XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ретроспективное моделирование ветряных установок
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Ветряные мельницы в древности
Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма. Другим примером древнего ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.
Горизонтальные ветряные мельницы.
Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана, ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 - 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах, датируемых десятым веком.
Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.
Вертикальные ветряные мельницы
Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.
Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.
Козловая мельница.
Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.
Этот тип ветряных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор, пока мощные башенные мельницы не заменили их полностью.
Башенная мельница.
К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции - башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.
В ерхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебёдок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии.
Фото. 1 Башенные ветряные мельницы.
Шатровая мельница
Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом, либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.
При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.
Фото 2. Шатровая ветряная мельница.
Иранские ветряные мельницы.
В иранском городе Наштифан до сих пор функционируют ветряные мельницы, которым около 1000 лет. За сохранность объекта отвечает последний хранитель Мухаммад Этебари. Он очень переживает, что после его смерти за уникальными древними конструкциями будет некому следить.
Изготовлены мельницы из натуральной глины, соломы и древесины. Каждая состоит из 8 вращающихся камер, в каждой камере на вертикальной оси крепиться на шипах 6 лопастей, выполненных из досок.
После того, как камеры начинают вращаться под действием силы ветра, это приводит к повороту главной оси ветряной мельницы. Вибрации, создаваемые таким вращением, постепенно сдвигают зёрна к дробилкам и измельчают их в муку.
Фото 3. Действующая Иранская ветряная мельница.
Китайская ветряная мельница.
Ещё один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской, использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Эти мельницы изготавливались из прочного бамбука. Такой тип мельниц нельзя повторить без использования этого материала.
Фото 4. Китайская ветряная мельница.
Вавилонские мельницы.
Древние Вавилонские мельницы наиболее эффективны с точки зрения использования воздушного потока, так как, имели входной диффузор для усиления мощности рабочей турбины. Вертикальный вал не требовал механизма передачи, что определяло меньшие затраты на изготовление этих мельниц.
По данным английских археологов, на раскопках в Ираке, были обнаружены небольшие ветряные мельницы, изготовленные в глинобитном варианте (сплетенную из лозы стенку набивали глиной). Ветровая турбина то же изготавливалась (плелась) из лозы.
Фото 5. Древняя Вавилонская мельница.
Цель и задачи проекта
Основная цель проекта – ретроспективное моделирование ветряных установок.
Задачи:
1.Спроектировать, изготовить и испытать макет европейской ветряной мельницы.
2.Спроектировать, изготовить и испытать макет иранской ветряной мельницы.
3.Спроектировать, изготовить и испытать макет древней вавилонской мельницы
Проектирование, изготовление и испытание макета европейской ветряной мельницы.
П ередача вращения валов на этой мельнице называется зубчатой. Древняя зубчатая передача отличается от современной (шестеренчатой) тем, что основное усилие передаётся с помощью двух зубьев, изготовленных из дерева.
Фото 6. Устройство редуктора макета европейской ветряной мельницы.
Диаметр зубчатого колеса 70 мм, был выбран из условия общих габаритных размеров макета мельницы 350 мм.
Длина зубьев 30 мм, обусловлен тем, что эта величина позволяет удобно регулировать сцепление зубчатого редуктора.
Длина одной лопасти 350 мм, общий диаметр лопастей 700 мм. Эти размеры согласуются с общими габаритными размерами макета мельницы 350 мм.
Проектирование, изготовление и испытание макета иранской ветряной мельницы.
Т урбины изготовлены из пластиковых трубок. В просверленные отверстия были вставлены палочки ПВХ и к ним прикреплены лопасти.
Фото 7. Макет иранской ветряной мельницы в разобранном виде.
Фото 8. Макет иранской ветряной мельницы.
Длина вертикального вала привода макета мельницы составляет 300 мм.
Лопасти выдвинуты по диаметру 100 мм, в 50 мм. от центра вертикального вала.
Размер одной лопасти 23 × 220 мм. В просверленную трубу вставлена поперечные балки, а на них прикреплены по 6 деревянных лопастей.
В каждой турбине закреплено по 6 лопастей, сделанных из дерева.
Проектирование, изготовление и испытание макета вавилонской ветряной мельницы.
Стенки были изготовлены из медного двухжильного провода, переплетённого на шпильки. Турбина изготовлена из 6 лопастей ПВХ насаженные на крышки. На верхней крышке вырезаны 6 отверстий для выхода ветра.
Фото 8. Макет вавилонской ветряной мельницы.
Стенки вавилонской ветряной мельницы сплетены из медного двухжильного провода на стальные шпильки М6.
Турбина сделана из 6 лопастей (50×75 мм), установленных на крышки, которые закреплены на вертикальную ось, выполненную из стальной шпильки М10.
Диаметр верхней крышки, изготовленной из фанеры, 210 мм. На крышке вырезаны 6 отверстий для выхода отработанного потока воздуха.
Расчет себестоимости изготовления макета вавилонской ветряной мельницы.
Расходы на материалы макета вавилонской ветряной мельницы.
Таблица 1.
|
Наименование |
Стоимость единицы, руб. |
Количество |
Цена руб. |
|
Фанера |
1000 |
0,2 м² |
200 |
|
Шпильки М6 |
300 |
2,28 м |
684 |
|
Шпильки М10 |
350 |
0,2 |
70 |
|
Гайки М6 |
25 |
45 |
1125 |
|
Гайки М10 |
30 |
4 |
120 |
|
Подшипник |
450 |
1 |
450 |
|
Медный провод |
170 |
4,15 м |
706 |
|
Пластиковые крышки |
2 |
4 |
8 |
|
Лопасти ПВХ |
175 |
0,3 |
53 |
|
Итого: |
2436 |
Затраты на электричество при изготовлении макета
вавилонской ветряной мельницы.
Таблица 2.
|
Наименование операции |
Мощность инструмента, кВт |
Время работы, часы |
Стоимость эл. энергии, 1 кВт/ч, руб. |
Цена затраченной энергии, руб. |
|
Пиление лобзиком |
0,75 |
0,5 |
4,3 |
1,6 |
|
Шлифование |
1,1 |
0,3 |
4,3 |
1,4 |
|
Фрезерование |
1,7 |
0,2 |
4,3 |
1,5 |
|
Склеивание |
0,3 |
1 |
4,3 |
1,3 |
|
Соединение шурупами |
0,45 |
1,5 |
4,3 |
2,9 |
|
Итого: |
8,7 |
Общая стоимость затрат изготовления макета вавилонской ветряной мельницы, без учета заработной платы, составит: 2444,7 рубля.
Расчет себестоимости изготовления макета иранской ветряной мельницы.
Расходы на изготовление макета иранской ветряной мельницы.
Таблица 3.
|
Наименование |
Стоимость единицы, руб. |
Количество |
Цена руб. |
|
Фанера |
1000 |
0,127 |
127 |
|
Шурупы Саморезы |
0,5 |
48 |
24 |
|
Пластиковые трубы |
48 |
0,64 |
31 |
|
Листы ПВХ |
175 |
0,08 |
14 |
|
Дерево (сосна) |
10000 |
0,001 |
10 |
|
Итого: |
204 |
Затраты на электричество макета иранской ветряной мельницы.
Таблица 4
|
Наименование операции |
Мощность инструмента, кВт |
Время работы, часы |
Стоимость эл. энергии, 1 кВт/ч, руб. |
Цена затраченной энергии, руб. |
|
Пиление лобзиком |
0,75 |
0,5 |
4,3 |
1,6 |
|
Шлифование |
1,1 |
0,3 |
4,3 |
1,4 |
|
Фрезерование |
1,7 |
0,2 |
4,3 |
1,5 |
|
Строгание |
1,2 |
0,3 |
4,3 |
1,5 |
|
Соединение шурупами |
0,45 |
1,5 |
4,3 |
2,9 |
|
Итого: |
7,4 |
Общая стоимость затрат изготовления макета иранской ветряной мельницы, без учета заработной платы, составит: 211,4 рубля.
Расчет себестоимости изготовления макета европейской ветряной мельницы.
Расходы на изготовление макета европейской ветряной мельницы.
Таблица 5.
|
Наименование |
Стоимость единицы, руб. |
Количество |
Цена руб. |
|
Фанера |
1000 |
0,73м² |
730 |
|
Саморезы |
0,5 |
60 |
30 |
|
Шпилька М8 |
350 |
0,83 |
290 |
|
Гайки М8 |
30 |
20 |
600 |
|
Удлинённая гайка М8 |
50 |
1 |
50 |
|
Шайбы М8 |
1 |
6 |
6 |
|
Древесина |
10000 |
0,004 |
40 |
|
Итого: |
1747 |
Затраты на электричество при изготовлении макета
европейской ветряной мельницы.
Таблица 6.
|
Механизированная операция обработки |
Мощность |
Время обработки |
Стоимость 1 кВт/ч, руб. |
Цена руб. |
|
Пилние лобзиком |
0,75 |
2 |
4,3 |
6,5 |
|
Шлифование |
1,1 |
1,5 |
4,3 |
7,1 |
|
Точение |
1,25 |
1,5 |
4,3 |
8.1 |
|
Соединение шурупами |
0,45 |
1,5 |
4,3 |
2,9 |
|
Итого: |
24,6 |
Общая стоимость затрат изготовления макета европейской ветряной мельницы, без учета заработной платы, составит: 1771,6 рубля.
Выводы по проектной работе:
Спроектирован, изготовлен и испытан макет европейской ветряной мельницы. На его изготовление затрачено: 1771,6 рублей.
Спроектирован, изготовлен и испытан макет иранской ветряной мельницы. На его изготовление потребовалось: 211,4 рублей.
Спроектирован, изготовлен и испытан макет древней вавилонской мельницы. На его изготовление ушло: 2444,7 рублей.
Общая стоимость затрат изготовления макетов европейской, иранской и древней вавилонской мельниц, без учёта заработной платы, составила: 4427,7 рублей.
Заключение:
В результате проектной работы удалось изготовить и проверить на работоспособность 3 типа ветряных мельниц. Эти мельницы изготавливаются из местного материала, что определяет их конструктивную особенность и специфичность применения.
Представленная работа указывает на то, что не следует увлекаться одним типом устройств для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Исторический (мировой) опыт показывает, что преобразователи с вертикальными турбинами стоят дешевле, просты и практичны в изготовлении и служат очень долго, не требуя особых затрат на их содержание и ремонт. Повальное увлечение дорогостоящими пропеллерными ветрогенераторами привело всю Европу к энергетическому коллапсу. Нельзя ставить все ресурсы на однотипные ветряки и солнечную энергетику. Совсем ничтожно употребление морской энергетики, в которой сосредоточено более 80% всей возобновляемой энергии нашей планеты.
Литература и источники информации.
|
|
|
1. Ветряная мельница – устройство, принцип работы, история, фото. https://ru.beautiful-houses.net/2010/08/vetrjanye-melnicy-foto.html
2.Ветряная и водяная мельницы. Схемы, чертежи мельниц. http://poselenie.ucoz.ru/publ/6-1-0-58
3.Мельницы.ветряные мельницы, история, типы и конструкции. https://www.liveinternet.ru
4.Статья. Древние ветряные мельницы в городе Наштифан в Иране https://tourweek.ru/blogs/3024277
5.Статья. Почему СССР был лидером в ветроэнергетике, а теперь России приходится всех догонять
https://www.kp.ru/putevoditel/nauka/vetrogeneratory-v-rossii/