых ветрах. 4 Автономные   ветрогенераторы   состоят   из   генератора,   хвостовика,   мачты, контроллера,   инвертора   и   аккумуляторной   батареи.   У   классических   ветровых установок – 3 лопасти, закреплённых на роторе. Вращаясь, ротор генератора создаёт трёхфазный   переменный   ток,   который   передаётся   на   контроллер,   далее   ток преобразуется в постоянное напряжение и подаётся на аккумуляторную батарею. Ток,   проходя   по   аккумуляторам,   одновременно   и   подзаряжает   их   и   использует аккумуляторную   батарею   как   проводники   электричества.   Далее   ток   подаётся   на инвертор, где приводиться в наши привычные показатели: переменный однофазный ток 220В, 50 Гц. Если потребление небольшое то сгенерированного электричества хватает для электроприборов и освещения, если тока с ветряка мало и не хватает ­ то недостаток покрывается за счёт аккумуляторов. Такой же принцип в автомобилях: когда   мы   едем,   генератор   в   машине   заряжает   аккумуляторы   и   снабжает электричеством   все   приборы   в   машине,   когда   машина   останавливается,   то аккумулированный ток идёт из аккумуляторной батареи. Ничего сверхсложного в ветряках   нет,   в   них   используются   все   те   изобретения,   которые   мы   постоянно используем каждый день, не подозревая об этом. Проблемный вопрос: Какова история развития ветроэнергетики? Люди используют энергию ветра с давних пор. Достаточно вспомнить парусный флот   и   ветряные   мельницы.   Чтобы   изобрести   ветрогенератор,   стоило   просто заменить мельничный жернов на электрогенератор. Ветра дуют почти везде и летом, и зимой, и днем, и ночью. Поэтому понятно стремление  человека «запрячь ветер  в упряжку»  и заставить его вырабатывать электрический ток. Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось   уже   72   станции   мощностью   от   5   до   25   кВт.   Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была   построена   в 1931   году в   Ялте.   К   1941   году   единичная   мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940­х по 1970­е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение   интереса   к   ветроэнергетике   началось   в 1970­х после нефтяного кризиса 1973 года. Кризис продемонстрировал зависимость многих стран от импорта нефти и привел к поиску вариантов снижения этой зависимости. В середине 1970­ых в   Дании   начались   испытания   предшественников   современных   ветрогенераторов. Позднее чернобыльская катастрофа также стимулировала интерес к возобновляемым 5 источникам   энергии. Калифорния осуществила   одну   из   первых   программ стимулирования   ветроэнергетики,   начав   предоставление  налоговых   льгот для производителей электроэнергии из ветра. К   началу   2016   года   общая   установленная мощность всех   ветрогенераторов превзошла   суммарную   мощность атомной   энергетики и   составила   432 ГВт.  В  2014 году   количество   электрической   энергии,   произведённой   всеми   ветрогенераторами мира,   составило   706 ТВт (3 %   всей   произведённой   человечеством   электрической энергии).   Некоторые   страны   особенно   интенсивно   развивают   ветроэнергетику,   в частности,   на   2015   год   в Дании с   помощью   ветрогенераторов   производится   42 % всего   электричества;   2014   год   в Португалии —   27 %;   в Никарагуа —   21 %;   в Испании — 20 %; Ирландии — 19 %; в Германии — 8 %; в ЕС — 7,5 %. В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. По итогам 2014 года в ветроэнергетике занято более 800 000 человек во всем мире (в том числе 356 000 в Китае и 138 000 в Германии). Проблемный вопрос: Почему люди стремятся использовать ветер? Первая причина, по которой человек активно использует ветроэнергетику, это то, что   энергия   ветра   является   доступным   и   возобновляемым   источником   энергии, запасы которого неисчерпаемы. Вторая   причина   использования   в   заключается   в   том,   что   растущие   объемы выбросов парниковых газов и вредных веществ топливосжигательными установками в атмосферу способствуют изменению климата и негативно сказываются на здоровье человека,   в   результате   возникает   необходимость   развития   низкоуглеродной энергетики,   которая   характеризуется   низкими   или   даже   нулевыми   выбросами парниковых   газов   и   вредных   веществ   в   атмосферу.   Именно   ветроэнергетика оказывает почти нулевое воздействие на состояние атмосферы. Третья   причина   –   выгода.   В   настоящее   время   при   производстве ветроэлектрических   установок   используются   современные,   более   дешевые   и эффективные   материалы.   Такая   ситуация   ведет   к   сокращению   издержек   по производству ветроэлектрических установок и выработке электроэнергии на них, а следовательно,   к   повышению   их   конкурентоспособности   по   сравнению   с   другими технологиями производства электроэнергии.  Еще одна причина, это то, что ветровые установки малой мощности используются для подъема и перекачки воды, подзарядки электроаккумуляторов, более мощные – для   получения   электроэнергии   на   отдаленных   с/х   фермах,   поселках,   приисках, полярных   экспедициях,   а   так   же   для   аккумулирование   энергии   в   процессе электролиза воды. 6 Проблемный вопрос: Каковы отрицательные стороны ветроэнергетики? Прежде всего, работа ветроэлектрических установок неблагоприятно влияет на работу   телевизионной   сети.   Ветроэлектрическая   установка   мощностью   0,1   МВт может вызвать искажение телевизионных сигналов на расстоянии до 0,5 км.  Другая неожиданная особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались   источником   достаточно   интенсивного   инфразвукового   шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное   состояние,   сильное   беспричинное   беспокойство   и   жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.  Однако главный недостаток этого вида энергии наряду с изменчивостью скорости ветра ­ это низкая интенсивность ( иначе КПД, которое составляет всего лишь 20%), что   требует   значительной   территории   для   размещения   ветровой   установки.   Из проведенных   специалистами   расчетов   следует,   что   оптимальным   для   ветрового колеса является диаметр 100 м. При таких геометрических размерах и плотности энергии на единицу площади ветрового колеса 500 Вт/м2 (скорость ветра 9,2 м/с) из ветрового потока можно получить электрическую мощность, близкую к 1 МВт. На площади 1 км2 можно разместить 2­3 установки указанной мощности с учетом того, что они должны находиться одна от другой на расстоянии, равном трем их высотам, чтобы не мешать друг другу и не снижать эффективности своей работы.  Пример для оценки, что на площади 1 км2  размещено 3 установки, т.е. с 1 км2 можно снять 3 МВт электрической мощности. Это означает, что для размещения ветровой   станции   электрической   мощностью   1000   МВт   нужна   площадь,   равная примерно   330   км2.   Если   сравнивать   ветровые   и   тепловые   электростанции   по энерговыработке в течение года, то полученное значение следует увеличить не менее чем в 2­3 раза. Для сравнения укажем, что площадь Курской АЭС мощностью 4000 МВт   вместе   с  вспомогательными   сооружениями,  водоемом­охладителем   и   жилым поселком составляет 30 км2, т.е. на 1000 МВт электрической мощности приходится 7,5 км2. Другими словами, размер территории ветровой станции в расчете на 1000 МВт на 2 порядка превышает площадь, занимаемую современной АЭС. Заключение 7 Таким образом, ответ на основополагающий вопрос: ветроэнергетика является экологически   безопасным   способом   получения   энергии,   однако,   чтобы   активно использовать   ветроустановки,   нужно   учитывать   географические   особенности территорий, отдаленность от населенных пунктов и мест обитания животных. Иначе, ветроустановки   либо   нанесут   вред   человеку   и   животным   инфразвуковым   шумом, либо просто будут бесполезны при отсутствии ветра. Но, к сожалению, располагать ветроустановки по берегам морей и океанов, в просторных степях, в тундре, горах не очень удобно. Современный мир должен переходить на чистые источники энергии, как например ветроустановки. Человек обязан ценить всё то, что дала ему природа, а не разрушать её. При   работе   над   проектом   я   познакомилась   с   таким   способом   добычи электроэнергии,   как   ветроэнергетика,   изучила   устройство   ветроустановок, физические принципы работы, а также  их пользу и вред.  В   ходе   проекта   я   закрепила   навыки   работы   с   различными   источниками информации, работы с большим объемом информации, что, несомненно, пригодится в будущем.  Источники информации: название статей на сайтах 1. Что такое ветроэнергетика? http://goo.gl/jI40fE 2. Ветроустановки http://goo.gl/rxGU76 3. Ветроэнергетика http://goo.gl/3GU5JS 4. Ветроэнергетика: перспективы, плюсы и минусы http://goo.gl/YSsfaO 5. Развитие технологий ветроэнергетики в мире  http://ac.gov.ru/files/publication/a/897.pdf 6. Ветроэнергетика https://goo.gl/SYoSVq 7. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии  http://goo.gl/BQX8HH 8. Ветроэнергетика http://goo.gl/n2Zgdi