XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экомашина - машина будущего
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наш мир невозможно представить без автомобилей. Только подумайте, что бы мы делали без них. Да, наступила бы трудная и некомфортная жизнь. Большинство людей и не задумываются о том, как появился первый автомобиль, воспринимая их, как должное. История создания автомобиля интересна и увлекательна. Над созданием такого необходимого в наши дни средства передвижения трудились много умов.
Развитие технологий и борьба за экологическую безопасность нашей планеты стали главными причинами создания современного автомобиля, работающего от солнечной батареи. Актуальность таких средств транспорта бесспорно очень высока, ведь подобная машина не будет жечь топливо и загрязнять атмосферу.
Цель исследования: изучить плюсы и минусы современных машин, работающих на солнечных батареях.
Меня заинтересовала следующая гипотеза: возможно ли собрать машину, работающую на солнечной батарее в домашних условиях.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
найти и изучить необходимую литературу по истории автомобилестроения;
собрать экомашину;
сделать вывод об истинности гипотезы.
История создания автомобиля
Самый первый автомобиль в мире был с паровым двигателем. В 1765 г. русский механик Ползунов И. И. построил паровую машину автоматического действия, а в 1769 г. она перебралась на повозку.
Рис 1. Первый автомобиль
Сделал ее французский инженер Никола Кюньо. По размерам и весу она не уступала современным тяжелым грузовым автомобилям. Повозка была грубой формы и предназначалась по замыслу ее создателя для перевозки артиллерии. У нее имелось три колеса, из которых одно впереди, ведущее и одновременно рулевое. Вода и топливо, необходимые для движения, весили целую тонну. Тяжело груженное рулевое колесо было не под силу повернуть одному. С ним с трудом справлялись два человека. Медный котел с топкой висел тяжелой грушей впереди повозки и шипел, как Змей Горыныч, повозка ковыляла со скоростью не более 4 км/час [1].
Время шло, а автомобили все не менялись. Можно сказать, что эволюционный процесс в этой отрасли зашел в тупик. Всё изменилось после создания двигателя внутреннего сгорания.
Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС [2].
И перед миром в 1885 году предстал самый первый автомобиль – трехколесник Карла Бенца. Автомобиль был достаточно незатейлив, представлял собой некое подобие изобретения Кулибина, только приводился в движение не мускульной силой, а бензиновым двигателем. Почти в то же время Готлиб Даймлер изобрел велосипед с мотором, а год спустя и «повозку» на моторной тяге.
Рис 2. Трехколесник Бенца
В 1885 году Карл продемонстрировал бюргерам Мангейма свой трехколесный самодвижущийся экипаж с бензиновым двигателем.
Однако новинка вызвала не столько интерес, сколько раздражение. Когда Бенц решил проехать по городу, шум мотора перепугал лошадь мясника. Она понесла, рассыпав по дороге груз. Чтобы замять скандал, Карл купил испорченный товар, поставил автомобиль под навес и принялся его совершенствовать. Машину "угнали" ранним летним утром 1888 года, когда ее создатель спал. Старший сын Евгений сел за руль, рядом с ним мать (Берта), сзади – младший брат. Они отправились к родственникам в маленький городок Пфорцхейм[1].
Впрочем, это был лишь предлог. Приключений и волнений в дороге было предостаточно. В то время бензин можно было купить только в керосиновых лавках, где его продавали как средство для чистки одежды от пятен. Неисправности приходилось устранять подручными средствами – для прочистки засорившегося бензопровода Берта использовала длинную шляпную булавку, а ленту от шляпки – для закрепления деталей системы зажигания. Каждый раз, спускаясь под гору, мать волновалась за мальчиков – вдруг испортится деревянный тормоз. Приходилось не раз останавливаться и просить деревенских сапожников заново обивать его кожей. Цепи привода задних колес вытянулись и начали соскакивать с зубцов звездочек. Пришлось остановиться еще и у кузницы. Но за все свои волнения путешественники были вознаграждены с лихвой. Жители Пфорцхейма сбегались толпами, чтобы поглазеть на трехколесную "безлошадную повозку". О дальнем автопробеге Берты узнала вся Германия, пресса обратила серьезное внимание не только на ее путешествие, но и на автомобиль Карла Бенца. С этого времени и начался его путь к славе и успеху.
Рис 3. Автомобиль Карла Бенца
Первый автомобиль серийного производства в мире был изобретен Карлом Бенцем в 1886 году. Он получил общественное признание и был запущен в промышленное производство. Представлял собой трехколесное средство передвижения, с двигателем на 1.7 литра, который располагался горизонтально. С задней стороны сильно выступал большой маховик. Управлялось сие средство передвижения при помощи Т-образного руля.
На этом моменте история первого автомобиля выходит на новый уровень, поскольку Бенц был первым, кто предложил покупателям готовый и годный для пользования прообраз современного автомобиля, а Даймлер раньше всех запустил в производство функциональный автомобильный двигатель.
Особенностью данного автомобиля было то, что в нем использовался двигатель с водяным охлаждением. При том двигатель и маховик располагались горизонтально. Коленвал был открытым. Посредством простого дифференциала, с помощью ремня и цепей, двигатель приводил в движение задние колеса. Главным достижением конструкторской мысли можно было считать использование впускного клапана с механическим приводом и электрического зажигания. Изначально, рабочий объем двигателя составлял всего 985 , этого недостаточно даже для разгона машины. Поэтому, первые машины, выпущенные в продажу, были оборудованы более мощными моторами с рабочим объемом 1,7 литра и двухступенчатой коробкой передач. С годами, мощность двигателя выросла в 4 раза и составляла 2,5 лошадиные силы. Таким образом, машина Бенца развивала максимальную скорость 19 км/час, что весьма не плохо для первого автомобиля в мире. Однако Карла Бенца это не устраивало, и он всё продолжал свои поиски. И скоро его детище успешно выступило в известных тогда гонках London-to-Brighton Run, обладая средней скоростью 13 км/час. Массовый выпуск автомобиля начался лишь в 1890 году.
Рис 4. Первый серийный автомобиль
Через три года "Benz" выпустил первые четырехколесные автомобили. Основанные на трехколесной конструкции, в то время они казались слишком старомодными. Но, невзирая их медлительность и примитивность, они отличались простотой, доступностью, в плане технического обслуживания и ремонта, и долговечностью. Позднее появилась двухцилиндровая модификация, но, по настоянию Бенца, первоначальные технические решения в основном оставались неизменными.
Машина на солнечной батарее
Принцип работы автомобиля на солнечных батареях основан на преобразовании солнечной энергии в электрическую, которая является источником питания электрического двигателя на солнечных батареях, устанавливаемого на автомобиле.
История создания автомобилей, работающих на солнечных батареях, началась в середине XX века в США, однако в связи с тем, что технологии того времени не позволяли изготовить мощную солнечную батарею небольших размеров, и выпускаемые аккумуляторы не были электроемкими, то и развитие этой отросли автомобилестроения было приостановлено. Лишь в 90-е годы, к этой теме вернулись и работы продолжились.
Увеличение КПД солнечных батарей позволило увеличить количество вырабатываемого ими электричества, а энергоемкие аккумуляторы нового поколения, позволили создавать необходимый запас энергии, при перемещении на дальние расстояния. Применение новых материалов, при изготовлении кузова, новых систем трансмиссии и типов электродвигателей, также отразились на развитии данного типа автомобилей.
Сейчас элементы кузова изготавливаются из прочного и легкого пластика, в трансмиссии используются детали с наименьшим уровнем сопротивления качению, а в качестве двигателей применяют устройства бесколлекторного типа использующие в своей конструкции полюса из редкоземельных магнитных материалов. Еще одним из изобретений, которое стало использоваться на солнце автомобилях, стали мотор-колеса. В этом случае электрический двигатель расположен на каждом из ведущих колес автомобиля, что позволяет увеличить общий КПД передаточного механизма. На увеличение мощности устанавливаемой на автомобиль солнечной батареи, повлияло и то, что подобные устройства теперь можно выпускать гибкими, следовательно, размещать на всех элементах кузова, что увеличивает площадь, поглощающую солнечную энергию.
Производством моделей автомобилей, использующих в качестве источника энергии солнечную батарею, занимаются все ведущие автомобильные бренды. Наиболее известные из них, это: Модель «Ecletic», разработки специалистов компании Venturi (Франция), оснащена силовой установкой, мощностью 22 л/с и может развивать скорость 50 км/час[3].
Рис 5. Модель «Ecletic»
В качестве резервного источника питания, на автомобиль установлен ветровой генератор, а также предусмотрена возможность подзарядки от электрической сети. Модель «Astrolab», также является разработкой французских инженеров и дизайнеров компании Venturi. Это серийная модель, мощностью 16 кВт и запасом хода – 110 км. Максимальная скорость, данной модели – 120 км/час. Корпус изготовлен из прочного пластика, масса автомобиля – до 300кг.
В России, специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета, успешно занимаются разработкой отечественного солнечного автомобиля. Кузов выполнен из композитных материалов в форме катамарана, общий вес автомобиля менее 200 кг. Ожидается, что скорость автомобиля будет достигать 150 км/час.
Рис 6. Российский солнечный автомобиль
Средние цены, в связи с тем, что автомобили, работающие на солнечных батареях, являются штучным товаром и не поставлены на поточное производство, то и их стоимость, достаточно высока. Производители не любят давать информацию о своих разработках, поэтому на выше приведенные модели нет информации о их цене и себестоимости. Тем не менее, стоимость моделей, уже запущенных в серию, известна, так в соответствии с данными компаний Venturi (Франция), стоимость модели «Astrolab» составляет 92000 евро (6,5 млн рублей).
Автомобили, работающие на солнечных батареях, обладают целым рядом преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
Отсутствие вредных выбросов обуславливает экологическую безопасность подобного транспорта.
Неограниченный запас источника энергии, которым является солнце. Нет необходимости в строительстве заправочных станций и станций подзарядки, как в случае с электромобилями.
Продолжительные сроки эксплуатации.
Бесплатность энергии, обеспечивающей работу автомобиля.
Недостатки, как не странно, созвучны достоинствам данного типа автомашин, и это не позволяет данным аппаратам более широко войти в повседневную жизнь:
Применение новых технологий и изготовление в штучном производстве, увеличивает стоимость подобных механизмов.
Запас хода и скорость движения ниже, чем у автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Отсутствие ремонтных сетей и служб автосервиса, работающего в данном сегменте автотранспорта, усложняют процесс его эксплуатации.
Экомашина своими руками
Умея работать с ручным инструментом, имея знания в электротехнике и механике, а также имея желание и свободное время, можно изготовить своими руками, достаточно сложное механическое транспортное средство, каким является солнечный автомобиль.
Начать необходимо с того, что нужно понять, как устроен подобный автомобиль, и как осуществляется его работа. Работа подобных устройств, отражена на ниже приведенной схеме[5].
Рис 7. Схема солнечного автомобиля
Энергия солнца поглощается и преобразуется в электрическую энергию в солнечном коллекторе (батарее), который устанавливается на корпусе транспортного средства (автомобиля), и накапливается в аккумуляторе. Посредством установки электронного блока управления, осуществляется контроль за расходом накопленной электрической энергии и зарядом аккумулятора, а также током потребления электрического двигателя, преобразующим электрическую энергию в его вращательное движение, которое в свою очередь, посредством механической передачи, передается на колеса транспортного средства.
Как видно из приведенной схемы, основные электрические элементы и механическую часть конструируемого автомобиля, лучше всего использовать заводского производства. Корпус же, может быть различным, главное условие для него, это прочность конструкции и малый вес. Габаритные размеры корпуса создаваемого автомобиля зависят от размера механических узлов, а также размера солнечной батареи, которую планируется разместить снаружи. Мощность солнечной панели должна соответствовать техническим характеристикам электронного блока и аккумуляторов, устанавливаемых на модели, а они, в свою очередь, должны быть увязаны с характеристиками электрического двигателя.
Свой первый солнечный автомобиль я решил собрать из конструктора «Солнечный поезд» – это набор, позволяющий собрать подвижной состав из вагонов, работающий на солнечной энергии. Конструктор может работать от солнечного света или от света галогенной лампочки.
На создание игрушки у меня ушло примерно 2 часа. Некоторые детали было сложно соединить, так как они очень мелкие. После сборки мы устроили тест-драйв, который поезд не прошел. Я решил, что солнечная батарея испорчена. Мы проверили ее с помощью амперметра, он показал, что в ней есть заряд, но небольшой. Тогда я решил подержать батарею вблизи мощной комнатной лампы, и моторчик заработал!
Рис 8. Конструктор «Солнечный поезд»
Заключение
Наш мир невозможно представить без автомобилей. Сейчас миллионы людей имеют автомобили, а некоторые по два и даже больше. Если раньше автомобиль был в диковинку, являлся роскошью, то нынче иметь автомобиль это уже в порядке вещей. Автомобиль не роскошь – а средство передвижения.
Целью моего проекта был ответ на вопрос: «Есть ли будущее у солнечных автомобилей?» В настоящее время, транспортные средства, использующие в качестве энергии солнечные лучи, не получили широкого распространения в нашей жизни. Это обусловлено высокой стоимостью их производства, низким КПД солнечных панелей, а также необходимостью установки энергоемких аккумуляторов, являющихся накопителями электрической энергии. Тем не менее, появление новых технологий в производстве материалов, производство гибких солнечных панелей и аккумуляторов, обладающих значительной емкостью, при этом имеющих небольшие геометрические размеры, позволило создавать новые модели подобных транспортных средств. Одним из важных факторов, свидетельствующих о том, что будущее у солнечных автомобилей есть, и оно приведет к увеличению таких моделей, является то, что энергия солнца, это возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии, при использовании которого нет вредных выбросов в атмосферу, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.
Свою гипотезу я подтвердил, да, действительно, солнечный автомобиль можно сделать в домашних условиях. Только играть с такой машиной практически невозможно, так как она очень хрупкая и ездит только под мощными лампами или ярким дневным светом, которого у нас на Урале так не хватает.
Список использованной литературы
1. Грушевский С. История автомобилестроения [Электронный ресурс]: http://www.free-lance.ru/users/cooperilla/portfolio/
2.История автомобилестроения [Электронный ресурс]:
http://avtohis-tory.by.ru/
3.История автомобилестроения в «Крокус-Экспо» // AutoWeek [Электронный ресурс]: http://www.autoweek.ru/review/exhibitions/16663/
4. http://www.perpetuum.ru/history.htm
5. http://www.auto-road.ru/
6. http://avtohistori.cn/
7. https://alter220.ru/solnce/avtomobil-na-solnechnyh-batareyah.html