Дослідження питання узгодження електричного навантаження з вітроенергетичною установкою

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Рівень складності	Середній
Рівень небезпеки	Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів	На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи	До 1 години

Резюме
Попередня інформація
Обладнання
Експериментальна процедура
Аналіз отриманих даних
Напрями розвитку

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне й експериментальне дослідження питання узгодження електричного навантаження з вітроенергетичною установкою.

Мета роботи: визначити оптимальне електричне навантаження для вітроенергетичної установки.

Завдання роботи: визначити ККД вітроенергетичної установки за різних навантажень та його оптимальне значення.

Блок 2. Попередня інформація

Одним з перспективних напрямів відновлюваної енергетики є використання енергії вітру з подальшим її перетворенням на електричну енергію за допомогою електричного генератора.

Основними складовими частинами вітроенергетичної установки є ротор та електричний генератор. Ротор слугує для перетворення енергії прямолінійного руху повітря у механічну енергію. Генератор слугує для перетворення енергії обертального руху ротора на електричну енергію.

Також до складу вітроенергетичних установок входять пристрої для накопичення, стабілізації та перетворення електричної енергії.

Усі вітроенергетичні установки поділяються на установки з горизонтальною та вертикальною осями обертання ротора. Установки з горизонтальною віссю обертання ротора мають більший ККД, але потребують додаткових пристроїв та механізмів для орієнтування за напрямом вітру. Установки з вертикальною віссю обертання більш прості за конструкцією, вони не потребують пристроїв для орієнтації за напрямом вітру, але мають менші значення ККД.

ККД вітроенергетичної установки визначається як відношення електричної потужності до потужності вітрового потоку, що проходить через переріз ротора:

η = (Р_ел/N_вітр)⋅100 %, (1)

де Р_ел – електрична потужність вітроенергетичної установки, Вт;

N_вітр – потужність вітрового потоку, що проходить через переріз ротора.

Електрична потужність вітроенергетичної установки визначається за формулою:

Р_ел = I_н⋅U_н, (2)

де І_н – електричний струм у навантажувальному ланцюгу вітроенергетичної установки;

U_н – напруга на затисках електричного генератора вітроенергетичної установки.

Потужність вітрового потоку, що проходить через переріз площею S, м², визначається за формулою:

N_вітр = ρ⋅S⋅v³/2, (3)

де ρ – густина повітря, кг/м³;

S – площа перерізу ротора, м²;

v – швидкість повітря.

Густина повітря за нормальних умов дорівнює 1,84 кг/м³.

Площа перерізу ротора вітроенергетичної установки визначається як площа кола, що описується його лопатками під час руху:

S = π⋅r², (4)

де r – радіус лопатки ротора, м.

Генератор вітроенергетичної установки має певну вольт-амперну характеристику (ВАХ). Його напруга та струм залежать від опору навантаження.

Досліджувана проблема – з’ясувати, чи залежить ККД вітроенергетичної установки від опору навантаження, та якщо залежить, то за якого опору ККД буде максимальним.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: вітроенергетична установка, електрична енергія, електричне навантаження, коефіцієнт корисної дії.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

http://editor.inhost.com.ua/storage/MANLab/workbook/energ/4vitr/#/0;
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика;
В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.

Блок 3. Обладнання

комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії»; джерело постійного струму; крильчатий цифровий анемометр UNI-T UT362; цифровий мультиметр UNI-T UT70А – 2 шт.; з’єднувальні провідники; штангенциркуль.

Основні терміни та поняття

МЕХАНІЧНА РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ Потужність Потужність електричного струму РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Коефіцієнт корисної дії Електричний опір ЗАКОН ОМА ДЛЯ ДІЛЯНКИ КОЛА. ОПІР МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКІВ. НАДПРОВІДНІСТЬ – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Блок 4. Експериментальна процедура

Складіть дослідницьку установку за рисунком у методиці “Дослідження вітроенергетичної установки”, але замість світлодіода як навантаження встановіть змінний резистор опором 1 кОм.
Проведіть вимірювання за згаданою методикою за різних положень ручки резистора (не менше 10, у тому числі двох крайніх положень).

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Результати досліджень запишіть у таблицю:

r =_______ м

№	v, м/с	U_н, В	І_н, А	S, м²	Р_ел, Вт	N_вітр, Вт	η, %
1
2
3
4
….
10

За формулою (4) визначте площу ротора.
За формулою (3) визначте електричну потужність вітрового потоку.
За формулою (2) визначте електричну потужність вітроенергетичної установки.
За формулою (1) визначте ККД вітроенергетичної установки.
Побудуйте графік залежності струму вітрогенератору від напруги (його ВАХ) та графік залежності ККД вітрогенератору від напруги.
Користуючись отриманими графіками та рівнянням закону Ома, визначте, який опір навантаження за цих умов відповідатиме максимальній ефективності вітроенергетичної установки.

Блок 6. Напрями розвитку

Визначте співвідношення напруги та струму вітрогенератора, що відповідають максимальній ефективності з напругою холостого ходу та струмом короткого замикання.
Узгодьте електричне навантаження з вітроенергетичною установкою за різних швидкостей вітру.
Визначте залежність ККД вітроенергетичної установки від кількості лопаток ротору.
Опишіть можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.