XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Компенсация и расчет электроэнергии за счет установки ветрогенераторов и замены освещения в сельской школе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мартынов Т.Д. 1

---

1гбоу сош оц с. лопатино

Алексеева В.В. 1

---

1гбоу сош оц с. лопатино

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ветроэнергетика — это неисчерпаемый источник энергии, поэтому применяли ее еще древние наши предки. В третьем десятилетии, например, египтянами был изобретен парус, персы позже придумали ветряные мельницы, облегчившие труд людей.

Генерировать электричество из энергии ветра – возможно. Но сразу оговоримся: объем электрической мощности, которую можно «снять» с домашнего ветрогенератора, напрямую зависит от особенностей местности, в которой мы проживаем.

Поэтому, рассматривая автономную электростанцию как альтернативу местным электрическим сетям, предварительно изучили данные статистики по среднегодовой скорости ветра в своем регионе. Определи перспективность строительства автономной системы помогут таблицы интенсивности ветра, используемые при строительстве ветроэлектростанций (их можно найти с помощью любой поисковой системы). Также сориентироваться в вопросе поможет информация о технических характеристиках существующих ветрогенераторов и личные среднесуточные замеры скорости ветра, выполненные с помощью анемометра – прибора для измерения скорости ветра.

При слабом ветре генератор может вовсе не вырабатывать электричество, при этом свою номинальную мощность устройство развивает только при значительной скорости ветра. Поэтому экономию электроэнергии можно рассматривать в виде замен ламп освещения помещения на более экономичные.

Мощность при ветре 1 – 3м/с – около 3 Вт/ч (как у обычного зарядника от телефона), а при более сильном ветре мощность возрастает. В сутки ветряк вырабатывает примерно 30–60 Вт/ч (при ветре 1 – 3м/с), а при ветре 3 – 5м/с – до 100 Вт/ч. Энергия накапливается в маленьком буферном аккумуляторе, от которого осуществляется зарядка девайсов и работает светодиодное освещение.

я привел пример ветрогенератора небольшой мощности, который изготовлен из стандартной динамо-втулки. Он наглядно демонстрирует, что ветроэнергетика (даже на уровне хобби) имеет вполне реальные перспективы.

В целом, планируя строительство домашней- школьной ветроустановки, не следует ставить перед ней нереальных задач. Но если все сделать правильно – собрать установку, оснащенную аккумуляторами, контроллером и инвертором, то можно получить вполне удовлетворительные результаты (особенно, если ваш участок расположен вдали от централизованных электрических сетей). А дополнив систему солнечными батареями, можно получать энергию даже при полном отсутствии ветра.

Цель проекта: Экономия потребления электроэнергии в ГБОУ СОШ «ОЦ» с.Лопатино с помощью установки ветророгенераторов и замены освещения помещения более экономичными приборами.

Задачи:

1. Собрать информацию о видах источников энергии;

2. Выбрать более выгодный источник энергии

3. Собрать информацию о потребление энергии школой

4. Подобрать необходимое оборудование для исследования

5. Рассчитать период окупаемости оборудования

Актуальность: Альтернативные источники энергии- единственная возможность сохранения планеты, ландшафтных красот, чистого воздуха, воды, земли и недр. Для того, чтобы человечество существовало и стремительно развивалось, необходимо постоянно улучшать способы получения энергии. Поиск новых источников ресурсов – это основная приоритетная задача человечества в новом тысячелетии.

Объект исследования: Альтернативный источник энергии – нахождения или преобразования энергии.

Гипотеза: Возможно, что альтернативные источники энергии помогут сократить потребление энергии в школе с.Лопатино на 30%, а так же замена освещения на более экономичные приборы.

Из чего состоит ветровая электростанция – начнем работу с альтернативного источника энергии.

Сам по себе ветрогенератор (независимо от мощности и других технических характеристик) никогда не сможет обеспечить бесперебойное питание подключенных к нему электроприборов. Скорость ветра – неравномерна. Как следствие, объем мощности, вырабатываемой ветрогенератором в течение суток, может очень сильно меняться (временами ветряк, и вовсе, останавливается). Поэтому классическая схема ветроэлектростанции, которая сможет обеспечивать питание потребителей даже в тихую и безветренную погоду, должна иметь следующий вид:

Где:

ветрогенератор (ВГ) – установка, преобразующая энергию ветра в электричество (состоит из рабочего винта и генератора переменного тока);

контроллер – устройство, которое преобразует переменный ток, поступающий от генератора, в ток постоянный, необходимый для правильной зарядки аккумулятора (еще одна функция контроллера – регулировка оборотов ВГ, но о ней поговорим чуть позже);

аккумуляторная батарея – позволяет накапливать электроэнергию во время работы ветряка и отдавать ее потребителям, когда ВГ перестает вырабатывать электричество; 

инвертор – устройство, которое служит для преобразования постоянного тока напряжением 12В (поступающего в сеть от АБ) в бытовой ток – 220В, обладающий заданной частотой.

Учитывая, что ветрогенератор является ключевым элементом электростанции, параметры, по которым следует его выбирать, мы рассмотрим в первую очередь.

Стартовая скорость ветра и момент страгивания ветряка

В регионах, где штормовые воздушные потоки – большая редкость, основной задачей является выбор ветрогенератора, способного вырабатывать электричество даже при сравнительно слабом ветре (4…5 м/с). Способность установки начинать вращение при небольшом ветре характеризуется величиной его стартовой скорости.

Стартовая скорость напрямую зависит от стартового момента (момента страгивания) ветряка – усилие, которое необходимо приложить на рабочий винт ветрогенератора, чтобы он начал свое вращение. Чем меньше стартовая скорость ветра, тем больше дней в году генератор будет радовать нас альтернативной энергией. Большинство ветрогенераторов, которые используются в домашних условиях, имеют стартовую скорость – 2…3 м/с.

При этом есть отдельная разновидность устройств (с парусным винтом), которые очень чувствительны к движению воздуха.

Они стартуют при значительно меньших скоростях ветра (от 0,2 м/с), но обладают крайне ненадежной конструкцией. Поэтому перспективы их использования мы рассматривать не будем.

Стартовую скорость не следует путать с рабочей и номинальной скоростью, поскольку не всегда при минимальных оборотах ротора генератор способен давать ток, достаточный для зарядки аккумулятора.

Рабочая скорость

Для того чтобы генератор не вращался «вхолостую» (например, при небольшой скорости ветра), его рабочие характеристики должны соответствовать погодным условиям, которые преобладают в нашей местности.

Нормальные быстроходные ветряки начинают заряд аккумуляторов при скорости ветра в 3 – 3.5 м/с.

Скорость ветра, при которой ветрогенератор начинает давать ток на нагрузку – это минимальная рабочая скорость. Номинальная (расчетная) скорость ветра – скорость, при которой силовая установка выходит на свою номинальную мощность.

Основные разновидности ветрогенераторов

Наиболее популярны сегодня классические быстроходные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.

Быстроходными считаются ветряки с минимальным количеством лопастей: 2, 3 или, вовсе, с одной (оснащенной противовесом). При сильном ветре такие генераторы очень быстро вращаются и при этом сильно шумят. Особенно это касается однолопастных устройств. Несмотря на то, что проблема шума может показаться незначительной, относиться к ней следует очень серьезно.

ВГ шуршит: начиная с 5–6 м/с ветер в ушах свистит, заглушая все звуки вокруг. Начиная с 1 кВт, контроллер начинает притормаживать ВГ, после чего устройство начинает не только шуршать, но еще и гудеть.

Самый простой ветрогенератор имеет описание брендового быстроходного ветрогенератора, обороты которого (при скорости ветра в 10 м/с) приближаются к показателю 400 об/мин. Из него можно сделать вывод: располагая ветрогенератор вблизи жилых помещений, целесообразно рассмотреть вариант с тихоходным ВГ (если, конечно, не хотите, чтобы доброжелательные соседи однажды превратились в ваших закоренелых врагов). Такие генераторы ввиду своих аэродинамических особенностей даже при сильном ветре не развивают больших оборотов. К тому же, при сравнительно одинаковой мощности диаметр лопастей у тихоходного ветряка всегда меньше, чем у быстроходного устройства. Это делает проще и монтаж, и эксплуатацию установки.

Горизонтальный тихоходный ветряк – это установка, в конструкции которой имеется более трех лопастей, а показатель быстроходности (Z) соответствует значению Z ≤ 5. Где Z – отношение окружной (концевой) скорости лопастей ветряка к скорости ветра.

На практике характеристики тихоходного ветряка соответствуют следующим параметрам:

Частота вращения 400 об/мин – это далеко не тихоходный винт. 120 об/мин и выдача на этих оборотах номинала мощности – это тихоходный ветряк.

Дополнительным преимуществом тихоходной установки является низкая скорость страгивания. Благодаря высокому крутящему моменту, который лопасти передают на рабочий винт генератора, установка стартует даже при небольшом ветре. Высокий момент образуется за счет большей площади лопастей (в сравнении с быстроходными ветряками).

Из-за большого количества лопастей во время работы перед винтом тихоходного генератора образуется воздушная подушка (ветер не успевает проходить через лопасти). Эта особенность оказывает негативное влияние на производительность установки, и из нее вытекают основные недостатки устройства.

К основным недостаткам тихоходного ветряка можно отнести сравнительно низкий КИЭВ и высокую парусность (которая в штормовую погоду может привести к фатальным для установки последствиям). При этом тихоходные ветряки оснащаются генераторами с увеличенным диаметр ротора, а иногда – дополнительными мультипликаторами, которые облегчают запуск и вращение силовой установки. Перечисленные усовершенствования позволяют увеличить линейную скорость ротора и «снять» с генератора больше мощности при небольших оборотах. Такая конструкция генератора значительно увеличивает стоимость всей установки.

Что касается быстроходных генераторов горизонтального типа: благодаря своей простоте и относительной дешевизне эти устройства получили достаточно широкое распространение. И если в конструкции такой установки реализована защита от бури (например, механизм складывания хвоста при сильном ветре), то единственным неудобством во время ее эксплуатации может стать сильный шум.

Тихоходные горизонтальные ветрогенераторы гораздо реже используются на территории частных домовладений. Во многом это связано с характерными особенностями подобных установок.

Маленьких тихоходных генераторов (мощностью до 600 Вт/ч и с размахом винта в 1,5 метра) не бывает! И это не я так плохо искал, и даже не я так придумал. Это законы природы. Хотите тихоходный и "что-то дающий" ветряк – смотрите на вертикалки. Но весят они (даже слабые) тоже немало – у них большая материалоемкость.

Есть недостатки в виде того, что их конструкция слишком громоздка, или не устраивает низкая производительность устройств (КИЭВ), а еще жалуются на недостаточную способность вертикальных установок к самозапуску и т. д.

Самыми непроизводительными считаются роторы «Савониуса». Их КИЭВ едва ли достигает значения – 0.2.

В то время как средний КИЭВ роторов с аэродинамическими крыльями (роторы «Дарье») равен 0,4 (что совпадает со средним значением КИЭВ горизонтальных ветряков). Роторы Дарье наиболее популярны среди вертикальных установок, используемых в ветроэнергетике.

Несмотря на перечисленные недостатки, если ветрогенератор получил определенное распространение, то есть у него и свои преимущества. У моделей с вертикальной осью вращения они следующие:

при любом направлении ветра лопасти вертикальных установок находятся в рабочем положении;

просты в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте;

во время работы не создают больших вибраций, а, следовательно, не производят сильного шума;

просты в изготовлении.

Как видим, вертикальная конструкция ветрогенератора вполне имеет право на жизнь. Выбирая подобную установку, очень важно учесть ее производительность, а главное – максимальную скорость ветра, характерную для вашей местности. Ведь вертикальный ветряк практически не имеет механической защиты от бури.

Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности

Выбирая ветрогенератор, который развивает номинальную мощность (предположим – 800 Вт/ч) при скорости ветра 8 м/с, не стоит рассчитывать на то, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт/ч.

Значение мгновенной мощности ветрового потока, воздействующего на лопасти генератора, пропорционально скорости ветра, возведенной в куб. На практике это означает следующее: если скорость ветра падает в 2 раза, то мощность, генерируемая ветроустановкой, снижается примерно в 8 раз.

Ниже приведена зависимость мощности от ометаемой площади рабочего винта и скорости ветра.

О мощности: обычно к описанию ветрогенератора прилагается график. Мощность установки зависит от мощности ветра. А мощность ветра пропорциональна скорости ветра в кубе. Но точные параметры генератора проще по графику посмотреть.

График мощности ветрогенератора изначально учитывает КПД установки, который выражается в коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ). Средний КИЭВ современных электроустановок находится в пределах – от 0,3 до 0,4. Исследуя график мощности, следует рассматривать не сколько номинальные характеристики устройства (их можно получить только при ветре 9–10 м/с), сколько показатели, характерные для среднегодовых значений ветра именно в вашей местности (например, 4–5 м/с). Только так можно правильно оценить потенциал того или иного ветрогенератора.

Выбирая устройство по мощности, дополнительно следует учитывать потери на преобразование электроэнергии (из переменного тока в постоянный, а потом обратно – в переменный ток бытовой частоты). Потери выражаются в энергии, которую потребляют во время работы контроллер и инвертор.

У нас в школе, приборы будут работать от переменки – 220В. При этом аккумуляторы дают ток постоянный, и его надо преобразовать в переменный. А это потери (до 10%). Еще есть потери при хранении энергии в аккумуляторах и т.д.

Следовательно, технические характеристики ветрогенератора следует соотносить не только с собственными потребностями в электричестве, но и с неизбежными потерями, возникающими во время работы альтернативной электростанции. Необходимо брать во внимание характеристики преобразователей тока, потери на сопротивление проводников (особенно, если генератор расположен на большом расстоянии от конечных потребителей) и т. д.

Напряжение генератора

В идеале номинальное напряжение на выходе генератора должно соответствовать параметрам ваших аккумуляторных батарей. Например, для двух последовательно соединенных аккумуляторов (12 В) подойдет ветрогенератор номиналом 24В. Для четырех таких аккумуляторов (также соединенных последовательно) подойдет ветряк номиналом 48 В и т. д.

Номинальное напряжение аккумуляторов должно соответствовать номинальному напряжению ветряка.

Некоторые современные контроллеры способны компенсировать большую разницу между выходным напряжением ветрогенератора и номиналом аккумуляторов. Мы рассмотрели ключевые параметры, которые следует брать во внимание, выбирая установку для домашней- школьной электростанции самостоятельно. Но, как гласит народная мудрость: «учиться следует на чужих ошибках». Нам же ничто не мешает использовать это правило применительно к чужим успехам.

Таким образом я решил выбрать ветрогенератор вертикальный: 3 5 Лопасти 600W 24V 48V малый горизонтальный ветрогенератор.

Особенности

Привлекательный дизайн:

Простая установка и обслуживание;

Запатентованная модель генератора;

Низкая скорость запуска и малый крутящий момент;

Высокий показатель конверсии;

Низкая вибрация;

Канавки ступицы и лезвие спроектированы грамотно, т.е. соответствуют ступице и лезвию;

Используемый тефлоновый высокотемпературный провод не допускает перегрузки генератора;

Надежные болты.

Применение

Домашнего и пришкольной территории использования;

гибридных уличных фонарей.

Спецификация

Материал лопастей и корпуса – нейлоновое волокно, литой алюминий;

Магнит – неодимовый;

Габариты – 130х40х30 см;

Колесо ветровое – диаметр 1,9 м;

Клинок длиной 900 мм;

Мощность номинальная и высокая – 600 и 620 Вт;

Масса – 24 кг;

Начальная, номинальная и безопасная скорость ветра – 2,5 м/с, 11м/с и 45 м/с;

Напряжение номинальное -24/48 В;

Число листьев – 3-5;

Управление – электромагнитная система;

Температурный режим – 40-80 градусов.

Такой ветрогенератор очень хорошо подходит для установки на крыши нашей школы по периметру, для облегчения нагрузки на крыше и исключить обвала крыши.

Определение ежедневного потребления электроэнергии в школе (теперь перейдем к замене экономически выгодных приборов по потреблению электроэнергии).

С 10 по 17 ноября 2021 года я посчитал общее количество всех ламп каждого вида, используемых для освещения в школе, записав их мощность, а также количество мониторов, системных блоков, принтеров, проекторов и других используемых электроприборов. Для удобства составил таблицы для учителей и уборщиц школы, по которым можно было оценить в течение какого времени ежедневно используется тот или иной прибор, лампа освещения. Учителя в течение дня записывали, сколько было проведено уроков со светом, выключали ли они свет во время перемен, открывали ли жалюзи в кабинете для поступления естественного света, в течение какого времени они использовали технические средства. Уборщицы были опрошены по тем же вопросам про коридоры, лестницы и подсобные помещения. Я подсчитал общее количество работы в часах для каждого вида ламп и приборов отдельно за день. В течение недели проводились наблюдения за кабинетами в школе, приходили в школу раньше, и записывали время, когда был включен свет в каждом кабинете, когда его отключали. Для определения энергопотребления необходимо мощность прибора умножить на продолжительность его работы. Отдельно для каждого вида ламп и электроприборов сосчитали общее время их работы. Всего в школе длинных люминесцентных ламп – 367 штук, ламп накаливания – 19 штуки, прожекторов – 6 штук, сложили время работы каждой лампы и получили общее время их работы. Энергопотребление численно равно работе тока: А=Pt, где A – работа, P – мощность, t время.  Чтобы получить работу в КВт•ч, мощность всех ламп и электроприборов мы перевели в кВт, для чего значение в Вт разделили на 1000, а время сосчитали в часах. Для определения стоимости потребленной энергии в кВт·ч умножили количество энергии на цену за 1 кВт·ч. Все произведенные расчеты вставили в таблицы.

Анализ полученных данных.

Расход электроэнергии на освещение в среднем за сутки

Таким же образом определили затраты электроэнергии на остальное электрооборудование.

Компьютерная техника

Электрооборудование

По моим расчетам ежедневное потребление электроэнергии в школе составляет 118,76 кВт.  Можно ли считать, что этот результат достоверным? Да, потому что он почти совпадает  с реальным значением потреблением электроэнергии в день. По показаниям счетчика за ноябрь месяц в среднем за 1 сутки получилось 118,4 кВт. (67200 кВт в год).

Способы снижения электроэнергии можно использовать два способа: замена лап и установка ветрогенераторов.

Энергопотребление осветительной установки за некоторый период определяется мощностью осветительного оборудования и его суммарной наработкой за этот период. Значит, снизить потребление электроэнергии возможно двумя основными способами: снижением номинальной (либо текущей) мощности освещения и уменьшением времени работы. Причем это не должно приводить к снижению качества освещения.

Снижение номинальной (установленной) мощности освещения в первую очередь означает переход к более эффективным источникам света, дающим нужные световые потоки при существенно меньшем энергопотреблении. Однако снижение номинальной мощности освещения все же имеет ограниченный потенциал энергосбережения. Например, лучшие из источников света, применяемых в настоящее время для внутреннего освещения, по характеристикам световой отдачи практически достигли предела в 96-104 лм/Вт при одновременном снижении относительных потерь в пускорегулирующей аппаратуре до 10% и менее. Стабильность этого значения также высока и в конце срока службы ламп составляет 80-95% от начального. Это относится и к современным типам светильников, реальные значения, КПД которых составляют 70-80%, а их снижение во времени незначительно.

На долговременную же перспективу можно изыскать, более существенные возможности. Эти возможности связаны с внедрением современных систем управления, регулирования и контроля осветительных установок. Применение регулируемых люминесцентных светильников позволяет эксплуатировать их при сниженной (по сравнению с номинальной) мощности. А это значит, что при неизменной установленной мощности освещения снижается текущая (фактически потребляемая) мощность и энергопотребление.

Использовать это преимущество без снижения качества освещения можно несколькими способами.

Во-первых, возможно несколько снизить световой поток (и, как результат, мощность) ламп в начальный период их эксплуатации, когда отдаваемый новыми лампами световой поток превосходит необходимое значение. По мере старения ламп он может быть плавно увеличен, что, помимо экономии электроэнергии, обеспечивает и повышенную стабильность освещения во времени.

Bo-вторых, нередко количество светильников по строительно-конструктивным, архитектурным или другим соображениям превышает точно необходимое по светотехническим расчетам. Единственный способ избежать перерасхода энергии в таком случае - дополнительное снижение мощности освещения. По оценкам, приведенным в статье «Мероприятия по снижению электропотребления и рациональному использованию электроэнергии» Бедретдинов Рафик  http://www.technolux.info/ Светотехника на портале ЭкспертЮнион [2], потенциал экономии электроэнергии только в этих двух случаях может составлять от 15 до 25%.

В-третьих, если принять во внимание наличие в помещениях естественного освещения в светлое время суток, даже сниженная за счет компенсации указанных избытков освещенности мощность светильников окажется завышенной по сравнению с необходимой. Рациональным использованием дневного освещения (переходом от искусственного освещения к комбинированному) удается добиться наиболее значительной экономии энергии, так как во многие моменты времени суток светильники могут быть вообще отключены либо включены на минимальную мощность (1-10% от номинальной). Экономия электроэнергии при этом составит 25-40%.  

Итак, все перечисленное сводится к тому, что снизить потребление электроэнергии можно за счет изменения мощности ламп, а как регулировать мощность? А так же установив альтернативный источник электроэнергии- ветрогенератор.

Диммером (от англ. dim - "затемнять") называют регулятор электрической мощности нагрузки, включаемый последовательно с ней. Диммер позволяет плавно или ступенчато изменять напряжение, подаваемое на осветительный прибор, регулируя тем самым яркость его свечения, Википедия.

 Диммеры для люминесцентных ламп. Для диммирования люминесцентных ламп используют специальные электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) с возможностью управления. Процесс управления люминесцентной лампой весьма непрост с технической точки зрения, и в его подробностях я еще не разобралась. Но поняла, что ЭПРА при диммировании уменьшают величину подаваемого на электроды лампы напряжения,  увеличивают его частоту (ее величина может достигать 100 кГц) и силу тока. Лампа при этом плавно изменяет свою яркость, но срок ее службы не сокращается. Управляемые ЭПРА в соответствии с существующими в светотехнике стандартами  делятся  на два класса: аналоговые и цифровые.

В аналоговых устройствах на управляющий вход ЭПРА либо устанавливается потенциометр, с помощью которого можно изменять величину управляющего напряжения, либо подается постоянное напряжение управления (аналоговый сигнал) в интервале 1-10 В. Яркость лампы при этом изменяется от 1 до 100 %. Количество подключаемых к аналоговым ЭПРА ламп производители указывают в паспорте прибора. Цена комплекта используемых для регулирования устройств колеблется в пределах 800-1000 руб. Например, есть 700, 800, 1000 и 1500 Вт, значит, они рассчитаны на 38, 44, 55 и 83 люминесцентные лампы мощностью 18 Вт, таким образом, 1 диммера достаточно на коридор.

Экономия электроэнергии доходит до 25% в стандартом включении, т.е. тратится меньше электричества для создания определенного уровня освещенности. А по мере увеличения естественного света можно уменьшать яркость люминесцентных ламп и тем самым потреблять гораздо меньше электроэнергии.

В литературе я обнаружил еще одно достоинство использования ЭПРА -обеспечивается стабильный световой поток при пульсациях напряжения питания, устраняя тем самым эффект "усталости глаз" при работе за компьютером. Согласно гигиеническим нормам уровень пульсаций светового потока должен быть
- в помещениях, оборудованных компьютерами не более 5% (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03)
- в учреждениях общего образования, начального, среднего и высшего специального образования – 10% (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03). Таким образом, использование диммеров в школе приводит к выполнению требований СанПиН.

Лампы накаливания целесообразнее всего заменить энергосберегающими лампами, три лампы по 60 - 80 Вт, можно заменить одной энергосберегающей лампой 36 Вт, уровень освещенности при этом не изменится, экономия при этом составит 80%.

Среднее время работы в день общего количества этих ламп уменьшится в три раза.  Энергопотребление составит 0,036•370/3=  4,44 кВт·ч за один день, это в 5 раз меньше.  

Вот представлена сравнительная таблица КЛЛ и ламп накаливания.
Данные таблицы убедительно показывает преимущество энергосберегающих ламп.

Но и у энергосберегающих ламп имеются свои недостатки.

Недостатки энергосберегающих ламп

Ртуть и фосфор хоть и в очень малых количествах, присутствуют внутри энергосберегающих ламп.

Фаза разогрева длится примерно 2  минуты,

Неприспособленна  к функционированию в низком диапазоне температур (-15-20ºC),

Лампы "не любят" частого включения и выключения.

Высокая цена. Цена энергосберегающей лампочки  в 10-20 раз дороже обычной лампочки накаливания.

Основная проблема: утилизация  

Я решил разобраться в том, что же из себя представляет лампа накаливания. Лампа накаливания – это источник искусственного света, преобразовывающий электрическую энергию в световую за счет нагревания металлической спирали, так называемого тела накала. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из вольфрама и сплавов на его основе. Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции, лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы. Срок службы лампы накаливания составляет примерно 1000 часов. При увеличение напряжения срок службы снижается. Старая добрая «лампочка-груша» с ее теплым приятным светом и сегодня для многих продолжает оставаться символом искусственного света. Такие ее качества, как простота, доступность и универсальность объясняют ее большую популярность.

Для начала поговорим о плюсах ламп накаливания.

Преимущества: 

малая стоимость

небольшие размеры

ненужность пускорегулирующей аппаратуры

быстрый выход на рабочий режим

невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения

отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

возможность работы на любом роде тока

возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)

отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе

непрерывный спектр излучения

не боятся низкой температуры окружающей среды  

Но, а сейчас разберем ее недостатки.

Недостатки: 

низкая световая отдача

относительно малый срок службы

хрупкость и чувствительность к удару

цветовая температура лежит только в пределах 2300—2900 K, что придаёт свету желтоватый оттенок

лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее.

«Мифы» о вреде…

Миф №1. Все энергосберегающие лампы вредны, т.к.  содержат пары ртути,  и неэкологичны.
Информация Интернет: Например, в КЛЛ Uniel, "Фотон" и ряда других производителей не применяются вредные для человека и природы пары ртути. В колбу вместо жидкой ртути вводится металлический сплав (т.н. "амальгама" - амальгама кальция). Данная технология расширяется. 

Миф №2. Энергосберегающие лампы вредны для глаз.
Информация Интернет: сам по себе встроенный балласт обеспечивает частоту разрядов 30-50 кГц - это 30-50 тысяч раз за секунду, что уже совершенно незаметно для глаз.

Миф №3. Ультрафиолетовое излучение от КЛЛ может вызвать раздражение    кожи.
Информация интернет: Воздействие на человека люминесцентного освещения гораздо меньше, чем воздействие естественного солнечного.

Из вышеперечисленного делаем вывод:

 - лампы накаливания очень удобны и практичны в использовании и изготовлении, а также они фактически не наносят вреда окружающей среде Из главных недостатков можно отметить только большую затрату электроэнергии и малый (по сравнению с энергосберегающими лампами) срок работы.

Компьютерная техника также играет немаловажную роль в количество используемой энергии. Так как компьютер используется регулярно на уроках информатики, в административной работе, а также учителями при проведении уроков, причем во время перерывов компьютеры не выключаются, чтобы не тратить дополнительное время на их включение и выключение. Чтобы уменьшить расход электроэнергии, потребляемой компьютерной техникой, необходимо после завершения работы на время перерыва, перемены ставить компьютер в спящий режим, при этом количество потребляемой энергии уменьшается. Проектор выключать после его использования. Так как мощность проекторов большая, а также длительная работа проектора приводит к порче лампы, а это основная часть проектора, и для её ремонта будут необходимо дополнительные затраты. В среднем замена лампы проектора может обойтись школе в 8 – 10 тысяч рублей.

Оценка затрат на приобретение выбранных способов снижения потребления энергии

Необходимо приобрести 60 энергосберегающих ламп примерной стоимостью 120 рублей, что составит 7200 рублей, и снизит ежедневные расходы по этой статье с 50 рублей до 10 рублей. Таким образом, ежедневная экономия составляет 40 рублей, значит, все эти лампы окупятся за  180 дней. Учитывая, что в учебном году 210 дней, можно утверждать, что замена ламп накаливания на энергосберегающие лампы не повлечет дополнительных расходов, зато на следующий год позволит сэкономить 210•40=8400 рублей, которые можно использовать на приобретение диммеров. Необходимо приобрести 14 диммеров по приблизительной стоимости 800 рублей, у нас уже будут 8400 рублей сэкономленных, и мы затратим еще 2900 рублей на приобретение диммеров (всего 11300 рублей). Экономия электроэнергии по статье люминесцентные лампы при этом составит 25-40%, т.е. 40-60 рублей в день, а это 8400-12600 рублей. Таким образом, без дополнительных вложений, за два года можно заменить лампы накаливания на энергосберегающие лампы, установить диммеры, и на третий год сэкономить 16800-21000 рублей на оплате электроэнергии. Про анализировав полученные данные можно сделать вывод, о том, что так же сэкономить на электроэнергии путем установки ветрогенераторов на крыши здании школы. Можно частично покрыть все затраты за три года и оплачивать электроэнергию в размере 50% от стоимости кВт\часа.

Таким образом рассчитав экономическую часть с заменой лап, необходимо рассчитать приобретение и установку ветрогенераторов (ветрогенератор вертикальный: 3 5 Лопасти 600W 24V 48V малый горизонтальный ветрогенератор) на школу.

Площадь учебного заведения ГБОУ СОШ «ОЦ»с. Лопатина составляет - 2010 кв.метров. Используя эти данные можно установить на крыше ветрогенераторы в размере - 7 шт.

Вложив в приобретение устройства сотни тысяч рублей, вправе рассчитывать на его очевидную выгоду и окупаемость ветряка. Попробую рассчитать цену киловатта электроэнергии на стандартной модели генератора мощностью 4-5 кВт. При скорости ветра 4-5 м/с, (При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки), устройство даст около 350 кВт за месяц, или 4200 кВт за год. Срок службы генератора – около 25 лет, стоимость большинства моделей устройств – в пределах 280 000 рублей. Делим стоимость на произведение годовой выработки и срока эксплуатации: 280 000 / 4200*25 = 2,666 рубля. Таким образом, стоимость киловатта энергии окупаемого ветрогенератора будет составлять чуть более 2,5 рубля. По сравнению с актуальным уровнем цен выгода есть, но она не так велика, как хотелось бы при использовании альтернативных источников энергии.

Приведенные выше расчеты дают другой результат, если скорость ветра составит около 7-8 м/с. В месяц ветрогенератор мощностью 6-7 кВт даст около 780 кВт или в год 9000 кВт. При стоимости таких ветряков около 310 000 получим следующий результат: 310 000 / 9000*25 = 1,3722 рубля.

Таким образом можно сделать следующие выводы: по приведенным результатам, которые наглядно доказывают окупаемость расходов на приобретение и запуск ветрогенератора. Тем более что:

Стоимость киловатта постоянно растет вследствие инфляции.

При использовании ветряка объект становится энергонезависимым.

«Излишки» выработанной электроэнергии могут накапливаться и храниться на случай безветренной погоды благодаря системе бесперебойного питания.

Немало объектов, удаленных от сети централизованного энергоснабжения, вынуждены существовать в условиях отсутствия электричества, поскольку их подключение нерентабельно.

Школа в среднем в год потребляет 67200 кВт\час. При установке ветрогенераторов на крыше задания школы – можно сэкономить на электроэнергии при таких расчетах более 30% и плюс экономия до 15% составит на замене лап и оборудования. То есть в последствие ветрогенераторы полностью окупятся и сэкономленные деньги можно будет использовать в различных целят, так, например, благоустроить пришкольную территорию.

Заключение

На мой взгляд задуматься об экономии электроэнергии необходимо на школьной скамье. Я считаем тему исследования очень интересной и важной, особенно в современных условиях. Электричество необходимо нам ежеминутно, ежесекундно. Все системы работают за счет электричества. Отключение электричества на сутки – парализует работу всех систем. Проблема энергосбережения стала на сегодняшний день одной из самых актуальных проблем во всем мире. Многие государства начали приводить меры по экономии электроэнергии. В Российской Федерации тоже принято решение о переходе на энергосберегающие технологии.

Еще в ноябре 2009 года президент России подписал Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Так же сейчас набирают обороты альтернативные источники света – солнечные батареи и ветрогенераторы.

Президентская комиссия по модернизации намерена осуществить переход России с ламп накаливания на более перспективные технологии, которыми и являются светодиодные лампы.

На данный момент светодиодные лампы – самые дорогие и эффективные из существующих источников домашнего освещения. Продолжительность горения светодиодной лампы в 30 раз выше, чем у лампы накаливания, а потребление электроэнергии в 10 раз ниже.

Сегодня экономией электроэнергии занимаются государство, коммерческие организации, частные лица. Постепенно эта работа становится неотъемлемой частью жизни человека, т. к. источники энергии иссякают, а новые источники электроэнергии еще не используются в полную меру сил.

Я, выполнив свой проект, определил, занимаемся ли я и работники школы энергосбережение в нашей школе, что и как можно изменить, как уменьшить энергозатраты. Для определения способов энергосбережения источником информации в основном были сайты интернета. Анализ количества потребляемой электроэнергии выполнили самостоятельно с помощью расчетов. 

 Реальное потребление электроэнергии, показания электросчетчика, совпало с нашими расчетами. Подсчитан не только расход электроэнергии, но и были выявлены несколько способов снижения ее потребления, без особых влияний на бюджет школы.

Из вышеперечисленного делаю вывод, что лучше использовать энергосберегающие и светодиодные лампы, так как лампы накаливания хотя и очень удобны, и практичны в использовании и изготовлении, а также они фактически не наносят вреда окружающей среде и цена покупки радует, однако отмечается большая затрата электроэнергии и малый (по сравнению с энергосберегающими лампами) срок работы. Для экономии электроэнергии также следует следить за горящими почти весь рабочий день лампами, выключать, если достаточно естественного освещения.

Компьютерная техника также играет немаловажную роль в количество используемой энергии. Так как компьютер используется регулярно на уроках информатики, в административной работе, а также учителями при проведении уроков, причем во время перерывов компьютеры не выключаются, чтобы не тратить дополнительное время на их включение и выключение. Чтобы уменьшить расход электроэнергии, потребляемой компьютерной техникой, необходимо после завершения работы на время перерыва, перемены ставить компьютер в спящий режим, при этом количество потребляемой энергии уменьшается. Проектор выключать после его использования. Так как мощность проекторов большая, а также длительная работа проектора приводит к порче лампы, а это основная часть проектора, и для её ремонта будут необходимо дополнительные затраты. В среднем замена лампы проектора может обойтись школе в 8 – 10 тысяч рублей.

Познакомившись с учебной литературой, сайтами в интернете я узнал, мы (научный руководитель моего проекта) узнали для себя очень много новой информации, которая пригодится нам в жизни. Также в процессе работы над проектом мы повторили знания об электричестве, изучили историю источников освещения.

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества. Начиная с XIX века электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют для освещения (электрическая лампа) и передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина). В целях получения электричества созданы оснащенные электрогенераторами электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи. Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка), создания музыки (электрогитара) и т.д..

Электрический ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Первая лампочка накаливания появилась в 1878 году. Ее изобрел Томас Эдисон.

Томас Эдисон жил и работал в Соединенных Штатах Америки всю свою жизнь. Он был самым продуктивным изобретателем из всех. За свою жизнь он запатентовал 1 093 разнообразных изобретений, включая электрическую лампу накаливания.  В 1876г. он открыл первую в мире научно-исследовательскую лабораторию и назвал ее "фабрикой изобретений". Однако некоторые изобретатели обвиняли его в том, что он присваивал их  открытия. В 1877г. Эдисон создал фонограф - одно из знаменитых своих изобретений. Этот аппарат записывал и воспроизводил звук. Поначалу фонограф продавали как забавную игрушку. Но затем Эдисон и другие изобретатели так его усовершенствовали, что появилась возможность записывать даже музыку.

 В 1878г. английский ученый Джозеф Сван (1828-1914) изобрел электрическую лампочку. Это была стеклянная колба, внутри которой находилась угольная нить накаливания. Чтобы нить не перегорала, Сван удалил из колбы воздух. В следующем году знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847-1931) также изобрел лампочку. После опытов с нитями из различных веществ он остановил свой выбор на обугленных волокнах бамбука. В 1880г. Эдисон начал выпуск безопасных лампочек, продавая их по 2,5 доллара. Впоследствии, Эдисон и Сван создали совместную компанию "Эдисон энд Сван Юнайтед Электрик Лайт компани".

В  1880-е была «война токов между Томасом Эдисоном, придумавшим постоянный ток и Николой Тесла, открывшим переменный ток. Оба хотели, чтобы их системы широко использовались, но победил переменный ток, за простоту получения, больший КПД и меньшую опасность.

  В некоторых районах Южной Америки и Африки, где не было проведено электричество, можно было внутри жилища увидеть закрытые стеклянные банки, наполненные светлячками! Такие «лампы» давали на зависть яркий свет!

В пожарной дружине калифорнийского города Ливермор висит электрическая лампочка мощностью 4 ватта, работающая практически непрерывно с 1901 года. Гасла она лишь несколько раз при отключениях электричества и два раза при переезде.

Используемая литература и Интернет-сайты.

Журнал «Физика в школе» - 2012 – 2014 г.

Хрестоматия по физике: Учеб. пособие для учащихся средн. шк./ Сост. А.С.Енохович и др.: Под ред. Б.И.Спасского – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1987.

 Блудов М.И. Беседы по физике ч.2. Учеб. пособие для учащихся/ Под ред. Л.В.Тарасова – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 1985.

Научные забавы. Физика: опыты, фокусы и развлечения: пер. с фр. / Том  Тит; худож. А. Пойэ, Г. Нексов. – М.: АСТ: Астрель, 2008. – 222, (2) с.

http://www.technolux.info

http://edu.rin.ru/

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/metod/

Приложение 1.

Работа над проектом «Эффективное использование электроэнергии в школе на основание альтернативного источника электроэнергии и замена экономически выгодных электроприборов».

Определение целей и задач проекта. Постановка проблемы.
Составление плана работы. Определение основных этапов работы над проектом.

Внесение данных в компьютер и их обработка. 

Составление сводной таблицы данных. 

Подведение итогов. Оформление проекта.

Приложение 2