XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Универсальная установка для использования энергии человека: простейший электрогенератор и электросхема установки.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Трифонов В.И. 1Цаур С.Е. 1Желуницын И.И. 1Чистяков М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

2.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире человек становится все менее активным. Цифровые технологии и ограничительные карантинные меры не стимулируют людей на занятия спортом. Следствием малой активности является ухудшение здоровья. Человек порой не задумывается о том, что полезнее будет подняться по лестнице пешком, нежели на лифте. А вместе с тем, уменьшение естественной активности человека связано ещё и с использованием электричества. На примере того же лифта – человек не активен, для подъема вверх затрачивается электричество. Производство электричества, в свою очередь, напрямую связано с сжиганием газа или угля: тепловая энергия превращается в механическую, а затем и в электрическую. Расход природных исчерпаемых ресурсов - газ, уголь, нефть, ведет к пагубному увеличению углекислых газов в атмосфере планеты.

Таким образом, мы видим две серьезные проблемы на сегодняшний день: мы тратим природные ресурсы и становимся менее активными, что приводит к ухудшению физического здоровья людей и к негативному изменению экологии планеты! Технологии будущего ученые очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии. Мы задумались над этим и выяснили, что одним из способов для выработки альтернативной энергии можно считать преобразование физической энергии человека в электрическую. Также данный способ выработки энергии поможет людям поддерживать себя в хорошей физической форме.

Цели проектной работы:

Разработать способ аккумулирования и использования чистой энергии человека для домашних нужд и, тем самым, мотивировать людей на занятия спортом.

Задачи:

изучить проблему отсутствия мотивации для занятия спортом;

посетить тренажерный зал для того, чтобы узнать, что мотивирует людей;

провести исследование: заинтересованы ли люди в выгодном использовании энергии человека;

проанализировать возможные пути использования энергии человека;

изучить работу электрогенератора и создать простую модель;

познакомиться с опытом других людей по получению электричества от велосипеда в домашних условия;

разработать универсальную установку для выработки электричества в домашних условиях;

разработать дополнительную мотивация для занятия спортом на нашей установке;

узнать мнение нескольких экспертов, получить рекомендации и доработать проект;

продемонстрировать работу установки;

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 8 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 4 человека и поделили задачи. Подробно исследование проблемы малой активности, тестирование, а также изготовление установки из фанеры, мнение одного из экспертов и создание мотивирующей игры подробно будут рассмотрены в работе других ребят из нашей команды «Универсальная установка для использования энергии человека: исследование проблемы, сборка установки». Эта работа также представлена в секции «физика» на XII Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Мотивация – главное условие для занятия спортом!

Человек должен быть активным, чтобы быть в хорошей физической форме. А зачем человеку хорошая физическая форма? Зачем двигаться? Все понимают, что движение необходимо для того, чтобы быть здоровым! Но для многих это знание не является яркой мотивацией, большинство людей на нашей планете малоактивны.

Мы считаем, что отсутствие мотивации - главная причина малой активности людей! Все другие причины нежелания заниматься спортом появляются именно из-за отсутствия мотивации.

Мы увидели несколько способов замотивировать человека в любой ситуации: деньги, отличный внешний вид, еда, подписки на интернет платформы, купоны. Конечно, если бы нам платили деньги за занятия спортом, то активных людей стало бы больше! Можно сделать вывод, что главная мотивация для выполнения действия, которое человеку не интересно, это личная выгода от этого действия. То есть, если человеку будет выгодно заниматься спортом, то он будет это делать чаще, а может быть и каждый день!

В нашей проектной работе мы предлагаем рассмотреть выгоду для человека в экономии на затратах на электроэнергию: человек занимается спортом и вырабатывает электричество для домашних нужд.

Глава 2. Экскурсия в фитнес центр города Тюмени - Athletic Gym

Мы отправились в большой фитнес-центр нашего города Athletic Gym чтобы увидеть, как занимаются спортом взрослые, дети и что их к этому побуждает. Нас встретил Николай - это тренер, который объяснил нам, как работают некоторые тренажеры (Приложение, Рисунок 2.1)

«Велотренажер», «Эллипс» и «Беговая дорожка» относятся к кардио тренажерам. Занимаясь на них, человек дает нагрузку на сердце, учащается сердцебиение, ускоряется кровообращение. В процессе тренировок человек расходует свою энергию, активно потеет.

В среднем человек на велотренажере теряет 400 калорий в час [1], что эквивалентно 1600 Дж энергии. Таким образом, калории преобразуются в энергию, которые мы сжигаем при помощи тренажеров и она расходуется в никуда! У нас возникло предложение – можно преобразовывать энергию селовека и использовать ее для своей выгоды.

Представьте, вы вращаете педали, ваша энергия расходуется и превращается в механическую, которая затем преобразуется, например, в электрическую, которую вы можете использовать (Приложение, Рисунок 2.2). Здорово!

Глава 3. ТЭЦ-2 г.Тюмени – место, где рождается электричество.

Эта идея возникла не случайно. 15 декабря 2017г. мы побывали на экскурсии на жизнеобеспечивающем предприятии города ТЭЦ-2 вместе с преподавателями и студентами Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн» (Приложение, Рисунок 3.1). ТЭЦ – это теплоэлектроцентраль, она поставляют в город не только электричество, но и тепло. Экскурсию провели: старший начальник смены электростанции: Лидерс Виктор Робертович, Начальник смены электростанции: Ипулаев Вячеслав Шуматбаевич.

Главные характеристики ТЭЦ-2:

Является самой крупной в ПАО «Фортум» по мощности и по выработке. Год создания: 1986

Работает: на природном газе, резервное топливо – мазут

Оборудование: 4 градирни (+1 строится), 3 теплофикационных блока, 1 конденсационный блок, 3 паровых котла, 3 водогрейных котла

Установленная электрическая мощность составляет 755 МВт, тепловая — 1639,8 Гкал/ч

На экскурсии мы узнали, что процесс получения электричества заключается в следующем: при сжигании газа выделяется тепло, с помощью которого нагревается вода до 400°С и превращается в пар, затем перегретый пар вращает турбину, которая расположена на одном валу с генератором переменного тока, ротор генератора (электромагнит) вращается и в обмотках стартера генератора появляется ток, затем он направляется в трансформатор, а затем в город (Приложение, Рисунок 3.2).

Особое внимание мы обратили на то, что электричество получается за счет не возобновляемого источника энергии – природного газа, и продукты его сгорания поступают в атмосферу. Альтернативные источники энергии для выработки электричества в нашем городе используются крайне редко: солнечные пластины для работы светофоров, например. Именно поэтому мы решили провести эксперимент: разработать универсальную установку для использования энергии человека, что поможет нам увидеть и оценить использование альтернативных источников энергии в нашем городе и одновременно мотивировать людей на занятия спортом!

Электричество вырабатывается в момент вращения ротора, то есть наличие вращательного движения – главное условие для работы генератора. Призанятиях на кардио тренажерах человек свою энергию тратит на механическое вращение. Мы сравнили вращение турбины с вращением колеса велосипеда. Плусчается система очень похожая с системой выработки электричества в ТЭЦ: вместо турбины вращаться будет колесо, в результате получим энергию значительно меньше, чем на ТЭЦ, но мы всё равно сможем использовать её для домашних нужд. (Приложение, Рисунок 3.3) Остался вопрос, а как разработать генератор для нашей системы?

.

Глава 4. Простейший электрогенератор своими руками

Для выработки энергии используются специальные устройства - генераторы. Генератор это устройство, производящее какие-либо продукты, вырабатывающее электроэнергию или преобразующее один вид энергии в другой. [2] Чтобы продемонстрировать как вырабатывается электроэнергия мы решили собрать модель генератора в домашних условиях. В интернете мы увидели несколько инструкций по его изготовлению. Мы выбрали вариант, не требующий специального оборудования, мы нашли необходимые для его создания компоненты и приступили к работе. [3]

Для изготовления простейшего генератора нам понадобилось:

эмалированная медная проволока толщиной 0,3 мм (для этого пришлось разобрать старый телевизор с кинескопом);

четыре неодимовых магнита размером 1x2x5 см (заказали в интернет магазине);

металлическая ось (мы взяли обычный болт);

картон для изготовления корпуса;

клей ПВА для склеивания картонных деталей;

светодиод (для демонстрации выработки электроэнергии) (Приложение, Рисунок 4.1).

Вначале мы разметили на картоне будущий опорный каркас генератора, вырезали необходимую деталь и сложили по разметке. Детали склеили с помощью клея ПВА. Дополнительно для сохранения целостности обклеили картон цветным скотчем. (Приложение, Рисунок 4.2).

В центре каркаса мы сделали отверстие для металлической оси и вставили подготовленный гвоздь, с помощью него мы приводим в движение наши магниты – это ротор нашего генератора.

Затем на основу, с двух сторон от оси, мы намотали медную проволоку – это статор нашего генератора. Проволоку необходимо было намотать достаточно много (около 60 метров) и достаточно туго, что не так то просто, учитывая факт, что она у нас была не в катушке, а в многослойном проводе. Чем больше мотков проволоки сделать, тем мощнее будет генератор (Приложение, Рисунок 4.3).

После этого мы подсоединили светодиодную лампочку к двум концам медной проволоки. При выработке электроэнергии она начинает светиться. Но для того, чтобы генератор заработал нужно создать магнитное возмущение. Для этого мы поместили внутрь на ось четыре неодимовых магнита.

Так у нас получилась рабочая модель генератора наглядно демонстрирующая принцип выработки электроэнергии. При вращении оси происходит возмущение магнитного поля вызывающее движение электронов в медной катушке, так вырабатывается электричество питающее лампочку (Приложение, Рисунок 4.4).

Глава 5. Оценка существующих моделей тренажеров-генераторов

Собрав генератор мы ещё раз продумали нашу идею и решили посмотреть есть ли подобные нашему тренажёры на рынке и сколько они стоят.

Как и в целом в мире, производители спортивной техники стали много внимания уделять универсальности и экологичности, они предлагают рынку смелые решения - тренажёры, которые уже позволяют или позволят в недалёком будущем не только держать человека в форме, но и грамотно использовать выделенную им кинетическую энергию.

В основном на рынке присутствуют 2 типа тренажеров, способных выработать электричество: эллиптические (Приложение, Рисунок 5.1) и велотренажеры (Приложение, Рисунок 5.2). Это самые популярные тренажеры для кардио-тренировок. [4] Также все тренажеры с встроенным генератором можно разбить на 2 группы:

Автономные тренажеры

Тренажеры с возможностью подключения внешних потребителей

Автономные — это тренажеры способные вырабатывать энергию для собственных нужд. Например, для питания светодиодов, работы датчиков пульса, отображения информации на дисплее. А тренажеры профессионального уровня способны снабжать работу полноценных LED -дисплеев не только для отображения информации о тренировке, но и транслировать видео и аудио контент, поддерживать браузер, практически как персональный компьютер.

Вторая группа тренажеров, встречается реже. Они способны не только обеспечивать своих потребителей, но и готовы питать приборы подключаемые из вне. Это может быть зарядка разных устройств, осветительные приборы.

Также мы нашли информацию о нескольких интересных вариантов применения тренажеров с выработкой энергии:

Велосипед-кинотеатр

Студенты одного из технических университетов Франции представили на ежегодном кинофестивале в Сент-Этьене устройство, совмещающее для киноманов приятное с полезным и не наносящее вред окружающей среде. Велотренажёр, полностью собранный из вторсырья , в рамках проекта молодых инженеров должен был обеспечить энергией работы кинозала. В итоге непродолжительное кручение педалей обеспечило показ целого фильма на фестивале (Приложение, Рисунок 5.3).

Тренажёр — стиральная машина

Велотренажёр переводит кинетическую энергию спортсмена в электроэнергию, которая используется для вращения стирального барабана. Который, кстати, расположен в самом тренажёре. Производитель уверяет, что 20 минут тренировок хватит для одного цикла стирки. Если инновационный и компактный концепт воплотится в готовую модель, она будет популярным товаром среди холостяков-спортсменов и владельцев тесных квартир (Приложение, Рисунок 5.4).

Беговая дорожка — стиральная машина

Схожий с предыдущим аппаратом по концепту, тренажёр — стиральная машина также создана для борьбы с лишним весом и пятнами на одежде владельца. Проект бегового тренажёра дизайнер из Южной Кореи Си Хайонг Рю представила на ежегодной выставке Electrolux Design Lab. Девушку вдохновил хомяк, бегающий по кругу в своём колесе, поэтому тренажёр — стиральная машина имеет сходство именно с этой игрушкой для домашнего питомца (Приложение, Рисунок 5.5). [5]

Но это пока лишь концепты, которые еще не представлены на рынке, купить пока их нельзя.

Изучив эти материалы, мы поняли, что большинство тренажёров вырабатывающих энергию делают это для собственных потребителей вроде датчиков, кнопок и дисплеев. Тренажёры которые выводят энергию вовне существуют и доступны покупателю, но цена слишком велика для простого обывателя.

Глава 6 Электросхема универсальной установки

Мы решили создать установку для выработки электричества с помощью своего велосипеда и сделать её универсальной, то есть доступной для любого человека. Мы запланировали закупить комплектующие, составили таблицу предполагаемых расходов. По плану у нас получилась сумма 10 230 рублей. В процессе сборки мы отклонились от плана, некоторые элементы заменили, некоторые добавили, некоторые позаимствовали у родителей и друзей (в списке у этих элементов стоимость 0 руб). В итоге на создание нашей установки мы потратили 10 530 руб (Приложение, Таблица 6.1).В качестве генератора электрического тока мы использовали мотор для автомобиольного вентилятора. При вращении ротора обратно движению в обмотке электромотора вырабатывается электричество. В качестве вала вращения, приводимого в движение колесом велосипеда мы использовали патрон от дрели.

Перед созданием установки мы запланировали покупку комплектующих и нарисовали электросхему №1 (Приложение, Рисунок 6.2) В этой схеме генератор вырабатывает электричество, оно поступает в контроллер заряда. Контроллер заряда заряжает аккумулятор 12V, а если аккумулятор полностью заряжен, то включает инвертор. Инвертор преобразует напряжение 12V в 220V. И мы получаем возможность подключать бытовые приборы к электрической сети и используем полученное электричество.

Однако, данную схему нам не удалось реализовать. При первых испытаниях нашего генератора выходящее напряжение мы смогли получить не более 10V, что мало для зарядки аккумулятора 12V. Мы крутили педали и непрерывно замеряли вольтметром: среднее значение напряжения было 7-8V (Приложение, Рисунок 6.3). Чтобы зарядить аккумулятор 12V, нужно на выходе из генератора получить немного более 12V, например 13V или 14V.

Таким образом, генератор нашей установки вырабатывает ток напряжением 6-8V, это позволяет зарядить аккумуляторную батарею на 6V. Тогда мы изменили электросхему и приобрели 2 аккумуляяторные батареи 6V (Приложение, Рисунок 6.4). Каждую батарею мы будем заряжать по отдельности, затем при последовательном соединении мы получаем 12V постоянного тока и преобразуем их с помощью инвертора в 220V.

Принцип работы универсальной установки для выработки электричества от велосипеда (Приложение, Рисунок 6.5): начинаем крутить педали от них крутится колесо, от колеса вращается ротор генератора, в обмотках статора генератора вырабатывается электричество, которое идёт через диод мост. Диод мост проводит электричество в одну сторону, чтобы от аккумулятора не подавалось электричество обратно и не крутился мотор-генератор. Дальше стоит вольтметр, он показывает напряжение на батарее аккумулятора, когда мы начинаем крутить педали и увеличиваем свою мощность, то вольтметр показывает бὀльшее значение - это значение напряжения выработанного тока. Именно в таком «превосходящем режиме» происходит заряд батареи аккумулятора. После вольтметра стоит одна батарея аккумулятора 6V. Всего у нас 2 батареи и мы их заряжаем по очереди. Также, в нашей электроцепи есть светодиод, который показывает работоспособность нашего проекта: когда мы крутим педали лампочка светится.

После зарядки обе батареи мы соединяем последовательно и получаем 12V постоянного тока, преобразуем их с помощью инвертора в 220V. Выработанное электричество мы можем использовать для некоторых электроприборов: электромассажер, вентилятор, лампа, а также можем заряжать телефон и другие гаджеты. Для нагревательных электроприборов (утюг, чайник, фен и др) нашему устройству не хватает мощности.

Глава 7. Встреча с экспертом Игорем Вихлянским, специалистом в области энергоснабжения.

Мы встретились с Экспертом Вихлянским Игорем Товьевичем. (Приложение, Рисунок 7.1) Игорь Товьевич по профессии инженер-математик (ВИКА имени А. Ф. Можайского, математическое обеспечение АСУВ). В настоящее воемя работает директором ООО «Смарт Системз» (www.smart-72.ru). Его компания занимается установкой умных систем в частные дома, энергосбережением, светодиодным освещением. Эксперт отметил, что в области альтернативной энергии, в Тюмени, мы первооткрыватели. Эксперт отметил следующее:

особенно ценно то, что сделали «реальную» модель, мы собрали цепь сами;

для Тюмени важно привлекать людей к экономии энергии и использованию альтернативных источников. В сравнении с Екатеринбургом, Москвой, Санкт-Петербургом Тюмень инертный город в плане внедрения новых технологий.

энергию человека можно использовать в любой точке земного шара с помощью нашей установки, в отличие от солнечных батарей и ветрогенераторов;

наш проект полезен и для здоровья человека, и в личных нуждах, и для города, и для страны, и для нашей планеты.

Самое важное, что нам порекомендовал Игорь Товьевич: патентуйте и реализовывайте!

Глава 8. Встреча с экспертом Еленой Ренёвой, маркетологом, таргетологом, техническим директором.

Мы встретились с Экспертом Ренёвой Еленой. Она является маркетологом и техническим директором крупных московских компаний: маркетолог - куратор "ДНК Маркетинг", технический директор онлайн школ "Образование за рубежом", таргетолог и технический специалист команды Андрея Парабеллума.

Елена высказала свое мнение о нашем проекте: "У вас готовый продукт, который нужно красиво упаковать, разработать стратегию продвижения и начать продавать, в том числе и франшизу"

Рекомендации для продвижения проекта :

Разработать буклет;

Определить свою целевую аудиторию (ЦА);

Создать сайт, разработать КВИЗы, чат-боты;

Создать и вести аккаунт в instagram;

Разработать стратегию продвижения;

Запустить таргетированную и контекстную рекламы в связке с КВИЗами и чат-ботами;

Обязательно установить на сайт сервисы аналитики, при запуске ретаргетинга использовать данные аналитики и корректировать настройки рекламных кампаний согласно этим данным.

Подготовить документы для патента;

Продумать комплексную упаковку нашего продукта для франчайзинга.

Мы выполнили несколько её рекомендаций:

разработали буклет (Приложение, Рисунок 8.1);

создали аккаунт в инстаграмм - https://www.instagram.com/robostroy72/;

разработали сайт на платформе Tilda - srthudjy.tilda.ws/robostroy;

собрали данные о целевой аудитории с помощью QR кодов расположенных в нашем боксе;

к сайту подключили сервисы аналитики: Google Analytics, Яндекс аналитика, Pixel.

Глава 9. Презентация проекта

Наша команда представила проект на региональных соревнованиях "РобоФест" в городе Тюмени 18 марта 2021 года (Приложение, Рисунок 9.1), а затем и на Всероссийском Национальном Чемпионате «FIRST ROBOTICS CHAMPIONSHIP» в городе Нижний Новгород 23-25 апреля 2021 года.

На Национальном соревновании мы представляли нашу идею в боксе (Приложение, Рисунок 9.2) приглашали всех желающих позаниматься спортом и выработать электричество. За всё время работы в боксе к нам пришло около 40-50 человек. Нам удалось активно привлечь и детей, и взрослых к занятию спортом на нашем велосипеде. Были люди, которые крутили педали продолжительное время от 10 до 20 минут (Приложение, Рисунок 9.3), делали перерыв и вновь приходили. Были и рекордсмены - молодой человек показал рекорд в 26 минут. Впечатления у всех были потрясающие. Мы всем рассказывали проект, раздавали буклеты, а также обращали внимание каждого, что такую установку может сделать любой для своего велосипеда, список всего необходимого напечатан в буклете (Приложение, Рисунок 9.4). Окружающим нравилось то, что мы придумали. Нам удалось привлечь большое количество людей к активному занятию спортом. Приглашаем и вас!

Заключение

Мы определили, что для человека важна мотивация для регулярного занятия спортом. Побывав на экскурсии в тренажёрном зале, мы увидели, что, занимаясь на различных тренажерах много энергии тратиться впустую. Если научиться её собирать и использовать, то можно не только поддерживать себя в хорошей форме, но и, как бонус, тратить выработанную энергию на свои нужды. И это может стать отличной мотивацией для физической активности! Мы провели исследование и увидели, что выработка электричества в процессе занятия спортом является мотивацией для 80 % опрошенных.

Изучив материалы, мы поняли, что источником электричества может стать любая механическая энергия вращения. Мы самостоятельно собрали простейший генератор для демонстрации выработки электричества при помощи механической энергии.

Мы рассмотрели возможные варианты устройства велотренажера, самодельные и в продаже, с функцией генерации электричества. Спланировали свою установку, создали, протестировали и усовершенствовали её.

Рассказали одноклассникам, продемонстрировали экспертам, получили высокую оценку и рекомендации. Реализовали некоторые рекомендации и успешно отработали с проектом на большой аудитории на Всероссийском Национальном Чемпионате «FIRST ROBOTICS CHAMPIONSHIP» в городе Нижний Новгород 23-25 апреля 2021 года. Мы получили высокий результат! Цель проекта достигнута! Умная и выгодная трата калорий с помощью нашей установки – является большой мотивацией для людей любого возраста!

Мы продвигаем наш проект: разработали буклет, создали страницу в инстаграм и свой сайт. Универсальную установку по силам сделать каждому, подробная инструкция в открытом доступе. Наш проект помогает не только отдельному человеку, но и, используя альтернативный источник чистой энергии, помогает городу, стране и нашей планете!

Список используемой литературы:

https://mir-sporta.com/news/skolko-kaloriy-szhigaetsya-na-velotrenazhyore/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор

https://www.youtube.com/watch?v=k7Sz8oT8ou0&feature=emb_logo

https://sportpremier.ru/search/?q=генераторные

http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/174541-poleznye-trenazhery

Приложение