Фізика – фундаментальна наука сучасного природознавства, яка має визначальний вплив на зміст науково-технічної революції. Практичне значення фізичних явищ і законів в наш час загострення екологічних проблем означає також необхідність цивілізованого ставлення людини до природи та екологічної виваженості у використанні фізичного знання в суспільному розвитку людства. Досягнення фізики дозволяють вирішувати завдання охорони навколишнього середовища, створювати «дружні» технології, які стають частиною нашого повсякденного життя.

Вітроенергетична установка, або вітроустановка – сучасний екологічний метод отримання енергії. Ефективні двигуни і нові легкі матеріали для турбін зменшили витрати на 90 % у порівнянні з 1981 роком, а вартість енергії, яку отримують на вітрових електростанціях, стала конкурентоздатною до теплових електростанцій. Світовий ринок вітрових електростанцій у 2000 році склав близько 2,4 млрд. доларів, в цій галузі створено десятки тисяч робочих місць.

За кордоном вітрова енергетика стала одним з напрямків використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, які найбільш динамічно розвиваються в Данії, Англії, США, Австралії, Новій Зеландії, Франції, Німеччині. Там експлуатується понад 1 млн. вітроустановок одиничною потужністю 5-200 кВт.

Вітер – це рух повітряних мас земної атмосфери, який виникає через її нерівномірний нагрів Сонцем. Енергія вітру в механічних установках, наприклад на млинах і у водяних насосах, використовується вже декілька сторіч. Після різкого стрибка цін на нафту в 1973 році спостерігається зростання інтересу до таких установок. Більша частина існуючих вітроустановок побудована наприкінці саме 1970-х-початку 1980-х років.

Основні напрями використання вітроенергетичних ресурсів на найближчий період передбачають їх застосування для приводу насосних установок і як джерела енергії для електродвигунів автономного забезпечення. Ці області застосування характеризуються мінімальними вимогами до якості електричної енергії, що дозволяє значно спростити і здешевити вітроенергетичні установки.

При правильній організації використання вітроенергетики вона може задовольнити велику частину потреб у будь-якій галузі промисловості. Установки, які перетворюють енергію вітру в електричну, теплову і механічну, можуть забезпечити: автономне енергопостачання різних локальних об'єктів (зрошувальні системи, механізми тваринницьких ферм, вентиляцію, пристрої мікроклімату); гаряче водопостачання, опалювання, енергозабезпечення холодильних агрегатів; підйом води для садових ділянок, на пасовищах; відкачування води з систем вертикального і горизонтального дренажу та ін.

У порівнянні з іншими видами джерел енергії вітроенергетичні установки мають наступні переваги: відсутність витрат на видобування і транспортування палива; зниження більш ніж у 10 разів витрат праці на спорудження вітроенергетичної установки в порівнянні з будівництвом теплових або атомних станцій; широкий технологічний діапазон прямого використання енергії вітроустановок (автономність або спільна робота з централізованими мережами, сумісність з іншими джерелами поновлюваної енергетики); мінімальні терміни введення потужностей в експлуатацію; поліпшення екологічної обстановки за рахунок зниження рівня забруднення навколишнього середовища. Ефективність вітрової енергії залежить від швидкості вітру. Енергію вітру використовують в зонах пасатів та західних вітрів. Більше ніж 80% підприємств галузі дислоковані в районах, які багаті на вітроенергетичні ресурси, де середньорічна швидкість вітру досягає 5-10 м/с протягом 270-320 діб/рік.

У січні, наприклад, максимум часу можливого використання енергії вітру в Україні (табл. 1) спостерігається в приморській зоні, південному Степу, в Донбасі, гірських районах Криму та Карпат. Найменша вітрова ефективність припадає на середню течію Дніпра та північно-західну частину України. У співвідношенні до середніх швидкостей вітру розподіляється і кількість енергії, яку можна отримати за допомогою вітродвигунів. Так, в районі Донбасу і Причорноморської низини запаси вітрової енергії дорівнюють 2000-2500 кВт•год на 1 м² площі, яка обдувається вітровим колесом, в Поліссі та на Волино-Подільському плато – 1000-1200 кВт•год.

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетворюється в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом вітроенергетичної установки, яка безпосередньо сприймає енергію вітру і перетворює її в кінетичну енергію обертання, є вітрове колесо.

Обертання вітроколеса під дією вітру пояснюється тим, що на будь-яке тіло, яке обтікає потік газу зі швидкістю v діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: Fо – силу лобового опору, Fп – підйомну силу (рис.1).

Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу і від швидкості газу. Під дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітрове колесо) приводиться в обертання.

Вітроустановки класифікують за двома основними ознаками – геометрії вітроколеса та його положенні відносно напряму вітру. Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна до повітряного потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою. Вітроколесо з горизонтальною віссю, яке використовує підйомну силу (вітроколесо з двома або трьома лопатями), зображено на рис. 2, а-д. 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 не потребують налаштування за напрямком вітру.

На рис. 2, ґ, зображено вітрове колесо, яке використовує ефект Магнуса – ефект виникнення підйомної сили при обертанні циліндра або конуса у потоці газу.

Використовуються також однолопатеві вітрогенератори (рис. 2, д), які мають одну лопать і противагу, яка виконує роль механізму балансування. Перевагою однолопатевих роторів, в порівнянні з багатолопатевими, є більш висока швидкість обертання за рахунок зменшення моменту інерції. Це дозволяє використовувати прямоприводні синхронні електрогенератори, які розраховані на більш високі швидкості обертання і внаслідок цього мають менші розміри та вагу. Ротор цієї конструкції має більш низьку вартість за рахунок зменшення кількості лопатей.

Багатолопатеві вітроколеса мають велику кількість лопатей (до 50). Ротор цих вітрогенераторів має великий момент інерції, тому має невисоку швидкість обертання, але розвиває більш високий крутний момент. Багатолопатеві вітроколеса використовуються у насосних системах.

Вітроколесо має такі характеристики: • площа перетину, яка охоплюється вітровим колесом (для горизонтально-осьових коліс) S=πD²/4>

, де D – діаметр вітроколеса, або площа лобового опору (для вертикально-осьових вітроколіс) S = h∙b, де h і b – відповідно висота ротора і його середній діаметр;

• геометричне заповнення – відношення площі проекції лопатей на площину, яка перпендикулярна до потоку, до площи перетину, що охоплюється вітровим колесом; наприклад, при однакових лопатях чотирилопатеве колесо має удвічі більше геометричне заповнення, ніж дволопатеве;

• коефіцієнт потужності Ср – характеризує ефективність використання вітроколесом енергії потоку повітря; залежить від конструкції вітроколеса;

• коефіцієнт швидкохідності Z – це відношення швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

При швидкості вітру vо і густині повітря ρ вітроколесо з площею перетину, яка охоплюється вітровим колесом S розвиває потужність: N = C_NSρv₀³/2

З формули видно, що потужність пропорційна кубу швидкості вітру. За теорією Жуковського, максимальне значення коефіцієнта потужності 0,6-0,69. На практиці найкращі швидкохідні колеса мають C_N = 0,45-0,48; для тихохідних коліс C_N = 0,35-0,38.

Виготовлення «вітряка» власними руками – завдання цілком реальне. Причому конструктивний і раціональний підхід до справи допоможе звести до мінімуму неминучі фінансові витрати. У першу чергу варто розробити проект, провести необхідні розрахунки балансування і потужності.

Винахідник з с. Бистрик Кролевецького району Сумської області Микола Олександрович Роде власноруч побудував вітроелектростанцію (рис. 3).

З дозволу майстра ми ознайомилися з конструкцією, принципом роботи і обладнанням вітроелектростанції.

Дана вітрова установка представляє собою вишку з трьома лопатями довжиною 3,5 м. Висота вітрової установки від землі до точки обертання лопатей – 14 м. На вишці встановлено оглядовий майданчик і флюгер з герконовими датчиками. Основою вишки є квадрат зі стороною 3 метри. Металева конструкція вишки стоїть на фундаменті із залізобетонних стовпів, які закопані в землю на глибину 1,65 м. Маса однієї лопаті становить 18 кг, вони всі виважені до різниці в межах 5–10 грамів, це було зроблено для того, щоб звести биття до мінімуму. Кут лопаті відносно площини обертання в основі складає 24 градуси, а на кінці приблизно 3 градуси (кут заклинювання). Вітряк швидкохідний. Регулювання обертів здійснюється за допомогою тягарців масою 7 кг кожен, які знаходяться в центрі кола обертання лопатей.

Регулювання обертів здійснюється за рахунок відцентрової силі, яка діє на три тягарці, що за допомогою важелів розтягують або стискають пружину, яка повертає лопаті паралельно в площині обертання в залежності від сили вітру.

Рис. 4. Будова вітроелектростанції: 1) щит керування; 2) вольтметр, амперметр; 3) інвертор (перетворювач); 4) щит контролю зарядки; 5) анемометр; 6) двигун повороту; 7) флюгер; 8) акумуляторні батареї; 9) фундамент; 10) оглядовий майданчик; 11) тягарці

Орієнтація на вітер здійснюється в трьох основних режимах:

1) автоматичному – флюгер (рис.5, 7), який встановлено на оглядовому майданчику, має закріплені на собі два герконові датчики з обох боків. Коли вітер повертає флюгер, то магніт, який закріплений на хвості флюгера, замикає контакти датчика і в апаратній частині спрацьовує відповідне реле. Через діоди сигнал йде на реле часу, яке створює певну затримку і забезпечує захист від коротких поривів вітру. Якщо встановлюється стабільний напрямок вітру, то електричний сигнал йде до двигуна повороту вітряного колеса (рис.5, 6), який коригує напрямок повороту лопатей вітряка.

2) ручному – регулювання повороту вітряка здійснюється за допомогою відповідних кнопок на пульті керування, який знаходиться в апаратній частині – маленькому будиночку біля основи вітрової установки.

3) дистанційному – керування поворотом вітряка здійснюється за допомогою дистанційного пульту, до якого вмонтований радіопередавач, а в апаратній частині на пульті керування (рис.5, 1) встановлено радіоприймач. Запчастини майстер використав з радіокерованих моделей. Вітрова установка обладнана захистом від урагану. На верхівці вітряка встановлено анемометр з пластиною, яка відхиляється на певний кут в залежності від сили вітру. На пластині встановлений магніт, а на корпусі анемометра – герконовий датчик. Під час коротких, але досить сильних поривах вітру сигнал з датчика йде на реле часу, яке забезпечує відповідну затримку. Якщо сильний порив вітру має більш стійкий характер, то, після певної затримки реле часу, сигнал йде до двигуна повороту. Реле, яке подає сигнал на двигун, має необхідну затримку, щоб двигун повернув площину обертання лопатей вітрової установки паралельно до напрямку вітру, чим зупиняє роботу вітроколеса. Також для безпеки можна загальмувати лопаті після їх повороту барабанними гальмами, які встановлені на самих лопатях і приводяться в дію за допомогою лебідки, що знаходиться внизу вишки.

Майстер пояснив роботу основних частин установки: редуктора, генератора, перетворювача і акумуляторів.

Редуктор (мультиплікатор) має передаточне відношення 9,25. На електростанції встановлено асинхронний надтихохідний трифазний генератор з частотою 680 об/хв. Струм від генератора йде на трифазний трансформатор, на виході якого отримуємо напругу близько 36 вольт. Через діоди струм йде на дві акумуляторні батареї (АКБ).

Для перетворення напруги АКБ з 30 В до 220 В використовуються два перетворювачі. На вітроустановці М. О. Роде використовує кадмієво-нікелеві акумулятори з лужним активним середовищем. Застосовується дві АКБ: більша має ємність 300 А/г і складається з банок напругою 1,25 В кожна; менша батарея має ємність 125 А/г і складається з аналогічних банок.

У процесі курсового проектування з фізики ми також виготовили невеликий вітрогенератор напругою 5 В на основі двигуна принтера (рис. 5).

Рис. 5. Схема саморобного вітрогенератора

1. Фатеев Е. М. Как сделать самому ветроэлектрический агрегат / Е. М Фатеев. – М. : Госэнергоиздат, 1949. – 63 с.