XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ветер как источник энергии для аттракциона
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Экономическое и социальное развитие связано с большим потреблением энергии. Она необходима практически в каждой области нашей жизни. Даже простые с виду действия требуют расхода определенного количества энергии. Мир стоит на пороге беспрецедентного поворотного момента. Изменение климата — это реальная и неизбежная угроза благополучию, которого сегодня уже достигли многие и к которому стремятся и ради которого трудятся миллионы людей. Поэтому так необходимо обеспечить выживание наиболее уязвимых жителей планеты и защиту экосистем и биологического разнообразия. Климат меняется во многом вследствие выбросов в атмосферу продуктов сгорания ископаемых видов топлива, хотя есть и другие важные причины. Чтобы остановить изменение климата, мы должны сократить потребление этих видов топлива, насыщенных углеродом. Возобновляемые источники энергии могут и должны стать центральным элементом этого плана.
Актуальность темы:
Преимущества возобновляемых источников энергии многочисленны и очевидны, однако столь же многочисленны и очевидны препятствия к их внедрению. Сложившиеся рыночные структуры, непонимание принципов действия новых технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии, затрудненный доступ к финансированию и его высокая стоимость – все эти факторы сыграли свою роль в сдерживании использования возобновляемых источников энергии. К счастью, благодаря усердной работе предприятий данной отрасли, правительств, финансовых учреждений и регулирующих органов многие из этих препятствий преодолеваются.
Использование возобновляемых источников энергии постепенно входит в нашу жизнь, в частности, в сфере обслуживания жилых домов и инфраструктуры города. Однако, сфера развлечений, систематически потребляющая немало электроэнергии, также может быть переведена на альтернативные и более экологичные виды энергии, особенно, по той причине, что данная сфера не является жизненной необходимостью для нашего общества. Поэтому, проанализировав данную проблему, мы решили создать проект с моделью аттракциона, функционирующего на базе ветрогенератора, используя такой возобновляемый источник энергии, как ветер.
Цель исследования: Использование ветра как возобновляемого источника энергии для функционирования аттракционов.
Задачи исследования:
Изучить виды возобновляемых источников энергии;
Рассмотреть особенности ветряной энергии;
Проанализировать сферу аттракционов с момента их появления и смоделировать один из существующих аттракционов для его работы на ветрогенераторе.
Глава 1. Альтернативные источники энергии.
Виды возобновляемых источников энергии
Источники энергии — это встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию. Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Причина поиска альтернативных источников энергии состоит в потребности получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Так же во внимание может браться экологичность (Рисунок 1.1.1 Приложения) и экономичность [1].
Ветровую энергию используют давно. Ветрогенераторы представляет собой систему лопастей, которые соединены с генератором через редуктор или напрямую. Максимальной энергии ветрогенераторы достигают на высоте более 15 метров. Современные разработки формы лопастей приспособили ветрогенераторы под все условия эксплуатации и движения воздуха: тихоходные, быстроходные и роторные.
Альтернативная энергетика представлена также биотопливом. В качестве источника энергии биотоплива служат органические отходы животного или растительного происхождения.
Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуются солнечные коллекторы, то есть гелиоэнергетика. Солнечная энергия один из самых перспективных источников неиссякаемой энергии. За год на поверхность земли попадает солнечного излучения в 30 000 раз больше, чем годовое потребление электроэнергии всем населением планеты. Производители совершенствуют и создают более новые и универсальные модели гелиосистем. Ученые выяснили, что на квадратный метр приходится около 300 Вт в сутки энергии Солнца. Расчет имеет смысл в тех местах, где солнечные лучи имеют максимальные потоки [2].
Особенности ветряной энергии
С давних времен люди старались использовать для своих нужд силу ветра. На основании фресков, обнаруженных в гробницах фараонов, стало известно, что уже 5000 лет до н.э. Египтяне использовали энергию ветра для передвижения лодок. Интересным решением, применяемым еще древними цивилизациями Дальнего Востока, были механизмы водокачки с использованием ветряной энергии. Эти механизмы можно назвать первыми ветрогенераторами. С течением времени ветрогенераторы становились все более распространенными. В Индии использовали их для транспортировки воды, в Китае для орошения обрабатываемых полей. В то же время, изобретателями ветрогенераторов для помола зерна (мельниц) считаются персы. Их мельницы имели крылья, движущиеся в горизонтальной плоскости на вертикальной турбине. Первая мельница в европейском государстве появилась во Франции в XII веке. Не прошло и ста лет, как мельницы стали популярны по всей Европе. Сперва европейцы строили мельницы по принципу деревянная будка с прикреплёнными крыльями. Такая будка прикреплялась к столбу и вращалась, чтобы установить крылья против ветра. После недолгого кризиса мельниц, связанного с появлением парового и электрического двигателей для производства муки или водокачки, пришло их возрождение. Замечено, что энергия ветра может стать источником электрической энергии.
Ветрогенератор – это один из основных источников возобновляемой энергии. Прототипом ветровой турбины, механизма заменяющего энергию ветра в механическую энергию (которая далее превращается в электрическую энергию) стала конструкция, придуманная в 1988 году американцем Чарльзом Ф. Брашем, диаметром 17 метров со 144 деревянными лопастями, заменяющими давние крылья мельницы. Скоро оказалось, что это прочное и эффективное оборудование отлично подходит для строительства ветровой электростанции. Первый ветрогенератор для производства электроэнергии появился в 1890 г. В Дании. Также в Дании применили новаторское решение, благодаря которому ветрогенераторы могли производить водород, применяемый в качестве горючего в уличных лампах. В Польше первая ферма ветрогенераторов появилась в 1999 г. в Чисове и действует до сегодняшнего дня. На ферме «работает» 14 турбин с 40-меторвыми лопастями.
Настоящим прорывом в ветроэнергетике стало строительство в 1950 году Йоханнесом Юулем электростанции с генератором переменного тока. Применяемые до сегодняшнего дня решения, предложенные Юулем, значительно ускорили развитие ветроэлектростанций, которые со времен нефтяного кризиса 70 годов, стали объектом особого интереса [3].
Глава 2. Парк аттракционов.
2.1 История появления
Парк развлечений (парк аттракционов, тематический парк) — собирательный термин, описывающий некоторое количество аттракционов и других видов развлечений, размещённых на одной территории. Парк развлечений отличается от обычных парков тем, что предназначен именно для развлечения людей, в основном взрослых, подростков и детей.
История развития парков развлечений
В 1583 году в Дании был построен парк «Баккен». Данное событие считается началом истории стационарных парков аттракционов. По легенде, одна девочка, гуляя в Королевском оленьем парке на севере Копенгагена, заметила бьющий из-под земли родник. Набрав воды, она принесла её домой. Воду источника посчитали целебной. Сюда потянулись тысячи людей. Датчане отдыхали рядом с родником, наслаждаясь тишиной и прохладой. Артисты стали разыгрывать здесь уличные представления на потеху публике. Начали строить балаганы. Появились постоялые дворы. Затем последовали примитивные аттракционы. Интересно то, что парк «Баккен» без перерыва продолжает работать и по сей день.
В XVII—XVIII веках в Европе (Франция, Италия), а затем и в России в садах и парках высшей знати устраивались разнообразные развлечения в праздничные дни. Аристократы любили удивлять друг друга. Вначале их архитекторы, используя всю свою фантазию, делали акцент лишь на изменении ландшафта (водные каскады, искусственные озёра, гроты). Затем появились первые аттракционы. Одним из примеров является парк Священный лес в Бомарцо («вилла монстров»). Обычная дворянская усадьба превратилась в целый парк развлечений, где аттракционами были статуи монстров. Это был первый в мире аттракцион подобного типа.
В середине XVIII века известный российский учёный и инженер Андрей Нартов изобрёл для царя Петра I «механическую катальную гору». Сооружение функционировало, но промышленное производство было налажено лишь в следующем веке. Бывшие солдаты наполеоновской армии, разбитой под Москвой, создали аналог аттракциона, назвав его «Русские горки». Под этим названием аттракцион известен и по настоящий момент (в России чаще называется «Американские горки»). До сих пор это — самое популярное развлечение в любом парке мира.
Также большую популярность приобрели карусели с лошадками. Карусель с лошадками стала первым мобильным аттракционом, который можно было легко разбирать и перевозить на повозках.
В России первый парк аттракционов — «Луна-парк» — был открыт в Санкт-Петербурге в 1912 году на улице Офицерской (Теперь Декабристов). В состав комплекса, в частности, входили чёртово колесо (центробежный аттракцион высокой скорости, разбрасывающий людей по сторонам), катальные горки (горная железная дорога с тоннелями и крутыми виражами).
Настоящим прорывом становится строительство парка для семейного отдыха, созданного по инициативе и на деньги Уолта Диснея. В 1955 году он вкладывает в это 100 тысяч долларов. Но деловые партнёры считают идею Диснея утопией, и мэтру приходится заложить все свои акции под строительство первого Диснейленда в Калифорнии. 17 миллионов долларов, вложенных в индустрию развлечений, не просто окупились, но и принесли колоссальный доход. Концепция парка — захватывающее путешествие по волшебной стране знаменитых мультфильмов.
Парки развлечений служат прекрасным местом отдыха для миллионов людей во всем мире. Одних привлекает возможность отдохнуть в комфортной, праздничной обстановке, других притягивают исключительно развлечения, многочисленные аттракционы, третьи избирают их местом семейного отдыха. Именно возможность весело провести время и привлекает многочисленных посетителей. Современные парки отдыха являются развлекательными площадками с обилием достопримечательностей, рассчитанных на разные возрастные категории: от детей и подростков до взрослых и пожилых людей.
Огромную роль в истории парков развлечений сыграли Всемирные выставки. Первая такая выставка была проведена в 1851 году в специально построенном для этой цели Хрустальном дворце в Лондоне. Выставки стали символом индустриализации, площадкой для демонстрации промышленных достижения народов мира (безупречным лидером в то время была Великобритания). Они сочетали в себе демонстрацию достижений науки и техники наряду с развлекательными мероприятиями.
К всемирной выставке в Париже в 1889 году, приуроченной к 100-летию Французской революции, Гюстав Эйфель построил знаменитую башню. Всемирная выставка в Чикаго была приурочена 400-летней годовщине открытия Колумбом Америки. Ее организаторы хотели создать что-то чрезвычайное, что смогло бы конкурировать с Эйфелевой башней. Поиск подходящего дизайна сооружения оказался задачей не из простых. Архитектор Даниель Бернхам, отвечающий за выбор проекта, жаловался на банкете в 1891 году, что не нашел ничего, что бы "отвечало ожиданиям людей". Среди приглашенных гостей был Джордж Вашингтон Гейл Феррис младший, который сразу же, во время ужина, нарисовал дизайн Колеса обозрения на салфетке.
Четыре года спустя Колесо обозрения стало украшением Выставки в Чикаго (Рисунок 2.1.1 Приложения) и считалось инженерным чудом того времени: две стальные опоры высотой 42 м удерживали конструкцию колеса, соединенной осью длиной почти 14м - крупнейшая деталь из кованой стали в то время. 36 деревянных кабинок были рассчитаны на прием 2160 человек. Стоимость поездки составляла 50 центов, а за время Выставки обзорное колесо заработало $726,805.50. Построив свое первое колесо, Феррис представить себе не мог, какую направленность в индустрии развлекательных парков заложит его творение. С того времени Колесо обозрения стало важным атрибутом парков развлечений [4].
К 60-м годам XIX века в такие места пришли и первые механические аттракционы — карусели; дело было в Великобритании. Первые же сооружения типа американских горок появились в середине 1880-х в парках США. За ними в 1890-е последовало колесо обозрения и другие сооружения, и аттракционы. Первым парком развлечений современного типа считается открытый в 1895-м парк «Си-Лайон» (Sea Lion) на Кони-Айленде — теперь это часть города Нью-Йорка, а тогда был его пригород. Что значит «современного типа»? Доступ в парк был ограничен (нужно было покупать входной билет и дополнительно билеты на каждый аттракцион), а всеми развлечениями внутри управляла одна компания [5].
Глава 3. Колесо обозрения на энергии от ветрогенератора.
Данный проект мы создали (Рисунок 3.1.1 Приложения) в целях использования возобновляемых источников энергии в сфере развлечений (Рисунок 3.1.2 Приложения). В нашем проекте вы можете увидеть сконструированное колесо обозрения (Рисунок 3.1.3, 3.1.4 Приложения), полностью функционирующее от энергии ветрогенератора. Однако, в связи с тем, что платформа конструктора Lego Mindstorms EV3 еще недостаточно совершенна для реализации такого масштаба проектов, мы показали лишь возможность реализации этой идеи для работы одного аттракциона как можно более наглядно, а в реальных условиях можно обеспечить подачу энергии даже на несколько аттракционов, добавив больше ветрогенераторов (Рисунок 3.1.5 Приложения).
Мы сконструировали модели колеса обозрения и ветрогенератора на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 (Рисунок 3.1.6 Приложения), где установлено:
1 модуль EV3 в качестве центра управления обеими моделями одновременно и запуска программы;
Средний мотор A, вращающий лопасти ветрогенератора;
Средний мотор D, на котором закреплены кабины колеса обозрения, двигающиеся на данном моторе;
1 датчик касания, на который давит сила ветра и, тем самым, запускает лопасти ветрогенератора, увеличивая их скорость вращения, пока энергия ни начнет передаваться в колесо обозрения для его запуска.
Полное видео работы нашего проекта по программе в среде EV3 (Рисунок 3.1.7 Приложения) можно посмотреть по ссылке: https://drive.google.com/file/d/18Shx4bdbDgIVkX8pLylQna8xsfL75B8P/view
Заключение
Изучив виды альтернативных источников энергии, мы заметили, что несколько последних десятилетий основными источниками энергии в мире являются нефть, уголь и газ. Но так как они являются природными ископаемыми, то запас их иссякаем. Однако многие возобновляемые источники уже повсеместно используются в современном мире, что лишь показывает ещё большую актуальность их внедрения и в сферу развлечений.
А рассмотрев особенности ветряной энергии, мы пришли к выводу, что данный вид энергии с каждым годом становится всё более востребованным во многих странах мира, к тому же, получение энергии с помощью ветра оказывает положительное влияние на многие области государственного развития.
В итоге, проанализировав сферу аттракционов с момента их появления, мы смоделировали на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 один из существующих аттракционов, колесо обозрения, функционирующее от возобновляемого источника энергии – ветра. Поэтому мы считаем, что наш проект можно смело вводить в реализацию в целях перехода на более безопасные и экологичные виды энергии!
Список литературы и интернет-источники:
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
https://feko.com.ua/2016/12/16/vidy-alternativnyh-istochnikov-energii/
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
https://tourist-area.com/istoriya-turizma/istoriya-parkov-razvlecheniy
https://www.vokrugsveta.ru/article/320341/
Приложение
Рисунок 1.1.1 – Статистика использования альтернативных источников энергии
Рисунок 2.1.1 – Статистика использования альтернативных источников энергии
Рисунок 3.1.1 – Процесс Рисунок 3.1.2 – Колесо обозрения
Рисунок 3.1.3 – Закрепление Рисунок 3.1.4 – Готовый аттракцион
Рисунок 3.1.5 – Создание ветрогенератора
Рисунок 3.1.6 – Полный проект
Рисунок 3.1.7 – Программа работы проекта