X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Плавающий генератор для оленеводов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Проблемы тундрового населения
Для тундрового населения на удаленных территориях необходима электроэнергия для подзарядки средств связи, освещения, некоторых бытовых и медицинских нужд. Особенно трудно оставаться без средств связи, от которых зависит жизнь и здоровье взрослых и детей.
По рассказам знакомым нам оленеводам, особенно трудно бывает в дождливое лето, когда от излишней влажности «садятся» все заготовленные за ранее батарейки и пропадает связь со внешним миром. Случается, так, что гибнут, оставшиеся без медицинской помощи люди.
Имеющиеся бензиновые генераторы становятся летом бесполезными из-за отсутствия топлива на очень удаленных территориях. Необходимо иметь маломощные гидрогенерирующие устройства способные подзарядить различные аккумуляторные батареи.
Эта идея легла в основу технического проекта, цель которого становиться обеспечение кочующего населения малогабаритными, транспортабельными электрогенерирующими устройствами, работающими на от возобновляемых источников энергии.
Строить крупные энергостанции на малонаселенных территориях не имеет смысла. Нет потребителей. Имеющиеся у коренного населения бензиновые генераторы становятся летом бесполезными из-за отсутствия топлива на очень удаленных территориях. Тундровики кочуют на дальние пастбища летом, которое часто бывает жарким и безветренным. Переносные ветростанции могут оказаться бесполезными. Солнечные батареи летом работают хорошо. Но с уменьшением полярного дня и с наступлением заморозков (возможно в августе) их эффективность падает. Есть и другие неудобства эксплуатации солнечных батарей. Остается малая гидроэнергетика. Ручьи у нас текут в любом месте даже в самое жаркое и засушливое лето. Пополнею воды способствует таяние вечной мерзлоты. Поэтому, мы считаем, что малой гидроэнергетикой большое будущее. Остается предложить удобные, легко транспортабельные гидроэнергетические устройства в собственной упаковке, с небольшим весом и безотказной работоспособностью. Речь идет пока об устройствах малой мощности 200-300 Ватт, достаточных для подзарядки батарей средств связи, радио, телевидения, некоторых бытовых приборов (бритья, стрижки и др.), возможно освещения.
Предварительный поиск компактной схемы привода и устройства мини генератора.
Исследования и конструкторские разработки в области альтернативной энергетики у нас ведутся с 2005 года. За это время подготовлено и защищено около двух десятков проектов, использующих возобновляемые источники энергии (в основном силу ветра и движение воды в реке и море). Все эти проекты основывались на запатентованной в 2006 году схеме ветровой установки, которую можно было использовать и в водной среде. Вместе с многими преимуществами этой конструкции, в ней бы один немаловажный недостаток – это ее громоздкость. Поэтому в этой проектной работе была поставлена задача разработки малогабаритного генерирующего объекта.
Привод генератора предстояло осуществлять не вертикальной турбиной, а горизонтальным колесом. При этом необходимо полностью изменить конструкцию генератора. По аналогии электрических двигателей мотор-колесо, предстояло создать трубчатый генератор, у которого на статоре должны разместиться катушки генерации электрического тока, а на роторе – мощные неодимовые магниты.
Цель и задачи проекта.
Основная цель проекта – создать доступное, легко транспортабельное и удобное для жителей тундры электрогенерирующее устройство, способное снабдить их минимальным электричеством для обеспечения связи, информационных коммуникаций и небольших, по мощности потребления, бытовых и медицинских нужд.
Задачи проекта:
1) Спроектировать, изготовить и испытать макет плавающего малогабаритного генератора.
2) Выполнить экономическое обоснование проекта.
3) Сделать выводы и предварительное заключение по возможности внедрения проекта.
При выполнении проекта использовались следующие методы исследования и проектирования: изучение и обобщение устройства предыдущих конструкций, анализ технических и технологических возможностей реализации объекта, расчет конструктивных параметров и экономических показателей, моделирование и конструкторская проработка уникальных узлов и деталей генератора, экспериментальное изготовление, сборка и натуральные испытания плавающего гидромеханического устройства и малогабаритного трубчатого генератора.
2
4
1
3
Проектирование привода гидрогенератора
Рис. 1. Схема привода плавающего генератора: 1- рабочее колесо, 2 – лопасти рабочего колеса, 3 – неподвижная ось статора, 4 – плавающая платформа.
Плавающий генератор представляет собой плавающую платформу, рабочее колесо и трубчатый генератор. Рабочее колесо опущено на 120 мм ниже ватерлинии, что позволяет ей отбирать энергию потока воды и превращать ее в механическую, а затем в электрическую энергию. Рабочее колесо с неодимовыми магнитами устанавливается на плавающую платформу, катушки расположены на неподвижной оси статора. При вращении колеса катушки начинают генерировать электрический ток, который подается на берег.
Изготовление плавающей платформы.
Плавающую платформу мы изготовили из легкого строительного утеплителя пенополистирол Экстрол 30. Площадь плавающей платформы 700 550 мм2.
При толщине пенополистирола «Экстрол 30» 50 мм общий объем пенопласта составит:
Vоб. = V1 – V2 = (0,70,550,05) – (0,350,20,05)=0,01925-0,0035=0,01575 м3=15,75 дм3 (15,75 кг грузоподъемности)
где, Vоб. – полныйобъем плавсредства, м3; V1 – общий объем с вырезанным окном, м3; V2 – объем вырезанного окна по рабочее колесо, м3.
При собственном весе в 2,5 кг, эта платформа способна взять дополнительный груз до 13,75 кг при организации переправы хозяйственных грузов на реках Гыданского полуострова.
Изготовление статора генератора
Статор генератора был собран на ПВХ трубе диаметром 20мм. На восьми держателях намотаны проводом 0,5 мм 4 катушки по 12 метров длины у каждой (всего 48 м).
Такое компактное размещение катушек позволяет разместить все устройство генератора в ПВХ трубе 110 мм, с установкой неодимовых магнитов внутри трубы.
Изготовление вращающегося корпуса
При изготовлении вращающегося корпуса, использовалась ПВХ труба диаметром 110мм, две заглушки диаметром 110 мм, так же, 2 муфты 110мм. Внутри трубы установили 2 платформы с 4 неодимовыми магнитами 40*20мм, с разрывным усилием 40 кг.
Схема подключения генератора
Разработанная нами схема состоит из двух диодных мостов, трех конденсаторов и двух дополнительных диодов, отсекающих возможные противоположные всплески энергии. Эта схема позволила развить напряжение до 12В, и обеспечить свечение светодиодных ленточек, а также обеспечить бесперебойную работу зарядного устройства, позволяющего вести подзарядку любого типа батарей.
Испытание на работоспособность
Успешные испытания модели плавающего генератора, которые прошли 23.06.2018 года, дают возможность надеяться на разработку реального продукта, необходимого для тундровых жителей Ямало-Ненецкого АО и всех других регионов, имеющих свободный доступ рекам и речушкам.
Экономическое обоснование проекта
|
№ п/п |
Стоимость покупных изделий и выполнения экспериментальных работ |
Стоимость единицы, руб |
Количество |
Цена. Руб |
|
1. |
Неодимовые магниты D40*20мм |
480р |
4шт |
1920р |
|
2. |
Труба ПВХ D110*1000мм |
270 |
1шт |
270р |
|
3. |
Болты M6*100мм |
45 |
8шт |
360р |
|
4. |
Гайка M6 |
20 |
8шт |
160р |
|
5. |
Шайба M6 |
15 |
16шт |
240р |
|
6. |
Пенополистерол |
510р |
1шт |
510р |
|
7. |
Изделия из ПВХ |
3840р |
- |
3840р |
|
8. |
Медный провод 0.5мм |
160р |
- |
160р |
|
9. |
Труба ПВХ D40*1000мм |
110 |
1шт |
110р |
|
10. |
Саморезы |
5.50 |
8шт |
44р |
|
Итого: |
7614р |
Стоимость бензинового генератора (34650 руб.) является не окончательной. Бензогенератору необходимо топливо – дорогостоящий бензин, который необходимо доставить на 300 – 500 км от ближайшей заправки. Естественно бензиновый генератор имеет значительную мощность, но в нашем случае важна не эта величина, а общая доступность к подзарядке элементарных приборов.
Выводы по проектной работе.
В результате удалось спроектировать и изготовить малогабаритный легко-транспортабельный макет плавающего генератора для непрерывно кочующих оленеводов.
Успешные испытания макета плавающего генератора дают возможность надеяться на разработку реального промышленного образца.
Предварительные экономические расчеты показали, что стоимость на изготовление и эксплуатацию собственного экспериментального плавающего генератора (7614руб.) оказывается предпочтительнее, чем покупка бензинового генератора (34650руб.) с дополнительными расходами на покупку и доставку дорогостоящего бензина.Естественно бензиновый генератор имеет значительную мощность, но в нашем случае важна не эта величина, а общая доступность к подзарядке элементарных приборов.
Источники и литература
1.Альтернативные источники энергии. Www.altenerg.ru
2.Альтернативная энергетика. Www. Ecology.md
3. Журнал "Физика" № 4 2011 г. стр. 15-18. Плавающий автономный перерабатывающий комплекс. Www.1september.ru
4. Мощеников А.И. Плавающий гидроэлекрокомлекс для развития северных территорий. Всероссийский детско-юношеский конкурс "Арктика - притягательная загадка" в альманахе Северные просторы, М., 2013 г.
5. Патент на полезную модель «Ветроустановка» RU №59747.