XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Альтернативная энергетика. Ветрогенератор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В В Е Д Е Н И Е
Когда летом я ехал отдыхать в Сочи, то из окна поезда увидел огромные установки, похожие на вентиляторы. Они в большом количестве располагались на полях в Ростовской области. Папа сказал, что это ветрогенераторы – источники электроэнергии. Впечатленный их количеством и размером, я заинтересовался, что такое ветрогенератор, решил исследовать эту тему и попробовать изготовить модель ветрогенератора.
Объект исследования: ветрогенератор.
Предмет исследования: процесс создания модели ветрогенератора.
Цель: самостоятельно создать источник электрического тока, который работает от ветра.
Задачи: 1) узнать об альтернативных источниках энергии;
2) изучить историю ветроэнергетики;
3) изготовить модель и провести её испытание;
4) проанализировать полученные результаты, сделать выводы.
Гипотеза: ветрогенератор может быть изготовлен и испытан в домашних условиях.
Методы исследования: сбор информации, моделирование, наблюдение, эксперимент (испытание), анализ.
Актуальность: Потребность в энергетических ресурсах возрастает ежедневно, а запасы привычных носителей энергии сокращаются. Поэтому использование альтернативных источников энергии становится с каждым годом всё более актуальным.
ГЛАВА 1. Альтернативная энергетика
1.1. Альтернативные источники энергии
Человек открыл действие электричества довольно давно. Начиная с XIX века, электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Без него просто невозможно представить нормальную жизнь. Электричество светит, греет, даёт нам возможность общаться друг с другом на огромных расстояниях. С помощью электричества работают различные приборы и механизмы, без которых мы не можем обойтись.
Для удовлетворения огромных потребностей человечества в электроэнергии она должна производиться непрерывно. Для этого люди строят электростанции – тепловые и гидроэлектрические.
Самыми безопасными и недорогими источниками энергии являются природные. Вместо традиционной энергетики, где применяются нефть, газ или уголь, сегодня ученые разрабатывают другие способы получения электричества. Человечество постоянно открывает всё новые источники энергии и изобретает новые способы её выработки. Люди научились добывать энергию при помощи океанских волн и течений, тёплых подземных источников, солнечных лучей, порывов ветра. [1]
Для преобразования энергии волны в электроэнергию сооружают волновые электростанции. Их монтируют непосредственно в воду. Энергия волн в небольших масштабах используется для питания электроэнергией маяков. [6]
Тёплые подземные источники позволяют получать электрическую и тепловую энергию из недр земли без использования обслуживающего персонала. Строительство геотермальных электростанций не очень затратно. Однако геотермальные районы сейсмически активны и удалены от потребителя, термальные воды обычно сильно минерализованы.
Солнечная энергетика – самый дорогой из всех альтернативных видов электроэнергии. Да и применять его можно не везде – только в странах с большим количеством солнечных дней в году. Лидерами по использованию этого вида энергии являются Германия, Индия и Испания.
По темпам прироста ветроэнергетика обгоняет все другие альтернативные источники.
1.2. Ветроэнергетика
Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения.
Человечество в течение тысячелетий почти до XX века довольно интенсивно пользовалось энергией ветра для мореплавания, помола зерна, подъёма воды и много другого. Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра для движения, был парус.
В XX веке, когда появились тепловые двигатели и электромоторы – источники энергии, пусть менее удобные и более дорогие, но зато более стабильные и надежные, использование энергии ветра значительно сократилось. Однако в связи с истощением доступных запасов нефти и загрязнением окружающей среды интерес к ветроэнергетике в последние годы возродился. [5]
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична.
Первая ветряная электростанция — «мельница» Блита диаметром 9 метров — была построена в 1887 году на его даче в Великобритании. (Приложение 1) Блит предложил избыточную электроэнергию со своей «мельницы» жителям для освещения главной улицы, но получил отказ, так как те считали, что электроэнергия — это «работа дьявола». [3]
Ветроэнергетика России отсчитывает свою историю с 1920-х годов, когда были разработаны первые ветроэлектрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Установка могла освещать до 200 дворов. Ветроэнергетика использовалась преимущественно в сельской местности с малой плотностью населения, где доступ к основным источникам энергии ограничен.
Сегодня самая большая в России площадка – в Ростовской области. (Приложение 2) Там построено уже шесть ветропарков. Башня каждого ветрогенератора в высоту почти 90 метров, это как три девятиэтажных дома, поставленных друг на друга. Сотня таких установок способна обеспечить электроэнергией полумиллионный город. Примечательно, что производят их на 80% в нашей стране, а период от начала монтажа до запуска составляет всего 17 дней. [2]
Так называемая «зелёная энергетика» получает своё развитие и в других регионах: в Ставропольском крае, Астраханской области и Крыму.
Главными преимуществами ветрогенераторов можно назвать следующие:
- экологическая безопасность – деятельность установок не вредит окружающей среде и живым организмам;
- отсутствие сложностей в конструкции;
- простота использования и управления;
- независимость от электрических сетей.
Среди недостатков данных устройств специалисты выделяют такие:
- высокая стоимость;
- небольшая мощность. [4]
ГЛАВА 2. МОЯ МОДЕЛЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
2.1. Изготовление модели
Процесс создания модели ветрогенератора состоял из двух этапов. Первый – это подготовка необходимых материалов. (Приложение 3) Площадку и мачту я сделал из панели ПВХ.
Важная часть моей модели – генератор. Он преобразовывает энергию ветра в электрическую. Его я взял из старой игрушечной машинки.
Затем я приготовил светодиод и два проводка для передачи электроэнергии от генератора светодиоду.
Ещё одна важная деталь ветрогенератора – винт. От скорости его вращения будет зависеть количество вырабатываемой электроэнергии. Для эксперимента я приготовил два винта. Большой сделал сам из картона и деревянных палочек для суши.
Когда все материалы готовы, можно переходить ко второму этапу – сборке модели. (Приложение 4)
Сначала на площадке я установил светодиод, затем к мачте прикрепил генератор. Теперь нужно соединить генератор со светодиодом. Папа помог мне припаять одни концы проводков к генератору, а другие – к крокодильчикам. Затем я закрепил крокодилов на контактах светодиода и поставил винт. Модель ветрогенератора готова! (Приложение 5)
2.2 Испытание модели
Чтобы проверить мою модель, я провёл испытания.
Испытание-1 (Приложение 6)
Я начал дуть на винт ветрогенератора. Сначала лопасти вращались медленно, светодиод не загорался. Тогда я стал дуть сильнее. Винт закрутился быстрее, энергия ветра по проводку передалась диоду, он мигнул. Силы потока воздуха, который я выдувал, было недостаточно, чтобы диод горел. Тогда я взял фен. Струя воздуха, направленная на винт, закрутила лопасти. Светодиод загорелся.
Вывод: для того, чтобы диод горел, необходимы два условия: сильный ветер и его постоянство.
Испытание-2 (Приложение 7)
Я провел такое же испытание с большим самодельным винтом. Лопасти крутились медленно, светодиод не загорался. Чтобы выяснить причину отсутствия электроэнергии, я решил измерить напряжение, которое выдает мой ветрогенератор. Для этого я использовал вольтметр.
При замере напряжения с маленьким винтом вольтметр показал значение около двух вольт. Этого достаточно, чтобы светодиод горел.
При замере напряжения с самодельным большим винтом значение прибора было менее одного вольта. Тяжелый, громоздкий винт не мог достаточно быстро раскрутиться даже под сильной струёй воздуха. Но ведь лопасти ветрогенераторов, которые я видел в Ростовской области, крутились медленно. Тогда я выяснил, что в этих конструкциях используются редукторы.
Вывод: для выработки большего количества электроэнергии в самодельный ветрогенератор необходимо ставить редуктор. Этот механизм позволит снизить усилия, которые прилагаются для вращения винта, и при этом увеличит скорость вращения генератора.
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
В ходе своей работы я с интересом познакомился с различными альтернативными источниками энергии. Узнав о безопасности ветроэнергетики для природы и для человека, я разобрался с устройством ветрогенератора, создал свою модель и испытал ее в действии. Цель, которую я ставил перед собой, достигнута.
Проведя испытание своей модели, я сделал следующие выводы:
- возможно создать источник электроэнергии, который работает только на энергии ветра;
- для работы ветрогенератора необходим постоянный сильный ветер;
- для получения большего количества электроэнергии в ветрогенератор нужно ставить редуктор;
- при отсутствии ветра можно использовать накопленную в аккумуляторных батареях избыточную энергию или другие источники;
- использование ветрогенераторов экономит природные ресурсы и семейный бюджет.
- сама по себе энергия не может закончиться. Каждое дуновение ветра исправно производит свою порцию энергии. Но мы пока только учимся пользоваться ею.
Итак, моё предположение о том, что ветрогенератор может быть изготовлен и испытан в домашних условиях, подтвердилось.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Азбука энергетики/ Источники энергии//Моя энергия –(www.myenergy.ru/kds/energy-sources)
Вести. В Ростовской области появился шестой ветропарк / Новости от 02.07.2021 18:02 (https://smotrim.ru/video/2313876)
Ветряная электростанция// Википедия – свободная энциклопедия - (https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветряная_электростанция)
Все о ветрогенераторах (https://stroy-podskazka.ru/generatory/vetrogenerator)
Энергия, век двадцать первый/ В.В. Володин/ М.: Детская литература, 2001
Энергия волн как альтернативный источник энергии/ Всё об альтернативной электроэнергии/ Экоэнергия (https://ekoenergia.ru/alternativnaya-gidroenergetika/energiya-voln.html)
Приложение 1
Первая ветряная электростанция (справа на фото) и ее создатель Джеймс Блит
Приложение 2
Ветропарк в Ростовской области
Приложение 3
Материалы, необходимые для изготовления модели ветрогенератора
Приложение 4
Сборка модели
Приложение 5
Моя модель ветрогенератора
Приложение 6
Испытание-1
Приложение 7
Испытание-2