Наукова робота. Вітроенергетика: від теорії до практики

Підготував:
Гончар Іван
учень 9 класу
Гродівської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів
Покровської районної ради
Донецької області

Вчитель:
Баришник Світлана Михайлівна,
учителька фізики
Гродівської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів
Покровської районної ради
Донецької області,
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Фізика і астрономія”

Вступ

Проблема, що підлягає дослідженню:

1. Споживання енергоресурсів у всьому світі безперервно збільшується, млрд. т умовного палива:

1900-1925 рр. – 30; 1925-1950 рр. – 50;

1950-1975 рр. – 95; 1975-2000 рр. – 300-450.

Сучасна енергетика базується на викопному органічному паливі: кам’яному вугіллі, нафті та газі. Розвіданих і прогнозних запасів викопного палива при сучасних темпах енергоспоживання достатньо на 90-150 років. За оцінками експертів, запасів ядерного палива вистачить ще на 150-200 років. Реальною довгостроковою перспективою для людства залишається термоядерна енергетика, ресурси якої практично безмежні. Проте ядерна і термоядерна енергетика має труднощі з утилізацією ядерних відходів та захороненням елементів конструкцій ядерних реакторів, що відпрацювали свій термін.

2. Ціна на світло в 2018 році може знову збільшитися приблизно на 27% (це навіть більш високе зростання цін, ніж в минулому році). А якщо порівнювати з тією тарифною сіткою, що була дійсною в 2015 році, то можна підрахувати, що вартість ціна електрики зросла майже в 4 рази.

Гіпотеза: Використання енергії вітру дозволить зменшити використання викопного палива, знизить собівартість електроенергії, ризики екологічного забруднення. Створена модель вітрогенератора розкриє можливості використання його для господарських потреб.

Методи та прийоми, які використовувалися в роботі:

 – збір інформації з даної теми.

 – порівняльний аналіз інформації, отриманої в ході дослідження;

 – моніторинг дослідження.

 – математичні розрахунки;

 – моделювання.

Історична довідка

Сила вітру – це одне з найстародавніших використовуваних людством джерел енергії. Мореплавці використовували силу вітру для морських подорожей під вітрилами ще за 3500 років до нової ери. Прості вітряки були широко поширені в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, в Персії, близько 200 року до н.е. почали використовуватися вітряки з вертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші персидські вітряки виготовлялися з в’язанок очерету, які прикріплялися до дерев’яної рами, що оберталася, коли дув вітер; стіна навколо вітряка спрямовувала потік вітру проти лопатей.

В XI столітті в Європі почали поширюватися вітряки, що завозилися мандрівними купцями та лицарями з хрестових походів. Ці перші млини постійно вдосконалювалися, спочатку голландцями, потім англійцями, і врешті набули конструкції з горизонтальною віссю. Жителі Голландії виявили, що вітром дуже зручно користуватися для відкачування води, щоб осушити землю, що для цієї країни, яка розташована в низинах і тому потерпає від повеней, є дуже актуальним. Найбільш активно в допромисловій Європі вітряки використовувались у XVІІІ столітті, коли лише в одній Голландії їх було понад сто тисяч. З їхньою допомогою мололи зерно, качали воду й пиляли дрова. Згодом більшість вітряків, нездатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, було замінено паровими двигунами. Однак і сьогодні вітряки використовуються досить широко.

В історії Сполучених Штатів вітряки відіграли дуже важливу роль в освоєнні Заходу Америки наприкінці XIX століття. Вони були життєво необхідні першим поселенцям Великих рівнин. Вітряки поставляли воду на залізницю та пасовища, в місця, віддалені від рік і джерел води. Пізніше вітряки стали використовувати у віддалених від населених пунктів господарствах для вироблення електричної енергії. За останні 100 років американці створили понад 8 мільйонів вітрових установок для водопідняття, призначених у більшості випадків для пасовищ і худоби.

У старих вітряків лопаті були дерев’яними і могли використовувати близько 7% енергії вітру. Завдяки новаторській праці Томас Перги, який наприкінці XIX століття провів близько 5000 експериментів з різними видами “колеса” (тобто ротора), дерев’яні лопаті поступилися місцем лопатям з вигнутого металу, що збільшило ефективність установок вдвічі – до 15%.

Використовували енергію вітру з давніх часів і в Україні.

Вітряки створювали особливий колорит українського села, польових доріг: біля них подорожні відпочивали, по них вимірювали відстань. Та вітряні млини з’явились  у нас відносно пізно.  До того борошно мололи «на горах, на водах, на желізі, на телізі, на рачачій нозі».

 На Русі, за найсміливішими припущеннями, перші вітряні млини з’явилися ще в домонгольську добу. Та найімовірніше, на українські території вітряки поширилися в ХVІ столітті. Млинарство швидко перетворилося на прибуткову справу, адже «робило гроші» з вітру. Однак збудувати млин – то була справа вельми недешева, а тому залишалася прерогативою заможних людей. Та й право молоти зерно надавали далеко не всім. У Речі Посполитій (до якої входили й українські землі) млинарство, поруч із гуральництвом, було в державній монополії, а користуватися нею фізичним особам дозволяли через оренду. Млини були надзвичайно вигідними підприємствами, тож за них точилися справжні війни.

За часів Гетьманщини  млинарство було одним із головних джерел «бюджетних» надходжень. На той час млин перетворився на цілий промисловий комплекс: тут валяли сукно, дерли крупу, обробляли деревину (так звані тартаки), робили папір, порох тощо. Оскільки млини були дуже рентабельними підприємствами, то привілей займатися мірошництвом надавався тільки гетьманським універсалом і переважно особам, які були корисні гетьману з тих чи інших причин. Володіли млинами також і монастирі.

Новий виток у розвитку млинарства почався в ХVІІІ столітті, коли на території України широко будували вітряні млини німецького та голландського типів. Відмінності між ними були в тому, яким способом вони ловили вітер. У німецьких за вітром обертався весь корпус, а в «голландках» – лише дах із крилами та колесом (так звана шапочка). В Україні були поширені вітряки-башти, вітряки-комори на піддашку і вітряки, що повторювали форму клуні, хати, культових споруд, зрубні і каркасні, одноповерхові й двоповерхові. «Робочим» для вітряка вважався вітер 3,6–8,5 м/с.

Уже на початку ХІХ століття навколо сіл, на вигонах і пагорбах стояло часом по кілька десятків (до 80 на півдні) «крилатих створінь». Це вражало заїжджих людей. Так, придворний лікар Отто фон Гун, який супроводжував російського царя під час його подорожі Україною, занотував: «Під’їжджаючи до поселення Понурниця, ми побачили раптом багато вітряних млинів. Всі вони махали крильми, і здавалося, що вони мелють всю Україну. Але потім нам пояснили, що кожний – не більший за селянську клуню…».

Після скасування кріпаччини селяни почали масово будувати вітряки. Ставили їх переважно на громадських територіях – вигонах, крутих схилах, при дорогах, на польових пагорбах. У народі їх називали «дядьківські» вітряки. Будували їх господарі в складчину або сукупно з родичами: батько й син, брати чи інші близькі родичі. Млинарська справа, як і вітряк, передавалась у спадок синам.

Пік будівництва вітряків припав на кінець ХІХ – початок ХХ століття. Дослідники припускають, що в Україні їх тоді було не менше 20 тисяч. Вони чітко позначали на мапі України хліборобські райони: саме ті землі, де переважало сільськогосподарське виробництво зерна, а не скотарство чи  відхідництво. Бурхливий розвиток млинарства символізував демографічне зростання і, відповідно, збільшення попиту на борошно і крупи.

 У деяких регіонах вітряних млинів було більше за водяні. Крилаті машини були поширені переважно в лісовій та лісостеповій смугах. Наприклад, на початку ХХ століття у Полтавській губернії в Прилуцькому повіті було 717вітряків, у Лохвицькому – 645, Золотоніському – 623, Зіньківському – 435, Пирятинському – 419, Хорольському – 418. В інших регіонах вітряки переважали лише на підвищених місцевостях.

У другій половині 1920-х років навіть незначне виробництво, не кажучи вже про розвинене млинарство, опинилося поза законом. Офіційної заборони займатися цим не було, однак державна податкова політика була спрямована на його цілковите викорінення. Приміром, був  так званий  мірчук – зерно або борошно, якими селяни розраховувалися за помел із власником млина. Щоб активізувати викачування продовольчих запасів у власників млинів, органи влади постановили, щоб 10% зібраного мірчука залишати на місці для потреб бідноти. Таким чином, ще до початку процесу розкуркулення та вилучення в заможних селянських господарств майна, у тому числі й млинів, підривалася їх економічна база. Власнику млина чи круподерки ставало невигідно надавати населенню практично безкоштовні послуги.

У роки примусової колективізації вітряне млинарство опинилося серед «неперспективних» галузей й поступово занепадало. Вітряки забирали до колгоспів, деякі залишали в полі. Переважна більшість механічних млинів, переведених на баланс колгоспів і машинно-тракторних станцій, зупинились і без належного догляду поступово руйнувалися. Керівники колгоспів віддавали перевагу будівництву потужніших млинових комплексів на паровій чи дизельній тязі.

Згідно з постановою РНК УСРР від 13 серпня 1929 р., до переліку ворожих радянській владі «куркульських» господарств включено ті, де «є млин, олійниця, круподерня, просорушка». Під час голодомору під загрозою репресій опинилися і власники ручних млинів.

Та швидкий розвиток електрифікації «соціалістичного народного господарства» змусив задуматися над створенням потужних вітродвигунів. Тож в СРСР всерйоз задумалися над створенням вітротехніки. Радянські винахідники А. Уфимцев та Є. Фатєєв розробляли проекти потужних вітроелектростанцій, які б працювали «на користь людства та будівництво соціалізму». Для дослідження питань, пов’язаних із використанням енергії вітру, навіть створили Центральний вітроенергетичний інститут. На ЦВЕІ сконструювали і збудували швидкохідний вітродвигун зі сталим числом обертів, який у 30-х роках визнали справжньою технічною революцією, бо «двигун ЦАГІ може при всякому вітрі паралельно працювати з якою завгодно електростанцією». Одним словом, все було спрямовано на перехід від кустарництва до масового механізованого виробництва вітряків.

Лебединою піснею українського млинарства було винайдення вітродвигуна Д-15. Його називають шедевром аматорської інженерної думки. Його автори Тихін і Володимир Стрільці (батько та син) з Канівщини.  Їхній винахід на Всесоюзній виставці досягнень народного господарства у 1954 році отримав Малу золоту медаль. Після виставки видавництво «Сельхозиз» видало книгу Володимира Стрільця «Вітродвигун Д-15». Завдяки детальним кресленням та роз’ясненням, поданим у книзі, вітряк можна легко відтворити. Перший такий двигун його творці збудували в колгоспі імені Леніна, що у селі Домонтове. Впродовж 1951-1954 рр. таких млинів збудували 13 – у колгоспах Київської, Полтавської та Кіровоградської областей.

До наших днів зберігся один такий диво-млин у селі Грищинці, що на Канівщині. Він вірою й правдою служив селу до 1970-х років. Старий мірошник Григорій Сторчеус, який брав участь у будівництві цього млина, каже, що якби вітряк доглядали, він працював би й досі.

Вітроенергетика в літературі і мистецтві

Будівництво вітряків, їх роботу оспівано в піснях, леґендах, переказах, вітряки часто малювали художники. Вітряки ставились на пагорбах, на околицях села або в полі. Як згадують старші люди, їх могло бути й по кілька десятків. Долинні села, які не мали водяних млинів, возили зерно молоти до вітряків. Мололи не тільки собі, а й худобі. Розрізняли борошно петльоване, простого помолу і дерть.

Вітряки були місцем, де збиралася сільська громада для обговорення різних питань, нерідко подалі від ока сільської влади. Біля вітряків збиралася й молодь, водила веснянки, влаштовувала різні забави. Побут і працю мірошника та його родини оспівано в піснях:

Ой піду я до млина до дірявого,
Чи не стріну Василя кучерявого.
*** 

Ой піду я до млина, до млина,
Бо в нас млива вже нема, вже нема.

Там то, мамцю, мельник,

Там то, мамцю, добрий,

Там то, мамцю, хороший – 

Меле гречку без грошей!

Меле, меле, меле, решетує,
Обернеться, – мене поцілує…

Вітряки створювали особливий колорит наших сіл, польових доріг. Біля них подорожні відпочивали, по них відмірювали дорогу. Це були наче сторожові вежі. Рухаючи крильми, вони ніби злітали в небо, а в нерухомому стані були втіленням величного спокою.

Неперевершений образ наших вітряків змалював Михайло Стельмах. „Сизі від негоди, ці добрі душі українського степу, що віками вписували в сторінки хмар і неба нелегкий літопис хліборобської долі, основою, хрестовиною тримаються чорної землі, а крилами жадають неба”.

Старші люди пам’ятають роботу вітряка, неповторний запах свіжого борошна і мельника, всього припорошеного, від чого він здавався якимось особливим, не таким, як усі люди. Його слово було законом, з ним ніхто не сперечався, не сварився. До вітряка з’їжджалися возами з зерном, приходили з клунками селяни з навколишніх сіл, завжди тут була черга, як казали, „завізно”, як і на ярмарку.

Точилися розмови на найрізноманітніші теми, укладалися різні угоди – від купівлі землі до одруження молодих. Де дорослі, там і дітвора, хто з батьком, хто з дідом. Слухали мудрі розмови, а потім гуртувалися і гралися. Як набридало й це, починали бешкетувати – деякі відчайдухи каталися на крилах, поки дорослі не припинали ці пустощі.

Тарас Шевченко, як художня натура, не міг пройти вздовж цих мальовничих вітряків, так у повісті «Наймичка» він підкреслює, що у Малоросії спостерігається чимало вітряків і закінчує словами: «… и как приветливо они машут своими крыльями утомленному путнику…» В повісті «Прогулка с удовольствием и не без морали»: «…За селом на отлогой возвышенности махали крыльями, как будто жаркий спор вели между собой, две ветряные мельницы…».

Поетичній красі вітряку віддали майже всі письменники-класики. Можна написати спеціальну працю – «Вітряки і млини в мистецтві». Образ мельника в художній літературі – найпоширеніший, поряд іншими, діяльність яка була мала соціальну ознаку, надання послуг. І невипадково, що вони подавалися в позитивному ключі, іноді з гумористичним забарвленням, що взагалі притаманно українському менталітету («Кум Мірошник, або сатана в бочці»). Мельники, як і ковалі, завжди кремезні, фізично сильні, щирі, широкі натури, бо по суті вони не могли бути інакшими, бо люди відвернулися б від таких похмурих людей.

Прізвище від професії – широко укорінилося і стало найрозповсюдженим, як Коваль, Колісник, Гончар, Коцарь, Тертишник. Нагадаємо це – Мельник, Мельниченко, Мірошниченко та ін.

За свою надзвичайну мальовничість, здатність органічно вписуватися у пейзаж і доповнювати його привабливими рисами, вітряки посіли значне місце в живописі. Це знову таки Тарас Шевченко в творах «Катерина», «Казка». Його сучасник, ілюстратор першого видання «Кобзаря» В. Штреберг, влітку 1936 р., відвідавши Київщину та Чернігівщину, від своїх вражень українських краєвидів з вітряками, створив картину «Вітряк в степу». Захоплювалися вітряками власне всі художники кінця XIX поч. XX ст.: Айвазовський, Куіднжі, Ян Станіславський, С. Світославський, Левченко, І. Шульга та ін.

Серед великої кількості художніх зображень вітряків, можна назвати альбом акварельних малюнків художника Деляфріза / XX ст./ по яким можна зробити цільне уявлення про зовнішній вигляд вітряків і цей альбом можна розглядяти як документальний етнографічний матеріал, який має наукове значення.

Саме в цей період набуває великого розвитку видавництво поштових листівок, які високої якості відображували різноманітні сторінки тогочасного життя. На численних листівках зображувалася і Україна – села, вітряки, ярмарки, типи – все своєрідне, мальовниче, неповторне і зникле.

Вітроенергетичний потенціал України

Рух повітряних мас у атмосфері – вітер – виникає під дією різниці тиску повітря в різних точках атмосфери. Різниця тиску в основному виникає через різницю температур повітряних мас. Однією з причин виникнення вітру є також обертання Землі навколо своєї осі. Глобальна циркуляція повітря в атмосфері показана на рис. 1.

В області екватора повітря нагрівається і піднімається вгору. Верхні шари атмосфери рухають у напрямку полюсів, де охолоджуються і опускаються до поверхні. Холодні шари повітря переміщуються над поверхнею Землі у напрямку екватора. Енергетичний потенціал енергії вітру становить 16.8·10¹⁵ кВт·год (біля 1 % від енергії Сонця).

Рис. 2. Потенціал енергії вітру на території України

Циркуляція повітря в атмосфері змінюються за різними законами, тому енергія вітру в кожній точціповерхні змінюється в широких межах. Потенціал енергії вітру за регіонами України на висоті h₁ = 10 м від поверхні показано на рис. 2. зі збільшенням висоти швидкість вітру збільшується за таким законом:

, (1)

де υ₁ –значення швидкості вітру на висота h₁,

h – висота, на якій необхідно визначити швидкість вітру,

n – коефіцієнт, який враховує особливості місцевості (для рівнинної поверхні n = 1/7).

Відомо, що кінетична енергія Е повітряного потоку визначається формулою:

, (2)

де m – маса повітря.

Виразимо масу повітря m через об’єм V і густину ρ = 1.23 кг/м³:

, (3)

Обсяг енергії повітряного потоку, який проходить через переріз площею S за час t визначається з виразу (3) при заміні V = S·υ·t:

, (4)

Зважаючи на (4), питома потужність повітряного Р_П потоку на 1 м² за 1 с рівна:

, (5)

При швидкості вітру υ = 3 м/с питома потужність повітряного потоку складає Р_П = 17Вт/м², υ =5 м/с – Р_П = 77 Вт/м², υ =10 м/с – Р_П = 615 Вт/м².

Таблиця 5

Швидкість вітру містами України  (http://www.invertors.ru/skorost_vetra.htm)

Середньорічна швидкість вітру в приземному шарі на території України досить низька – 4,3 м/с. Багато вітрогенераторів починають виробляти промисловий струм починаючи з швидкості вітру 5 м/с. Якщо враховувати, що вони можуть використовувати енергію вітру до висоти 50 м (на деякій висоті від поверхні швидкість вітру зростає), то енергетичний потенціал на території України складає гігантську величину – 330 млрд. кВт і перевищує встановлену потужність електростанцій України в 6 тисяч разів. Зрозуміло, ніхто не допускає думки про спроможність його цілковитого використання, та все одно ця величина вражає. Хоча, слід зазначити, що це орієнтовні розрахункові дані, оскільки прямі вимірювання швидкості вітру на висотах вище за щоглу флюгера поодинокі.

Принцип роботи і типи вітрогенераторів

Вітрогенератор – це один з видів електрогенеруючих установок, який використовує кінетичну енергію руху повітряних мас в нашій атмосфері і перетворює її в електрику.

На сьогоднішній день широко поширені як промислові, так і побутові вітрогенератори. Розрізняються вони між собою лише розмірами конструкції, і як наслідок – потужністю вироблюваної електроенергії. Промислові електрогенеруючі установки, потужність яких не рідко доходить до 6 – 8 МВт, об’єднуються, як правило, в цілі мережі, що утворюють вітряні електростанції. Не рідко вітрогенератори використовуються спільно з сонячними батареями.

Типи вітрогенераторів

Хоча потужність вітрогенератора безпосередньо залежить від швидкості потоку повітряних мас (вітру), все ж енергетична ефективність даних установок сильно різниться в залежності від їх конструктивних особливостей.

Вертикальний вітрогенератор

Розрізняють два основних види вітрогенераторів: з горизонтальною віссю (традиційної лопатевої конструкції) і з вертикальною віссю (карусельні і лопатеві). Вважається, що традиційні горизонтальні мають велику ефективність (близько 30%) у порівнянні з 20% у вертикальних. Але вертикальні, при цьому, можуть встановлюватися навіть на землі, в той час як горизонтальним потрібна досить висока щогла.

Конструкція вітрогенератора

Будь вітрогенератор складається з механічної частини (системи лопатей з редуктором або ротора) і електричної (електрогенератора, інвертора і контролера заряду акумулятора).

Система лопатей або ротор приводиться в обертання вітром. Потім обертальний рух через редуктор передається осі електрогенератора, який в свою чергу виробляє електричний струм. Інвертор служить для перетворення низьковольтної напруги з виходу електрогенератора (12 або 24 В) в напругу мережі (220 або 380 В). Контролер заряду забезпечує постійну підзарядку що входить до складу електрогенеруючої установки акумулятора. Останній служить для живлення систем управління при відсутності вітру, а також для безперебійної подачі електрики в енергетичну мережу.

Крім цього в вітрогенератор може входити система контролю напрямку і швидкості вітру, поворотний механізм (може змінювати не тільки напрямок турбіни, а й кут відносно напрямку руху повітряних мас), гальмівна система (використовується при сильних поривах вітру).

5 незвичайних конструкцій вітрогенераторів

Генератор являє собою надувну конструкцію, схожу на накачаний гелієм дирижабль, в який встановлена трилопатева турбіна на горизонтальній осі. Такий вітряний генератор був запущений в 2014 році на Алясці на висоту близько 300 метрів для випробувань протягом 18 місяців. Розробники запевняють, що дана технологія дозволить одержувати електроенергію вартістю 18 центів за кіловат-годину, що в два рази дешевше звичайної вартості вітряної електроенергії на Алясці. У майбутньому такі генератори цілком зможуть замінити дизельні електростанції, а також знайти застосування на проблемних територіях.

Ще одне цікаве рішення щодо створення незвичайної конструкції вітряної електростанції реалізується в Об’єднаних Арабських Еміратах. Недалеко від Абу-Дабі будується місто Мадсар, в якому планують звести досить незвичайну вітряну електростанцію, названу розробниками «Windstalk». Засновник нью-йоркської дизайнерської компанії Atelier DNA, розробляє дизайн даного проекту, сказав, що головною ідеєю було знайти в природі кінетичну модель, яка могла б служити для генерації електроенергії, і така модель була знайдена. 1203 стебла з вуглецевого волокна, кожен близько 55 метрів заввишки, з бетонними підставами шириною 20 метрів, будуть встановлені на відстані 10 метрів між собою.

Стебла будуть армовані гумою, і мати ширину близько 30 см біля основи, а догори звужуються до 5 сантиметрів. Кожен такий стебло буде містити чергуються шари електродів і керамічних дисків, виготовлених з п’єзоелектричного матеріалу, який генерує електричний струм, коли піддається тиску. Коли стебла будуть гойдатися на вітру, диски будуть стискатися, генеруючи електричний струм.

Проект, розроблений фірмою Saphon Energy з Тунісу, також як і Windstalk, являє собою безлопатевої вітряний генератор, але на цей раз пристрій має конструкцію вітрильного типу. Цей безшумний генератор, за формою нагадує супутникову тарілку, отримав назву Saphonian. Він не має частин що обертаються і абсолютно безпечний для птахів. Екран генератора робить під дією вітру руху вперед-назад, створюючи коливання в гідравлічній системі.

Ще один досить революційний підхід до використання вітряної енергії був реалізований ще у 2008 році винахідником – ентузіастом з Каліфорнії. Великі вітряні генератори для малих міст мають розміри з 30-поверховий будинок, а їх лопаті досягають розмірів крил Боїнга 747.

Компанія Archimedes, офіс якої розташований у Роттердамі, Нідерланди, придумала свою концепцію незвичайних вітряних турбін, які можна встановлювати прямо на дахах житлових будинків. За задумом авторів проекту, ефективна малошумна конструкція може цілком забезпечити невеликий будинок електроенергією, а комплекс таких генераторів, що працює в сукупності зі стандартними сонячними панелями, здатний і зовсім звести до нуля залежність великої будівлі від зовнішніх джерел електроенергії. Нові вітрові турбіни отримали назву Liam F1. Невелика турбіна, діаметром 1,5 метра, вагою близько 100 кілограмів, може бути встановлена на будь-якій стіні або даху житлового будинку. Зазвичай, висота терасових дахів – 10 метрів, а вітер в країні майже завжди Південно-Західний. Цих умов достатньо, щоб правильно розмістити турбіну на даху, і ефективно використовувати енергію вітру.

Застосування вітрогенератора як джерела освітлення для теплиць та оранжерей

Електрична енергія, яку виробить вітряк, допоможе у разі тимчасових збоїв у мережі, а також для повної енергетичної незалежності оселі. Особливо у місцинах з недосяжністю централізованих мереж електропостачання. Справа лише за визначенням необхідної потужності та кількістю акумуляторних батарей для генерації невикористаних задля використання у тиху без вітру погоду. Доцільним буде використання вітрогенераторів для освітлення теплиць та парників

Навіщо рослинам світло

З курсу біології відомо, що рослини споживають вуглеводні, велику частку яких виробляють самостійно шляхом фотосинтезу. Щоб процес фотосинтезу запустився, необхідна світлова енергія, яку рослина отримує з допомогою пігменту хлорофілу. Для фотосинтезу велику роль відіграють кількість одержуваного світла, температура повітря і землі, наявність вуглекислого газу і води. Важливо не тільки кількість світла, але і його якість – спектр випромінювання, а також поєднання періодів освітлення і затемнення (фотоперіодизм).

Рослини довгого дня позитивно сприймають подовження періоду освітленості, вони починають краще рости, зацвітають. В цих цілях використовують спеціальні лампи для освітлення рослин. Але існують і рослини короткого дня, для яких підвищення освітленості може мати негативні наслідки для цвітіння. Проміжне положення займають рослини, цвітіння які майже не залежить від зміни режимів освітлення, але світло і для них визначає, як швидко розвивається рослина, росте стебло і т.д. Ці особливості рослин необхідно враховувати і після підбору ламп треба ще скласти оптимальний розклад їх роботи і відключення в теплиці.

Оптимальними освітлювальними приладами для приміщення, що має досить велику площу, будуть світлодіодні світильники. Вони не тільки здатні створити майже денну інтенсивність світла, але і допоможуть заощадити велику суму, так як мають мінімальне споживання енергії. Цей вид приладів довговічний, безпечний в експлуатації і має цілком прийнятну вартість, яка швидко окупається.

Такі світильники виробляються в різному виконанні, але для того щоб домогтися максимального результату освітлення, їх рекомендовано закріплювати в найвищій точці стелі теплиці. У цьому випадку, кожен з приладів буде охоплювати світлом максимально можливу площу.

Використовують для освітлення і звичайні світильники, які обов’язково треба закрити плафонами. Їх зазвичай монтують на ділянках стиків стін і даху.

Для того щоб рослини висвітлювалися необхідну кількість годин на добу, тобто для імітації світлового дня, часто користуються автоматичною системою регулювання світла з вбудованим таймером.

Розрахунок кількості і потужності світильників потрібно робити з урахуванням таких параметрів:

1. Освітлюваної площі.
2. Висоти, на якій будуть підвішені світильники.
3. Коефіцієнта запасу.
4. Необхідної для даної культури освітленості.
5. Типу використовуваних світильників.

Необхідні розрахунки для потужності світильників можна зробити, використавши сайт Гидропоника на практике https://www.gidroponika.su/gidroponika-teorija.html/osvewenie/164-raschet-osvescheniya-dlya-rastenij.html#ras

Орієнтовний розмір теплиці: довжина – 6 метрів, ширина – 4 метри.

Загальна потужність ламп становить 16*250 Вт=4 кВт.

Вітрогенератори своїми руками

5 кВт необхідної електроенергії можна отримати декількома способами:

• побудувати найпростішу роторну конструкцію;
• зібрати комплекс з декількох послідовно розташованих на одній осі вітрильних коліс;
• використовувати аксільную конструкцію з неодимовими магнітами.

За основу можна взяти автомобільну маточину і гальмівні диски. 32 магніту (25 на 8 мм) розташовують паралельно по колу на майбутніх дисках ротора (рухомої частини генератора) на кожен диск по 16 штук, притому плюси обов’язково чергують з мінусами. У протилежних магнітів повинні бути різні значення полюсів. Після розмітки і розміщення все що знаходиться на колі заливають епоксидкою.

Котушки мідного дроту розташовують на статорі. Їх кількість повинна бути менше, ніж число магнітів, тобто 12. Попередньо всі дроти виводять і з’єднують між собою зіркою або трикутником, потім теж заливають епоксидним клеєм. Рекомендується перед заливкою вставити всередину котушок шматочки пластиліну. Після затвердіння смоли і їх вилучення залишаться отвори, які потрібні для вентиляції та охолодження статора.

Як все це працює

Диски ротора, обертаючись відносно статора, утворюють магнітне поле, і в котушках виникає електрострум. А вітряк, приєднаний за допомогою системи шківів, і потрібен для того, щоб рухати ці частини робочої конструкції. Як зробити вітрогенератор своїми руками? Деякі починають виготовлення власної електростанції зі збірки генератора. Інші – зі створення лопатевої обертової частини.

Вал від вітряка зчіплюють ковзаючим з’єднанням з одним з дисків ротора. На сильний підшипник ставиться нижній, другий диск з магнітами. Статор розташовують посередині. Всі частини кріпляться до фанерного колу за допомогою довгих болтів і фіксуються гайками. Між усіма «млинцями» обов’язково залишають мінімальні зазори для вільного обертання дисків ротора. У підсумку виходить 3-фазний генератор.

“Бочка”

Залишилося виготовити вітряки. Своїми руками 5 кВт-ну обертову конструкцію можна зробити з 3 кіл фанери і листа тонкого і легкого дюралю. Металеві прямокутні крила кріпляться до фанери болтами і куточками. Попередньо в кожній площині кола видовбуються напрямні канавки у формі хвилі, в які вставляються листи. Одержаний двоповерховий ротор має 4 хвилястих лопаті, прикріплені одна до одної під прямим кутом. Тобто між кожними двома скріпленими маточинами фанерними млинцями розташовані по 2 вигнутих у формі хвилі дюралевих лопаті.

Дана конструкція насаджена по центру на сталеву шпильку, яка і буде передавати крутний момент генератору. Вітряки, своїми руками (5 кВт) створені, такої конструкції важать приблизно 16-18 кг при висоті 160-170 см і діаметрі основи 80-90 см.

Що потрібно врахувати

Ветряк- «бочку» можна встановити навіть на даху будівлі, хоча цілком достатньо вишки висотою 3-4 метри. Однак обов’язково потрібно захистити від природних опадів корпус генератора. Рекомендується також встановити акумуляторний накопичувач енергії.

Для отримання з постійного 3-фазного струму змінного обов’язково в схему потрібно включити і перетворювач.

Модель вітрогенератора на базі двигуна від принтера

В домашніх умовах створити модель  вітрогенератора досить легко.

Від кулера блока живлення комп’ютера буде потрібна тільки крильчатка, щодо самого генератора застосуємо моторчик від принтера або будь-якої іншої побутової техніки. У результаті це буде виглядати так.

Потужності такого генератора вистачить, щоб живити світлодіоди, радіоприймач. Бажано використовувати кроковий двигун. Він дуже часто зустрічається в комп’ютерній та побутовій техніці, в різних програвачах, флоппі-дисководах (цікаві старі моделі 5.25″), принтерах (особливо матричних), сканерах і т. д. Дані двигуни без переробок можуть працювати в ролі генератора, вони являють собою ротор з постійними магнітами, і статор з обмотками. Потужність крокового двигуна 16 Вт. Також використовую світлодіоди  на 2,5 В.

Схема підключення:

Переваги вітроенергетики

Перш ніж зробити подібний генератор, потрібно зважити всі плюси і мінуси. Переваг у даних пристроїв більше, ніж недоліків.

Основною перевагою є їх безпека з точки зору екології. Це можливо завдяки тому, що використання енергії вітру не веде до утворення побічних продуктів і вихлопних газів. Дані речовини зазвичай утворюються при спалюванні палива і викидаються в атмосферу, завдаючи непоправної шкоди здоров’ю людей і тварин, що проживають в прилеглих районах.

Ще одним аргументом на користь цих пристроїв є те, що вам не доведеться платити за паливо. Тобто, всі витрати пов’язані тільки з матеріалами для виготовлення генератора. Але вони незабаром окупаляються, адже вам більше не потрібно платити за споживану з мережі електроенергію.

Недоліки вітроенергетики

З ТОЧКИ ЗОРУ ЕКОНОМІКИ

Вітер дме майже завжди нерівномірно. Виходить, і, генератор працює досить нерівномірно, віддаючи то більшу, то меншу потужність, струм виробляється дуже змінною частотою, а часом і зовсім припиниться. Для вирівнювання струму застосовують акумулятори, але і дорого, і мало ефективно.

Здавалося б, якщо вітер дме безкоштовно, виходить, і електроенергія повинна бути дешевою. Але це далеко не так. Річ в тім, що будівництво великого числа вітроагрегатів вимагає значних капітальних витрат, які входять складовою частиною в ціну виробленої енергії. При порівнянні різних джерел, зручно зіставляти питомі капіталовкладення, тобто витрати для виробництва 1 кВт виробленої потужності. Якщо ж врахувати, що вітер не завжди дме з потрібною швидкістю, і середня потужність виявляється в 3-4 рази менше максимальною, то реальні капзатрати складуть в 20 разів вище, ніж для АЕС.

З ТОЧКИ ЗОРУ ЕКОЛОГІЇ

Недолік 1: системи вітроелектростанцій займають дуже великі площі.

Для розміщення сотень, тисяч і тим більше мільйонів вітряків потрібні були б дуже великі території в сотні тисяч гектарів. Річ в тім, що вітроагрегати близько один до одного поміщати не можна, тому що вони перешкоджатимуть роботі один одному. Мінімальний проміжок між вітряками доводиться залишати не менше їх потрійної висоти. Ось, і вважайте самі, яке місце доведеться відвести для ВЕС потужністю 4 млн. кВт.

Недолік 2: згубна дія інфразвукового випромінювання на навколишнє середовище.

При цьому треба мати на увазі, що вже нічого іншого на цьому майдані виробляти не можна. Працюючі вітродвигуни створюють тонкий шум, і, що гірше, – генерують нечутні вухом інфразвукові коливання  з частотами нижче 16 Гц. Крім цього, вітряки розполохують птахів і звірів, порушуючи їх природний спосіб життя, а велике їх скупчення для одному майданчику – може істотно спотворити природний процес повітряних потоків з непередбаченими наслідками. Не дивно, що в багатьох країнах, в тому числі й в Ірландії, Англії і інших, жителі виражали протести напроти розміщення ВЕС близько населених пунктів і сільськогосподарських угідь, а в умовах густонаселеної Європи це означає – скрізь. Тому було висунуто ідею про розміщення систем вітряків у відкритому морі. Так, в Швеції розроблений проект, відповідно до якого передбачається в Балтійському морі встановити таку систему з 300 вітряків. На їх баштах заввишки 90 м будуть розташовані двохлопасні пропелери з розмахом лопатей 80 м. Вартість будівництва лише першої сотні таких гігантів складає більше 1 млрд. дол.., а вся система, для будівництва якої піде мінімум 20 років, забезпечить лише 2% споживаної Швецією електроенергії в даний час. Але це — поки лише проект. А тим часом в тій же Швеції почато будівництво однієї ВЕС потужністю 200 кВт на відстані 250 м від берега, який буде передавати енергію на землю по підводному кабелю. Аналогічні проекти були і у СРСР: пропонували встановлювати вітряки і для акваторії Фінської затоки, і для Арабатської стрілки в Криму. Крім складності і дорожнечі подібних проектів, їх дія створить серйозні перешкоди судноплавству, рибальству, а також спричинить ті ж шкідливі екологічні впливи, про які говорилося раніше. Тому і ці очікування викликають рух протесту. Наприклад, шведські рибалки зажадали перегляду проекту, тому що, згідно їх думці, підводний кабель, як і сама станція погано впливатимуть для риб, зокрема – для вугрів, які мігрують в тих місцях уздовж берега.

Великі вітродвигуни обертаються з швидкістю близько 30 оборотів у секунду. Це близько до частоти синхронізації телебачення. Тому великі вітродвигуни можуть заважати прийому передач на відстані до 1,6 км. При використанні лопатей із скловолокна, які виявилися дешевшими за металеві, відстань перешкод зменшується приблизно удвічі. Та справа йде лише про великі вітродвигуни, і можна чекати, що це не буде проблемою для менших двигунів.

Лопаті вітродвигунів можуть убити птахів, але важко передбачити, в яких масштабах це відбуватиметься.

Висновок

Вивчивши історичні дані, проаналізувавши вітроенергетичний потенціал України, врахувавши всі недоліки вітроустановок, я прийшов до висновку: в недалекому майбутньому частка вітроенергетики в енергетичному сегменті України буде тільки зростати. У світлі останніх подій, пов’язаних з нестабільністю поставки палива для теплових електростанцій, аварійністю і відходами атомних електростанцій, вітроенергетика є альтернативним джерелом енергії. Її можна виробляти  як для побутових потреб, так і в промислових масштабах.

Протестувавши модель вітрогенератора, я планую, разом з однолітками і батьками, зробити вітрогенератор для освітлення шкільної теплиці. Як основу буду використовувати підручний матеріал, вторинне використання деталей, щоб знизити витрати. Тоді електроенергію можна буде вважати такою, «що робиться з вітру, безкоштовно».

Список використаної літератури.

1. http://www.invertors.ru/skorost_vetra.htm
2. https://www.gidroponika.su/gidroponika-teorija.html/osvewenie/164-raschet-osvescheniya-dlya-rastenij.html#ras
3. Арх. Филарет. Историко-статистическое описание Харьковской епархии, IV – с. 245-251 //Сумцов Н.Ф. Слобожане…
4. Атлас енергетичного потенціалу нетради- ційних та відновлюваних джерел енергії в Україні. — К., 2005. — 36 с.
5. Горленко В.Ф., Бойко І.Д., Куницький О.С. Народна землеробська техніка українців, К., 1971, с. 104-105
6. Грушевський М. Історія України – Руси. – К., 1995.
7. Гудченко 3. Музеї народної архітектури України. – К., 1981.
8. Зоре моя вечірняя. – К., 1982.
9. Зуев В. Путешественные записки от С.-Петербурга до Херсона, СПб, 1788 //Таранушенко С.А. Вітряки… с. 80

• Зффективность использования ветрознергетики на территории Украині: Достижения и перспективи // Енергетика та електрифікація.- 2007 . – № 7 .
• Іванчо М. Нам не треба Дон-Кіхота: вітряки повертаються // Україна молода. – 2 0 0 1 . – 1 0 листопада.
• Кудря С. О. Структурні тенденції в енергетиці Європи і розвиток відновлюваної енергетики в Україні / С. О. Кудря, Б. Г. Турчинський // Відновлювана енергетика. — 2005. — № 1. — С. 36 — 40.
• Офіційний сайт Світової асоціації вітрової енергетики [Електронний ресурс]   – Режим доступу: http://www.wwindea.org
• Офіційний сайт статистики України [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://www.ukrstat.gov.ua/
• Про альтернативні джерела енергії: Закон України від 25 вересня 2008 року N 601-VI // [Електронний ресурс] – режим доступу:http://search.ligazakon.ua/l_doc2.nsf/link1/T030555.html
• Сумцов Н.Ф. Слобожане, Харьков, 1918, с. 126
• Таранушенко С.А. Вітряки // народна творчість та етнографія, 1958, ч. 1, с.99
• Тарас Шевченко. Зібрання творів: У 6 т. — К., 2003. — Т. 1: Поезія 1837-1847. — С. 329-342; С. 730-733.
• Шафонский А. Черниговское наместничество. Топографическое описание, сочиненное в Чернигове, 1786, К., 1851 // ibidem, c. 81
• Юхно І. О. Млинарство Слобожанщини: (Розвідка про водяні та вітряні млини – дива народної техніки наших пращурів). – X.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2009. – 40 с.