Миколаївський державний аграрний університет 
 
 

Кафедра «Електротехнологій і

   електропостачання» 
 
 
 
 

     КУРСОВИЙ  ПРОЕКТ

з дисципліни “Енергозбереження та використання відновлювальних джерел енергії”

   на  тему: “Розробка ВЕУ”

   8.091900.МДАУ.Ен 5М/2.КП.05.00 
 
 

  Виконав:                                                                                  студент групи Ен 5М/2

                                                                           Могильницький Д.М. 
 

  Перевірив:                                                                                                к.т.н., доцент

     Пастухов  В.М. 
 
 

  Миколаїв  – 2010 
 

   Міністерство  аграрної політики України

   Миколаївський державний аграрний університет 
 
 

Кафедра «Електротехнологій і

   електропостачання» 
 
 
 
 

ПОЯСНЮВАЛЬНА  ЗАПИСКА

до курсового  проекту

з дисципліни “Енергозбереження та використання відновлювальних джерел енергії”

на тему: “Розробка ВЕУ”

   8.091900.МДАУ.Ен 5М/2.КП.05.ПЗ 
 
 

  Виконав:                                                                                  студент групи Ен 5М/2

                                                                           Могильницький Д.М. 
 

  Перевірив:                                                                                                к.т.н., доцент

                                                     Пастухов В.М. 
 

  Миколаїв  – 2010

Могильницикий

    Зміст 

    ВСТУП…………………………………………………………………………...4

    1. ПОНОВЛЮВАНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ……………………………………..6

    1.1 Сонячна фотоенергетика….…..…………………………………………….6

    1.2. Вітроенергетика…………………………………………………………….8

    1.3. Біоенергетика………………………………………………………………11

    1.4. Енергія океанів…………………………………………………………….14

    1.5. Геотермальна енергія……………………………………………………...15

    1.6. Воднева енергетика………………………………………………………..18

    1.7. Енергія річок……………………………………………………………….19

    1.8. Вибір відновлювального виду  енергії для розробки……………………21

2. Розробка  ВЕУ………………………………………………………………..23

    2.1 Вибір способу перетворення  енергії вітру  вітроприймальним пристроєм……………………………………………………………………………23

    2.2. Розрахунок діаметру вітроколеса………………………………………...25

    2.3. Розрахунок обертів вітроколеса………………………………………….26

    2.4. Розрахунок річного обсягу виробленої  електроенергії…………………27

    2.5. Вибір генератора…………………………………………………………..27

    2.6. Розробка блок схеми та схеми керування ВЕУ………………………….28

    2.7. Розробка конструкції ВЕУ………………………………………………..29

    3. Охорона праці й техніка безпеки…………………………………………...31

    Література………………………………………………………………………33

     В даний час в усьому світі спостерігається підвищений інтерес до використання в різних галузях економіки нетрадиційних відновлюваних джерел енергії (НВДЕ). Ведеться бурхлива дискусія про вибір шляхів розвитку енергетики. Це пов'язано, перш за все, зі зростаючою необхідністю охорони навколишнього середовища. 

     Рушійною силою цього процесу є зміни, що відбуваються в енергетичній політиці країн із структурною перебудовою паливно-енергетичного комплексу, пов'язаної з екологічною ситуацією, що складається в даний час як переходом на енергозберігаючі та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, так і в промисловості і в житлово-цивільному комплексі. 

     Важко переоцінити вплив, який чинить енергетична сфера на життєдіяльність населення та національну безпеку України. 

     Після нафтових криз 1973 і 1979 рр. і особливо після Чорнобильської катастрофи, що обмежила розвиток атомної енергетики, погляди фахівців на енергетичну галузь дещо змінилися. На їх думку, енергетична криза, яка переживає Україна нині, пов'язана, в першу чергу, з недоліком власних паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР), який доводиться виконувати за рахунок імпорту вугілля, нафти і природного газу, а також неефективністю їх використання на місцях споживання.

     Впроваджувані перспективні технології традиційної енергетики підвищують ефективність використання енергоносіїв, але не покращують екологічну ситуацію в Україні.

     До поновлюваних джерел, які зараз можуть бути ефективно використані в енергетичному господарстві України, відносяться: енергія сонця, енергія вітру, енергія біомаси, енергія малих річок і водоскидів, геотермальна енергія, теплова енергія підземного грунту і поверхневих вод. Однак, масове виробництво електричної енергії з використанням відновлюваних джерел енергії набуло популярності лише нещодавно,   що  віддзеркалює  основні  загрози  від  зміни  клімату,  побоювань вичерпати мінеральне паливо, та соціальних і політичних рзиків через широке використання мінеральних палив та автономної енергетики.

1. Сонячна фотоенергетика

     Сонячну енергію можна використовувати  для отримання теплоти, такий розділ геліоенергетики називається сонячною теплоенергетикою.

     Системи, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в теплоту, можна розділити на дві групи: активні, де вловлювання і перетворення сонячної енергії здійснюється в спеціальних пристроях - сонячних колекторах, і пасивні, де приймачем випромінювання є сама споруда.

     За  допомогою сонячної теплоти можна отримувати електричну енергію, такий розділ геліоенергетики називається сонячною теплоелектроенергетикою.

     Сонячні теплові електростанції можуть бути баштового, параболічного (модульні) і тарілкового типів.

За допомогою  фотоелементів сонячне випромінювання можна безпосередньо перетворювати в електричну енергію. Такий розділ геліоенергетики називається сонячною фотоенергетикою.

    Сонячна фотоенергетика являє собою пряме перетворення сонячної радіації в електричну енергію.

    Принцип дії фотоелектричного перетворювача ґрунтується на застосуванні явища внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках та ефекту поділу фотогенерованих носіїв зарядів (електронів, дірок) електронно-дірковим переходом чи потенційним бар'єром типу метал-діелектрик-напівпровідник.

     Сьогодні Україна стоїть перед необхідністю радикального зниження енергоспоживання. Деяким європейським країнам вдалося розв'язати цю проблему. "За рахунок жорсткої державної політики енергозбереження і менталітету населення в деяких країнах (Німеччина, Японія і так далі), які не мають власних енергоресурсів, питома енергоємність внутрішнього валового продукту в 6 і більше разів менше, ніж в Україні, говорить Михайло Рабинович. - Це стосується і питомих теплових характеристик будівель". Звичайно, сонячні установки дорогі і не такі вже й ефективні.

     Вартість імпортних високоефективних колекторів, представлених на нашому ринку, - $250-400 за кв. м. Вартість вітчизняних установок - $100-170 за кв. м. Вони розроблені Проблемним інститутом нетрадиційних енерготехнологій і інжинірингу і випускаються на декількох заводах нашої країни. Термін окупності устаткування - 6-7 років. Останнім часом у світі підвищився інтерес до установок, що безпосередньо перетворюють сонячну радіацію в електроенергію за допомогою напівпровідникових фотоелектроперетворювачів.

     Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації, що поступає на 1 м²  поверхні, на території України знаходиться в межах: від 1000кВт год/м²  в північній частині України і до 1400кВт год/м²  в АР Крим. Щоб приблизно зорієнтуватись про що йдеться мова, то можна ці цифри охарактеризувати так - сонячна  енергія, що реально надходить за три дні на територію України, перевищує енергію всього річного споживання електроенергії в нашій країні. А тривалість сонячних годин (не сонячної радіації, а прямого сонячного випромінювання) впродовж року в північно-західній частині України складає 1600 - 1700 годин. У лісостеповій зоні вона зростає до 1900 - 2000 годин за рік. У степовій зоні, на морських узбережжях досягає 2300 - 2400 годин за рік. Максимальне сонячне світло у Кримських горах - 2453 години за рік (Карабі-Яйла).

     Констатуємо факт, що середньорічний потенціал сонячної енергії в Україні (1235 кВт год/м²), що відповідає енергоємності приблизно 100 літрів дизельного палива або 100м³ природного газу, є достатньо високим і набагато вищим ніж наприклад в Німеччині - 1000 кВт год/м²  чи навіть Польщі - 1080 кВт год/м². Отже, ми маємо хороші можливості для ефективного використання теплоенергетичного

     В кліматичних умовах України сонячну енергію можна використовувати для створення цілорічних систем теплопостачання. Такі технічні рішення реалізовані в багатьох країнах, розташованих значно північніше України. При використанні сонячних колекторів з розрахунку 3,9 м2 на людину та річному виробництві 400 кВт.год з 1м2 сонячного колектора потенціал використання сонячної енергії становить майже 75 ТВт.год/рік. 

2. Вітроенергетика

     Активне використання екологічно чистих джерел енергії зараз свого роду ознака хорошого тону, всіляко вітається як світовою громадськістю, так і урядами розвинених країн.

     З таких енергоресурсів найбільш поширеним і доступним є вітер. Експлуатація ветроустановок не вимагає палива і води, вони можуть бути повністю автоматизовані, відчужувана територія мінімальна і за розрахунками складає 3 - 5 м²/кВт встановленій потужності. Ці установки практично повної заводської готовності, і для їх монтажу вимагається мінімум часу (фундамент і підключення до мережі). Ось чому вітроенергетика бурхливо розвивається.

     Для ефективної роботи ветроустановок потрібні певні вимоги по їх розміщенню. Так, для відносно постійної роботи ветроэнергетических установок потрібно їх розміщення в місцевостях, де вітровий потенціал складає 2500 годин в рік.

     Вітрові умови району стосовно ветроиспользованию характеризуються ветроэнергетическим потенціалом, який включає різні показника вітри, визначувані за результатами багаторічних спостережень, : середньорічні і середньомісячні швидкості вітру; повторюваність швидкості і напрям вітру впродовж року, місяця, доби; дані про поривчасту, затишьях і максимальних значеннях швидкості вітру; зміни його з висотою і т. п.

     Достовірність оцінки вітрового потенціалу місцевості - найбільш важливий чинник, що визначає ефективність ветроэнергетических станцій.

    Рис. 1. Загальний вигляд втроустановки

     Як сонячні установки, так і вітряні установки мають два варіанти виконання: автономні і підключені до зовнішньої електромережі. Автономні застосовуються тоді, коли Ваш будинок або офіс повністю відключені від зовнішньої мережі і ВЕУ генерує всю необхідну електроенергію.

     Підключені до зовнішньої електромережі установки живлять Ваших споживачів та одночасно видають надлишки енергії у зовнішню мережу. Таким чином, якщо у звітний період часу Ви спожили енергії менше, ніж виробила ВЕУ, енергопостачальна організація теоретично повинна компенсувати цю різницю.

     Україна має потужні ресурси вітрової енергії: річний технічний вітроенергетичний потенціал дорівнює 30 млрд. кВт(год. В результаті обробки статистичних метеорологічних даних по швидкості та повторюваності швидкості вітру проведено районування території України по швидкостях вітру і визначено питомий енергетичний потенціал вітру на різній висоті відповідно до зон районування.

     Приведені дані є базовими при впровадженні вітроенергетичного    обладнання

і призначені до використання проектувальниками об'єктів вітроенергетики для встановлення оптимальної потужності вітроагрегатів та тилу енергії (електрична або механічна) для ефективного її виробництва в конкретній місцевості.

     В умовах України за допомогою   вітроустановок     можливим є використання

      Застосуванння вітроустановок для виробництва електроенергії в промислових масштабах найбільш ефективно в регіонах України, де середньорічна швидкість вітру > 5 м/с: на Азово-Чорноморському узбережжі, в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській областях, АР Крим та в районі Карпат.

     Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок з підвищеним обертаючим моментом для виконання механічної роботи (помолу зерна, підняття та перекачки води і т.п.) є ефективною практично на всій території України.

     Вітроенергетика України має достатній досвід виробництва, проектування, будівництва, експлуатації та обслуговування як вітроенергетичних установок, так і вітроенергетичних станцій; в країні є достатньо високий науково-технічний потенціал і розвинена виробнича база. В останній час розвитку вітроенергетичного сектора сприяє державна підтримка, що забезпечує реалізацію ініціатив по удосконаленню законодавства, структури керування, створенню вигідних умов для внутрішніх і зовнішніх інвесторів.

     Реалізація державних національних програм в галузі вітроенергетики на 2010 рік передбачає загальне річне виробництво електроенергії навітроелектростанціях та автономних вітроустановках близько 5,71 млн.МВт(год; що дозволить забезпечити біля 2,5 відсотків від загального річного електроспоживання в Україні.Використання представлених в атласі даних по потенціалу вітрової енергії значно спрощуватиме і здешевлюватиме роботи по вибору та проектуванню вітроенергетичного обладнання та об'єктів вітроенерегетики.

    Слід зазначити, що була розроблена класифікація сили вітру за шкалою Бофора і вивчений вплив її на характеристики ветроэнергетических установок різних класів і умови їх роботи. Перший варіант шкали характеризує швидкості вітру в балах від 0 (штиль) до 12 (ураган). Пізніше для оцінки швидкості дуже сильних вітрів добавили показники від 13 до 17 балів.

    Таблиця 1

Шкала Бофорта  швидкості вітру

    1.3. Біоенергетика

     Те, з чого складається рослинність  і тваринний світ, прийнято називати біомасою. Рослинна біомаса є первинним джерелом енергії на Землі. Основа біомаси - органічні сполуки вуглеводнів, які в процесі окиснення при згоранні або в результаті природного перегнивання виділяють теплоту.

    У біоенергетиці як одне з можливих джерел поновлювальної енергії може використовуватися біомаса.

     В Україні існує достатній енергетичний потенціал практично усіх видів біомаси і потрібна науково-технічна і промислова база для розвитку цієї галузі енергетики. Енергетичний потенціал біомаси представлений такими її складовими - енергетичним потенціалом тваринницької сільськогосподарської і рослинної сіьськогосподарської біомаси і енергетичним потенціалом відходів лісу.

     Потенціал біогазу, доступного для виробництва енергії на великих полігонах твердих побутових відходів, складає близько 400 млн. м3/рік, що відповідає 0.3 млн. т у.п./рік.

     Загальний потенціал використання соломи як палива є достатнім для створення 13 тис. малих теплогенеруючих потужностей (0,1-1,0 Мвттеп) плюс 700 теплогенеруючих потужностей для систем централізованого теплопостачання (1,0-10,0 Мвттеп).

     Впровадження технологій промислового і побутового прямого спалювання біомаси, виробництва біогазу і генераторного газу з біомаси дозволить замістити близько 6,5 млн. т.у.п. традиційних видів палива, отримати близько 5 млрд м3 біогазу ( 4,3 млн. т.у.п.) і близько 4,8 млрд.м3 генераторного газу (0,82 млн.т органічного палива в умовному обчисленні).

     В Україні вже давно визріла проблема створення енергетичних плантацій, наприклад кукурудзи, яка є одним з найбільш ефективних накопичувачів сонячної енергії у вигляді біомаси і дозволяє отримати в енергетичному еквіваленті приблизно 15 т ст. п. на рік з одного гектара. Можуть також використовуватися посіви інших культур з великою вегетативною масою (рапс).В майбутньому також може придбати розвиток вирощування на комерційній основі на незручних і малопридатних до рільництва землях швидкорослих (за 3-5 років) дерев (тополі, ясени, верби і тому подібне) для подальшого використання, як палива ТЕС.

     За деякими оцінками ресурси метану в вугільних пластах в перерахунку на умовне паливо займають третє місце серед запасів горючих копалин на планеті після вугілля та природного газу. Однак при цьому необхідно враховувати, що до останнього часу шахтний метан розглядався не в якості палива, а тільки як небажаний супутник процесу вуглевидобутку; з огляду на це обсяги виділення метану оцінювались лише для усунення негативних наслідків виділення метану в шахтах. Тому в оцінках ресурсів шахтного метану часто існують значні розбіжності.

     Одним з найбільш перспективних регіонів України для розвитку даної галузі нетрадиційної енергетики є Донбас; метаморфізм вугілля басейну Донбасу супроводжусться утворенням великої кількості метану. Метан в басейні знаходиться в вугільних пластах, вміщуючих породах і в підземних водах. Українськими спеціалістами на основі аналізу інформації по всій вугільній галузі України за період 1998-1999р.р. визначено найбільш перспективні об'єкти для промислової розробки ресурсів шахтного метану в Україні - це 29 шахт Донецького басейну. Основними методами утилізації шахтного метану в якості палива є використання його як палива

 в парових котлах, газотурбінних установках, як    моторного     палива в двигунах

     Позитивним  щодо біомаси є мала кількість  утвореної після її спалювання золи та її якість. У ряді випадків така зола може бути використана як добриво, тоді як при спалюванні вугілля проблема золовиділення та утилізації такої золи є доволі серйозною.

     Побутові  відходи (сміття) міст складаються з  продуктів життєдіяльності людини. В містах із розвиненою промисловістю та торговельною інфраструктурою відходи доповнюються за рахунок їх діяльності. У спрощеному вигляді відходи на 1 людину за добу для таких міст становлять:

• побутові відходи - 1,1 кг;
• торгівельні - 0,6 кг;
• промислові - 1,4 кг;
• різні речі- 0,1 кг;
• разом-3,2 кг.

     У місті з кількістю мешканців 20 тис. осіб за добу збирається 64 т відходів. У середньому густина відходів коливається в межах 120…300 кг/м, їхня теплота згорання - 10350 кДж/кг, вологість - 28,6 %, зольність - 20,8%. Місто за рік може зекономити за рахунок використання побутових відходів 8250 т у. п.

     У теперішній час у світі для енергетичних цілей використовується до 1 млрд т у. п. рослинної маси, що еквівалентно 25% світового добування нафти. Потенціальні ж ресурси рослинної маси для енергетичного використання досягають 100 млрд т у. п. У країнах екваторіального поясу біомаса залишається основним джерелом енергії, її частка в енергобалансі країн, що розвиваються, становить 35 %; у світовому споживанні енергоресурсів - 12%.

     Найбільш  ефективними технологіями використання біомаси є термохімічні: пряме  спалювання, газифікація, піроліз, метанове збродження. 

    1.4. Енергія океанів

     Величезні кількості енергії можна отримати від морських хвиль. Потужність, яка  переноситься хвилями по   глибокій   воді, пропорційна   квадрату її амплітуди і

     Можливість  перетворювати енергію хвиль  в електроенергію доведено вже давно. В останні роки зацікавленість до хвильової енергетики різко зросла в Японії, Англії, країнах Скандинавії.

     Сучасна тенденція розробки таких установок орієнтується на одиничні модулі помірної потужності (~1 МВт) розміром приблизно 50 м вздовж фронту хвилі. Переваги хвильової енергетики в тому, що вона достатньо сильно сконцентрована, доступна для перетворення і на будь-який проміжок часу може прогнозуватись в залежності від погодних умов. Утворюючись під дією вітру, хвилі добре зберігають свій енергетичний потенціал, розповсюджуючись на значні відстані.

     Припливні коливання рівня у велетенських океанах планети можна прогнозувати. Основні періоди цих коливань – добові (24 години) та напівдобові (12 годин 25 хвилин). Різниця рівнів між послідовними найвищими та найнижчими рівнями води – висота припливу. Діапазон зміни цієї величини складає 0,5-10 м. Під час припливів і відпливів рух водних мас утворює припливні течії, швидкість яких у прибережних протоках і між островами більше 5 м/с.

     Перетворення  енергії припливів використовується для створення малопотужних припливних електростанцій (ПЕС). Найбільш відомі великомасштабна ПЕС Ранс потужністю 240 МВт, що розташована в естуарії річки Ла Ранс, яка впадає в затоку Сен Мало (Бретань, Франція); та дослідна станція потужністю 400 КВт в Кислій Губі на узбережжі Баренцевого моря (Росія).  

     1.5. Геотермальна енергія

     Температура ядра Землі складає біля 5000оС. В середньому температура підвищується на 3оС через кожні 100 м на гибині. Основним джерелом геотермальної енергії є постійний потік тепла від розжарених надр, спрямований до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавити гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму. Більша частина магми залишається під землею і, подібно до печі, нагріває оточуючу природу. Якщо підземні води стикаються з цим теплом, вони теж сильно нагріваються – інколи до температури 371оС.

     Геотермальну енергію давно і широко застосовують Ісландія, США, Нова Зеландія, Франція, Угорщина і багато інших країн. У м. Рейк’явік (Ісландія) потужність геотермальної опалювальної системи складає 350 МВт і обслуговує понад 100 тис. жителів. В Угорщині площа геотермальних теплиць складає 1,5 млн. м2. На ці та інші потреби кожного року використовується 30 млн. Гкал геотермальної енергії. Одна із найпотужніших у світі геотермальних електростанцій (1400 МВт) знаходиться у районі Гейзерс (США).

     Геотермальні  ресурси України представляють собою перш за все термальні води і теплоту нагрітих сухих гірських порід. Крім цього, до перспективних для використання в промислових масштабах можна зарахувати ресурси нагрітих підземних вод, які виводяться з нафтою та газом діючими свердловинами нафтогазових родовищ.

     Україна має значний потенціал геотермальної  енергії. Затверджені Міністерством  екології та природних ресурсів України  потенційні геотермальні ресурси становлять 27,3 млн.м³/добу теплоенергетичних вод, а їх теплоенергетичний потенціал з урахуванням особливостей термальних вод, як теплоносія – 84 млн. Гкал/рік. Річний технічно-досяжний енергетичний потенціал геотермальної  енергії в Україні є еквівалентним 12 млн. т у.п., його використання дозволяє заощадити біля 10 млрд. м³ природного газу.

     Найперспективнішим для видобутку високопотенційних енергоресурсів є Карпатськийгеотермічний район, який   характеризується   високим      геотермічним

     . Температура порід в свердловинах, пробурених в Карпатах, на глибині 4 км сягає 210˚С. Необхідні температури теплоносія для геотермальних електростанцій знаходяться на значно менших глибинах (на 1 – 1,5 км), ніж у інших сприятливих місцях.

     Перспективним районом для розвитку геотермальної  енергетики є Крим. Глибини пробурених свердловин тут невеликі: до 2000 м; температура термальних вод на гирлі 50 – 70˚С, їх мінералізація – 20 – 70 г/л. На теперішній час низькопотенційні геотермальні енергоресурси Криму використовуються для теплопостачання.

     Третім  перспективним районом для розвитку геотермальної енергетики є Дніпрово-Донецька западина, що включає в себе області: Чернігівську, Полтавську, Харківську, Луганську та інші. Цей регіон одночасно є крупним споживачем теплової та електричної енергії.

     Пріоритетними районами першочергового освоєння геотермальних  ресурсів є Керченський півострів (АР Крим), Львівська та Закарпатська області, окремі родовища в Харківській, Полтавській та Донецькій областях.

     Залучення до паливно-енергетичного комплексу  України розвіданих родовищ геотермальних  вод і, в першу чергу, існуючих на цих родовищах свердловин, дасть  можливість створити геотермальні теплогенеруючі установки сумарною тепловою потужністю 200 МВт (з них 140 МВт на основі існуючих свердловин). До 2030 року цілком реально є створення енергогенеруючих геотермальних установок сумарною тепловою потужністю 2160 МВт, електричною 400 МВт.

     Теплові помпові установки можуть бути  альтернативою теплопостачання житлово-комунального господарства і промислових об’єктів, які являють собою енергозберігаюче екологічно чисте технологічне обладнання, застосування якого дозволяє не тільки забезпечити економію органічного палива, але й суттєво знизити забруднення оточуючого середовища.

     Коефіцієнт  перетворення ТПУ, який визначається, як співвідношення теплоти, що   передається     теплоспоживачу   до   витраченої   роботи   приводу   компресора,

    1.6. Воднева енергетика

     Водень, найпростіший  і легкий із всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є всюди, де є вода. При спалюванні водню утвориться вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окису вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п.  Водень має дуже високу теплотворну здатність: при спалюванні 1 м водню виходить 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 м бензину - тільки 47 Дж.

     Водень  можна транспортувати й розподіляти  по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива - найдешевший  спосіб далекої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, чим повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750 мм на відстань понад 80 км обійдеться дешевше, ніж передача тої ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелі. На відстанях більше 450 км трубопровідний транспорт водню дешевше, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму.

     Водень - синтетичне паливо. Його можна одержувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Відповідно до оцінок, сьогодні у світі роблять і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на     виробництво     аміаку  й добрив,   а інше -   на   видалення сірки з

     Зараз водень роблять головним чином (близько 80%) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія, одержувана з такого водню, обходиться в 3,5 рази дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає в міру підвищення цін на нафту.

     Невелика  кількість водню одержують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожче, ніж вироблення його з нафти, але воно буде розширюватися й з розвитком атомної енергетики стануть дешевше. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде на розкладання води з утворенням водню. Правда, ціна електролітичного водню залишиться вище ціни електричного струму, зате витрати на транспортування й розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятна в порівнянні із ціною електроенергії.

     Велику  увагу приділяють термолитичному  методу, що (у перспективі) полягає  в розкладанні води на водень і  кисень при температурі 2500 °С. Але  така температурна межа інженери ще не освоїли в більших технологічних агрегатах, у тому числі й працюючих на атомній енергії (у високотемпературних реакторах поки розраховують лише на температуру близько 1000°С). Тому дослідники прагнуть розробити процеси, що протікають у кілька стадій, що дозволило б виробляти водень у температурних інтервалах нижче 1000°С. 

     1.7. Енергія річок

     Майже уся гідравлічна енергія є однією з форм сонячної енергії і тому відноситься до поновлюваних природних енергоресурсів. Під променями сонця випаровується вода з озер, річок і морів. Утворюються хмари, йде дощ, і вода врешті-решт   повертається у водні   басейни,   тобто туди, звідки випарувалася.

     Рівень розвитку гідроенергетики в різних країнах і на різних континентах неоднаковий. Найбільше гидроэлектроэнергии роблять Сполучені Штати, за ними йдуть Росія, Україна, Канада, Японія, Бразилія, КНР і Норвегія. Неосвоєні гідроенергетичні ресурси Африки, Азії і Південної Америки відкривають широкі можливості будівництва нових ГЭС. На Північну Америку, у розпорядженні якої знаходиться усього близько 13% світових ресурсів гідроенергетики, доводиться близько 35% повної потужності діючих ГЭС. В той же час Африка (21% світових гідроенергетичних ресурсів) і Азія (39%) вносять лише 5 і 18% відповідно у світове вироблення гидроэлектроэнергии. З інших континентів Європа (21% ресурсів) дає 31% вироблення, а Південна Америка і Австралія, разом узяті, розташовуючи приблизно 15% ресурсів, дають тільки 11% вироблюваної у світі гидроэлектроэнергии, на рис.2.

    Рис.2.  Гідроелектростанція

     1.8. Вибір відновлювального  виду енергії для  розробки.

     За  своєю конструкцією виділяють дві  принципово різні вітроустановки: з  горизонтальною і вертикальною віссю  обертання. Вітроенергетичні установки з вертикальною віссю обертання мають переваги над установками з горизонтальною віссю обертання перш за все тим, що зникає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція та знижуються гідроскопічні навантаження, які зумовлюють додаткову напругу в лопастях, системі передач та інших елементах установок.

     Ще  одним плюсом вертикальних вітрогенераторів в порівнянні з горизонтальними це їх безшумність. Так само треба враховувати підвищену довговічність механізмів за відсутність навантаження на вал.

     Слід  так само врахувати слабкіший  вітер необхідний для старту турбіни (1.2 м/с в порівнянні з 2.5 м/с в  горизонтальних). Недолік ветрикальних турбін, один - це ціна. Ціна вертикальних генераторів вища приблизно в півтора-два рази.

     З усіляких пристроїв, що перетворять  енергію вітру в механічну  роботу, у переважній більшості випадків використовуються лопатеві машини з горизонтальним    валом,   установлюваним    по   напрямку вітру.   Набагато    рідше

     В даний час 95% всіх ветрогенераторов, що випускаються в світі – трилопастеві з горизонтальною віссю. Турбіни з горизонтальною віссю і високим коефіцієнтом швидкохідності мають найбільше значення коефіцієнта використання енергії вітру (0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але мають ту перевагу, що не вимагають настроювання на напрямок вітру.

     Враховуючи  всі недоліки і переваги обираємо ВЕУ - трьохлопатевий з горизонтальною віссю.

    2.1 Вибір способу перетворення  енергії вітру  вітроприймальним пристроєм 

     Ефективність  роботи  вітротехніки  найбільшою  мірою  визначається  способом перетворення  кінетичної  енергії  вітру  в  механічну  її  вітроприймальним  пристроєм.

     Зрозуміло, що  від цього  залежать  як обсяги  генерування електричної  енергії, так і одинична  потужність  вітротехніки,  її матеріалоємність,  вартість  та  технікоекономічні показники її експлуатації.

     Перетворення  енергії  вітрового  потоку  в  механічну  відбувається  у  вітроприймальному  пристрої. За час розвитку вітроенергетики було розроблено (і пропонується ще й нині) багато типів вітроприймальних пристроїв.  За своєю  сутністю, вітроприймальні пристрої − це механізми з   елементами, конструкція яких у вітровому потоці викликає виникнення несиметричних  сил, від дії яких  ці елементи можуть обертатись навколо вісі, здійснювати зворотно-поступальні рухи або вібрувати.

     Залежно від орієнтації вісі обертання елементів    вітроприймальних пристроїв відносно напрямку вітру     вирізняють вітроприймальні пристрої: 

     - з горизонтальною віссю обертання вітроколеса,    паралельною з напрямком вітру (колінеарні);

• з горизонтальною віссю обертання вітроколеса,    перпендикулярноюдо напрямку вітру (подібні до водяного колеса);
• з вертикальною віссю обертання вітроколеса, перпендикулярною до напрямку вітру (ортогональні).

     Відомі  також рухомі вітроприймальні пристрої, до яких можна віднести парус, який рухається, наприклад, по замкнутому рейковому  кільцю на колесах, що механічно  з’єднані  з електричним  генератором. Є  й  інші  схеми використання паруса. Деякі типи вітроприймальних пристроїв під дією вітру можуть здійснювати коливання подібно маятнику або вібрувати.

     На  рис. 2 наведені графіки зміни коефіцієнтів використання енергії вітру залежно  від типу вітроприймального пристрою, конструкції вітроколеса та його швидкохідності [10, 12, 18].

     Аналіз  даних, наведених на рис. 2 щодо  корисного  використання енергії вітру вітроприймальним пристроєм (інакше ККД вітроколеса), свідчить, що в широкому  інервалі швидкохідностей  вітроколеса  найкращі  показники  досягаються  у  пристроях  колінеарного  типу,  в  яких  перетворення  енергії  вітрового  потоку  в  механічну  обертання відбувається завдяки дії підіймальної  аеродинамічної сили, а в  їх конструкції застосовуються три профільовані лопаті.

Рис. 2. Типові коефіцієнти корисного використання енергії вітру залежно від типу вітроприймального пристрою і конструкції вітроколеса: 1 – ідеальне крильчате вітроколесо; 2а - швидкохідне трилопатеве вітроколесо; 2в - швидкохідне дволопатеве вітроколесо; 2с - швидкохідне однолопатеве вітроколесо; 3 - "ротор Дар'є"; 4 - багатолопатеве вітроколесо; 5 - "ротор Савоніуса"; 6 - чотирьохлопатеве вітроколесо сільського млина.

    2.2. Розрахунок діаметру вітроколеса

    При розрахунку потужності ВЕУ або розмірів вітроколеса використовується розрахункова швидкість вітру:

                                                   (2.1)

де  V_ср – середньорічна швидкість вітру в Миколаївській області, V_ср=5,2 м/с;

    Потужність  ВЕУ P і розміри вітроколеса R(D), точніше захоплювана площа S=πR² пов’язані співвідношенням:

     .                                            (2.2)

    Із  рівняння (2.2) потужності ВЕУ, знаходимо захоплювану площу вітроколесом:

                                       (2.3)

де  S - площа вітроколеса, м²;

    ρ – густина повітря, ρ=1,23 кг/м³;

    V_р – розрахункова швидкість вітру, V_р=7,7 м/с;

    C_р – коефіцієнт використання енергії вітру,  C_р=0,46;

    η – ККД генератора (орієнтовне значення), η=0,8; 

    За  знайденим значенням площі захоплюваної вітроколесом, знаходимо радіус вітроколеса:

     .                                       (2.4)

    Таким чином оптимальний діаметр вітроколеса для встановленої потужності Р=1 кВт дорівнює D=2∙1,76=3,51≈3,5 м. 

    2.3. Розрахунок обертів вітроколеса 

    При проходженні повітря через лопаті, залишається слід який гальмує обертання  вітроколеса. І тому чим більше лопатей, тим швидкохідність стає менше. Тому, щоб розрахувати обороти вітроколеса, візьмемо за основу швидкохідність Z_опт, встановлену практичним шляхом для вітроколіс з різною кількістю лопатей:

    1-лопатеве  вітроколесо Z_опт =9,0

    2-лопатеве  вітроколесо Z_опт =7,0

    3-лопатеве  вітроколесо Z_опт =5,0

    6-лопатеве  вітроколесо Z_опт =3,0

    12-лопатеве  вітроколесо Z_опт =1,2

    При Z=Z_опт коефіцієнт використання вітру має максимальне значення (C_р≈0,46). Щоб повністю використовувати енергію вітру, вітряк повинен працювати  з Z=Z_опт. Тому при зміні швидкості вітру потрібно змінювати напругу на генераторі, щоб змінювалась і частота обертання, а значення Z повернулося до Z_опт.

    Оберти  вітроколеса розраховуються за формулою:

                                            (2.5)

де: n – частота обертання вітроколеса (об/хв);

         V_р – розрахункова швидкість вітру, V_р=7,7 м/с;

        D – діаметр вітроколеса D=3,5 м;

    При зміні швидкості вітру V буде змінюватися частота обертання вітряка п і потужність га напруга, що виробляється генератором.  

    2.4. Розрахунок річного  обсягу виробленої  електроенергії

     Розрахунок  річного обсягу виробленої електроенергії проводимо з урахуванням часу дії конкретної швидкості вітру  V за формулою Вейбула ( ). Ця формула за середньорічною швидкістю вітру V_ср в даному місці дає час дії ( у відносних одиницях – в.о.), цієї конкретної швидкості V. Тому спочатку для кожної конкретної швидкості за формулою (2.2) розраховується потужність Р, а потім вона перемножується на час дії цієї швидкості Δt=в.о∙8760 (8760 – кількість годин в одному році). 

    2.5. Вибір генератора

     Асинхронні  генератори використовуються, як правило  в потужних ВЕУ для відводу  електроенергії в мережу. Вони потребують спеціальних пристроїв для регулювання стрибків стуму. Малопотужні генератори потребують конденсаторних батарей і пристроїв для самозбудження, тому ми від них відмовляємось.

     Синхронні генератори бувають із звичайним  збудженням на роторі і з постійними магнітами. Перші мають ковзаючі контакти, тому їх не використовують.

     Найкращим застосуванням являється СГ на постійних  магнітах. В синхронних генераторах  ЕРС і її частота залежать від  частоти обертання ротора: Е=kФп, f=рп. Це вимагає застосування допоміжних пристроїв для стабілізації Е і f  при живлені загальнопромислових електроспоживачів. Однак в умовах с/г для використання надлишку виробленої  ВЕУ «неякісної» енергії можна нагрівати воду, повітря, грунт за допомогою ТЕНів, робота яких некритична до коливань напруги і її частоти.

    Синхронні генератори з постійними магнітами  за принципом дії не відрізняється  від звичайних СГ, але у них  на роторі немає обмотки збудження. На місці неї встановлюють постійні магніти. Це спрощує конструкцію і обслуговування машини, підвищує її надійність.

    Застосовуються  такі генератори в установках малопотужних пересувних електростанцій, в автомобілях.

    За  каталожними даними обираємо потрібний  генератор для даної ВЕУ, з  параметрами приведеними нижче:

    2.6. Розробка блок схеми та схеми керування ВЕУ

     Вітроколесо перетворює кінетичну енергію природного вітрового потоку в механічну енергію обертання головного валу вітрогенератора, яка потім перетворюється генератором в електричну енергію змінного струму. Далі, змінний струм, проходячи через інвертор за допомогою «інтелектуального» зарядного пристрою перетворюється на постійний для заряджання акумуляторних батарей. Потім постійний струм з акумуляторних батарей, за допомогою інвертора, яким оснащений вітрогенератор, перетвориться в однофазний змінний струм 220В, 50Гц.

Опорно-поворотний вузол з демпфером рискання орієнтують   вітроколесо  на вітер

Рис 3. Блок-схема ВЕУ

      Принципова електрична схема  вітроенергетичної установки представлена  на рис.4.

    рис.4. Принципова енергетична схема енергетичної установки 
 

    2.7. Розробка конструкції ВЕУ

    Найбільше поширення знайшли  вітроагрегати  з горизонтальною віссю.

    Основні елементи конструкції  лопатевих  ВЕУ наступні:

• Ротор, за допомогою якого під дією повітряного потоку забезпечується обертання  відповідних елементів вітроагрегату
• опора, на якій монтують ротор; 

• система повороту і орієнтації ротора на вітер;
• перетворювач енергії, за допомогою якого механічна енергія ротора перетворюється в інші види енергії (електричну, гідравлічну, теплову).

     Машинне відділення ВЕУ  включає також  електромеханічне устаткування: електричний  генератор; редуктор, що служить для  підвищення частоти обертання вітроколеса  до необхідної для обертання електричного генератора; муфту, що зв’язує вихідний вал редуктора і вал електричного генератора; електричний або гідравлічний привід кута установки лопатей вітроколеса; блоки системи автоматичного регулювання; необхідне допоміжне устаткування.

     Для керування роботою вітроколеса  вітродвигун обладнують системою автоматичного регулювання. Обрану конструкцію ВЕУ зображено на рис. 5.

Рис. 5. Конструктивна  схема ВЕУ з горизонтальною віссю  обертання: 1 – робоча лопать; 2 –  редуктор; 3 – електрогенератор; 4 –  флюгер; 5 – щогла

     Небезпеки, пов'язані з монтажем і експлуатацією  енергоустановок на ВЕУ. Монтаж вітроенергетичної установки створює небезпеки, характерні при спорудженні висотних щоглових пристроїв. У зв'язку з цим необхідно остерігатися падіння самої щогли й важких предметів. Змонтована вітроенергетична установка піддається вітровим навантаженням, тому існує небезпека її перекидання.

     Крім  того енергоустановка являє собою  енергетичний вузол, що включає трифазний  генератор змінного струму із чотирипровідною  електричною мережею, машину постійного струму, батарею акумуляторів. Така сукупність електроустаткування створює  природні небезпеки ураження електричним струмом і виникнення небезпечних у пожежному відношенні ситуацій. Висока ємність акумуляторних батарей створює, крім того, небезпеку вибуху водню при заряджанні й розряджанні, отруєння парами водню й сірчаної кислоти, небезпека кислотних опіків.

     Для захисту електроустаткування від  аварійних режимів роботи застосовуються автоматичний вимикач для захисту  генератора змінного струму від к.з., автоматичний вимикач для захисту  машини постійного струму від перевантаження й к.з., захисту акумуляторів від к.з., запобіжники для захисту вторинних ланцюгів керування від к.з..

     Для захисту людини від ураження електричним  струмом застосовується заземлюючий  пристрій у сукупності з вищезгаданими  автоматичними вимикачами. Для захисту  енергоустановки від поразки ураження застосовується блискавко захист, для чого металева щогла вітроустановки з'єднується з контуром заземлення. Для виконання контрольних вимірів і обслуговування енергоустановок використовуються наступні засоби й пристосування: ареометр із гумовою грушею, навантажувальна вилка з ізолюючою рукояткою, респіратор, термометр зі шкалою , монтажний пояс, електроінструмент (викрутка, обценьки) з ізольованими рукоятками, мегаомметр, харчова  сода  і  її 10% розчин, пісок, вогнегасник, аптечка із установленим Мінздравом набором медикаментів.

     Акумулятори повинні перебувати в окремому приміщенні, пофарбованому зсередини кислотостійкою фарбою і маючому витяжну шахту. Зазначені заходи забезпечать безпечну експлуатацію енергоустановок на основі поновлюванихджерел енергії.

     1. Енергетика в ХХІ столітті / В.П. Кухар //Доп. Міжнародної конференції “Енергетична безпека Європи. Погляд у ХХІ століття.” 3-6 травня 2000 р., м. Київ, Українські енциклопедичні знання - 2000. С. 5-10. Укр.

     2. Енергетика ХХІ  століття /Коробко Б.П.//Винахідник  і раціоналізатор,  № 1-2, 1999 р. С. 1-2. Укр.

     3. Энергетика  Украины  в  третьем  тысячелетии -  пути  преодоления  кризиса  и задачи научных исследований /Кузьмин В.В.//Доповіді форуму ВЕР “Київ-2000”. Ринкові перетворення в енергетиці. Перспективи на початок      ІІІ тисячоліття. Київ 16-19 травня 2000. - К., Всеукраїнський енергетичний комітет, 2000. - Т.2. - С. 135-140. Рос.

     4. Энергетика после Рио-де-Жанейро: Перспективы и задачи. Резюме Программы развития ООН / Э.К.Н.Реддл, Р.Х. Уильямс, Т.Б. Джохенссон //1997. -  35 с. Рос.

     5. Аналіз  глобальної енергетичної  ситуації / G. Doucet //Доповідь форуму ВЕР “Київ-2000”. Ринкові перетворення в енергетиці. Перспектива на початок ІІІ тисячоліття. 16-19 травня 2000 - К., Всеукраїнський енергетичний комітет, 2000. - Т. 1. - С. 12-27. Англ.

     6. Концепція  та  основні  завдання  галузевої  програми  впровадження  нових та поновлюваних джерел енергії /Коробко Б.П., Жовмір М.М. //Энергетика и электрификация, № 7, 1999. - С. 33-41. Укр.

     7. Ветроэнергетика/Д. Рензо// М.:Энергоатомиздат, 1982. Рос.

     8. Вітропотенціал та перспективи розвитку вітроенергетики в Україні /Коробко Б.П.//Винахідник і раціоналізатор, № 1-2, 1999 р., с. 2-9. Укр.

     9. Преобразование и использование ветровой  энергии /О.Г. Денисенко, Г.А. Козловский, Л.П. Федосенко, А.Н. Осадчий. - К.,Техника, 1992. - 176 с. Рос.