XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Энергия ветра
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На крыше соседнего дома установлен ветряной генератор, который всё время крутится. Летом мы ездили на берег озера в Удмуртии, расположенном в лесу. И я обратил внимание, что там абсолютно нет ветра. В Уфе же очень сильный ветер постоянно. Поэтому мне стало интересно узнать, как это работает и какие свойства этого природного явления.
Ветер – это энергия из природных явлений и его можно превратить в электричество, которое является очень важным ресурсом для разных задач. Сейчас сложно представить свою жизнь без электрических приборов, которые облегчают жизнь или делают ее более интересной и приятной. В основном электричество получают из нефти, газа и угля, но их осталось очень мало. А ветер есть всегда.
Цель исследования: Изучить особенности получения энергии из ветра.
Задачи исследования:
Изучить способ определения направления ветра.
Изучить на модели силу ветра в зависимости от точки расположения источника ветра и приемника энергии.
Определить на модели влияние угла расположения направления ветра и приемника энергии.
Определить количество выделяемой энергии в зависимости от скорости ветра.
Гипотезы:
- в любой местности есть своя определенная роза ветров;
- сила воздушного потока зависит от расположения ветряного генератора;
- количество выделяемой энергии ветряным генератором зависит от скорости ветра и его направления.
Методы исследования:
наблюдение;
эксперимент;
анализ.
Теоретическая часть.
Роза ветров.
Ветер – это природное явление, которое есть в любое время года. В древности люди придумывали божеств, связанных с ветром. Ветер помогал в разных делах, например, перемалывать муку с помощью ветряных мельниц, или передвигаться на парусных лодках и кораблях. А сейчас ветряные генераторы помогают вырабатывать электричество. Для того, чтобы делать это эффективно нужно знать разные свойства ветра и особенности работы ветряных генераторов.
Интересный факт: ветер впервые стали применять как источник энергии в I веке нашей эры. Тогда он выполнял механическую работу в виде ветряной мельницы, которая была сконструирована Героном. Ветряная мельница предназначалась для предоставления энергии в орган. Спустя 6 веков появляются настоящие ветряные мельницы в арабских странах (регион Систан на стыке двух стран – Ирана и Афганистана).
Ветер – воздушный поток, двигающийся вдоль поверхности Земли, и образуется за счет неравномерного распределения атмосферного давления.
Главная характеристика ветра – это роза ветров. Ветер имеет свое направление, которое зависит от многих характеристик природы: расположения деревьев, полей, морей и других географических объектов. Розу ветров необходимо учитывать при строении домов, планировании городов, расположении аэропортов.
Роза ветров представляет собой график, который характеризует в метеорологии и климатологии режим ветра в определенном месте, исходя из наблюдений, проводимых в течение многих лет.
В действительности у «Розы ветров» есть богатая история. С момента изобретения символ использовали мореплаватели, как профессиональную эмблему. Ветер был незаменимым помощником для моряков. Данные о направлении и сезонных особенностей ветров помогали капитану корабля максимально точно ориентироваться в пространстве и безошибочно корректировать курс, чтобы уверенно вести судно в дальние плавания.
Первые в мире полноценные розы ветров изображали на портоланах, то есть морских навигационных картах, в XV веке. До того времени символ напоминал стилизованную стрелку классического компаса. Термин «роза ветров» существует и в геральдике. К примеру, символ нанесен на некоторые городские гербы.
Рисунок. Геральдическое обозначение розы ветров.
В современности символ играет роль оберега для путешественников, дальнобойщиков и моряков.
Очень важно знать основные направления ветров. Эту информацию можно использовать для:
- прогноза погоды (по основным расположениям теплых и холодных ветров предсказывают изменения погодных условий в теплую или холодную сторону);
- планирования строительства домов и заводов (сведения о преобладающих воздушных потоках позволяют размещать населенные и промышленные районы таким образом, чтобы не отравлять население загрязненным воздухом);
- определения расположения стен зданий, входов в них (благодаря этому будет легче сохранять тепло в жилых помещениях зимой, в направлении входов не должны дуть ветра);
- ориентации взлетно-посадочных полос, что бы самолетам было проще взлетать и приземляться.
Метеорологические службы много лет ведут наблюдения за погодой, в том числе и за скоростью и направлением ветров в той или иной местности. Данные можно найти на многих сайтах и в разной форме: таблицы, графики, векторные диаграммы и прочее. На рисунке представлена векторная диаграмма розы ветров в городе Уфа с сайта http://stroydocs.com/info/e_veter .
Рисунок. Векторная диаграмма розы ветров в г.Уфа.
Как видно из рисунка в зависимости от времени года преобладающее направление ветров отличается очень сильно. Летом в основном дует с севера, летом – с юга.
Ветряные генераторы.
Устройства, которые преобразуют энергию ветрового потока в механическую энергию с последующим её преобразованием в электрическую энергию называют ветряными генераторами.
Рисунок. Ветряные генераторы.
Первый ветряк, использующийся для производства электроэнергии, был построен в Шотландии в июле 1887 г. профессором Джеймсом Блит в колледже Андерсона. Его диаметр был равен 10 метрам. Он был установлен в саду его коттеджа и использовался для зарядки аккумуляторов. Аккумуляторы в свою очередь были нужны для питания освещения в коттедже. Блит предложил излишки электроэнергии для освещения главной улицы, однако, жители отклонили предложение, поскольку они думали, что электричество было "работой дьявола." Несмотря на это, Блит построил ветряные турбины для поставки аварийного питания местного лазарета и диспансера. Никто не обратил внимания на его изобретение, посчитав их экономически невыгодными.
В наши дни с развитием техники ветрогенераторы стали мощнее и производительнее, но принцип действия остался прежним: сила ветра вращает лопасти ветряного колеса, которое передает крутящий момент на вал генератора посредством системы передач, в дальнейшем в генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую.
Производительность ветряных генераторов зависит от размеров лопастей и генератора, а также от высоты расположения ветрогенератора. Воздушные потоки на разной высоте ведут себя неодинаково. Вблизи земли их сила снижается, и скорость замедляется из-за ландшафта, тормозящего перемещение ветра. Чем выше находится ветряное колесо, тем мощнее поток воздуха, попадающий на него.
Плюсы и минусы ветряных электростанций.
Плюсы.
Ветряные электростанции сегодня довольно востребованы, что связано с рядом причин.
Во-первых, производство электроэнергии таким способом намного дешевле, да и позволяет экономить богатства недр.
Во-вторых, запасы силы ветра неисчерпаемы.
В-третьих, такие мельницы имеют простое устройство, поэтому их монтаж производится довольно быстро.
В-четвертых, такие устройства абсолютно безопасны для окружающей среды, что тоже очень важно.
Минусы.
С другой стороны, как и любой другой источник энергии, ветряные электростанции имеют и минусы.
Во-первых, ветряные конструкции работают довольно шумно, значит, располагать их нужно вдали от жилых объектов.
Во-вторых, такие мельницы могут стать помехой для радио- и телеприборов. Еще один минус – подобные установки могут навредить летящим птицам, поэтому возводить их нужно там, где нет мест их миграции и гнездования.
Таким образом плюсов применения больше, чем минусов. Кроме этого ветряные генераторы можно использовать совместно с другими экологически чистыми источниками энергии, например, с солнечными батареями.
Рисунок. Макет совместного использования ветряных генераторов и солнечных панелей.
В республике Башкортостан активно используют энергию ветра и солнца для обеспечения безопасности на дорогах. Благодаря современным лампам, которым не требуется большая мощность возможно организовать освещение на пешеходных переходах на трассах за городом и даже работу светофоров по требованию.
Такая система ветряного генератора и солнечной панели устанавливается на столбе рядом с пешеходным переходом. Принцип работы заключается в том, что при свечении солнца (день, не пасмурная погода, панели не закрыты снегом) и (или) при наличии ветра солнечная и ветряной генератор вырабатывают электричество, которое накапливается в аккумуляторах. При наступлении темного времени суток система начинает работать.
Рисунок. Применение ветряного генератора и солнечной панели для работы светофора
Рисунок. Применение ветряного генератора и солнечной панели
для освещения
Практическая часть.
Эксперимент 1. Определение направления ветра
Цель эксперимента: определить розу ветров возле моего дома.
Инструменты: деревянная палочка, тонкая тесьма, компас.
Ход эксперимента:
Тонкую тесьму я привязал на один конец деревянной палочки и таким образом получился флажок, который легко поднимался даже небольшим ветром.
Палочку держал вертикально в руках и наблюдал в какую сторону тесьма направлялась.
Рисунок. Определение направления ветра с помощью компаса.
Используя компас, я определил, что ветер направлен на север что соответствует розе ветров осенью в нашем районе.
Вывод: данные о розе ветров в разных источниках соответствуют действительности.
Эксперимент 2. Определение силы воздушного потока в зависимости от расположения источника ветра.
Цель эксперимента: определить зависит ли сила воздушного потока от расположения источника ветра.
Инструменты: деревянная палочка, тонкая тесьма, вентилятор напольный с переключением скорости обдува.
Ход эксперимента:
Тонкую тесьму я привязал на один конец деревянной палочки и таким образом получился флажок, который легко поднимался даже небольшим ветром.
Палочку держал вертикально в руках и наблюдал на сколько сильно поднималась тесьма в зависимости от расположения ее относительно вентилятора.
Рисунок. Определение силы воздушного потока в верхней точке.
Рисунок. Определение силы воздушного потока в центральной точке.
Рисунок. Определение силы воздушного потока за пределами вентилятора.
Вывод: воздушные потоки ведут себя неодинаково при разных расположениях относительно источника ветра
Эксперимент 3. Определение влияния скорости ветра на электрический ток, вырабатываемого ветряным генератором.
Цель эксперимента: определить как изменится величина электрического тока, вырабатываемого ветряным генератором, при изменении скорости ветра.
Инструменты: ветряной генератор, гальванометр, плата, проводники (электронный конструктор «Знаток. Альтернативная энергия»), вентилятор напольный с переключением скорости обдува.
Ход эксперимента:
Собрал электрическую схему, используя генератор, гальванометр, плату и проводники из набора электронного конструктора «Знаток. Альтернативная энергия».
Рисунок. Электрическая схема для измерения силы тока, вырабатываемого ветряным генератором.
Расположил плату с деталями напротив напольного вентилятора, как показано на рисунке
Рисунок. Расположение электрической платы и вентилятора.
Напольный вентилятор имеет возможность менять скорость обдува. На рисунке видны переключатели: 1, 2, 3.
Рисунок. Переключатели скорости обдува у напольного вентилятора.
Снял показания гальванометра схемы при изменении скорости обдува. Результаты представлены на рисунках ниже.
Рисунок. Показание гальванометра при отключенном вентиляторе.
Рисунок. Показание гальванометра при скорости обдува вентилятора 1.
Рисунок. Показание гальванометра при скорости обдува вентилятора 2.
Рисунок. Показание гальванометра при скорости обдува вентилятора 3.
Составил таблицу для сравнения полученных показаний:
|
Скорость обдува вентилятора |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
Показание гальванометра |
0 |
1 |
1,5 |
2,5 |
Вывод: чем больше скорость ветра, тем больше электричества вырабатывается.
Эксперимент 4. Определение влияния взаимного расположения направления ветра и ветряного генератора.
Цель эксперимента: определить как влияет взаимное расположение направления ветра и ветряного генератора на величину электрического тока, вырабатываемого ветряным генератором.
Инструменты: ветряной генератор, гальванометр, плата, проводники (электронный конструктор «Знаток. Альтернативная энергия»), вентилятор напольный с переключением скорости обдува.
Ход эксперимента:
Располагал плату с деталями напротив напольного вентилятора, меняя угол относительно вентилятора. Скорость обдува вентилятора – 3.
Рисунок. Расположение платы совпадает с расположением вентилятора.
Рисунок. Расположение платы не совпадает с расположением вентилятора.
Рисунок. Расположение платы занимает промежуточное положение.
Снял показания гальванометра схемы при изменении скорости обдува.
Составил таблицу для сравнения полученных показаний:
|
Расположение платы |
совпадает с расположением вентилятора |
промежуточное положение |
не совпадает с расположением вентилятора |
|
Показание гальванометра |
2,5 |
1,5 |
0 |
Вывод: величина электрического тока зависит от расположения в пространстве лопастей ветряного генератора и направления ветра.
Заключение.
Ветер – природное явление, которое может стать источником доступной энергии. Для достижения желаемых результатов нужно изучить все свойства ветра и другие явления и процессы, которые могут повлиять на получение энергии.
В процессе экспериментов были доказаны гипотезы:
- в любой местности есть своя определенная роза ветров;
- сила воздушного потока зависит от расположения ветряного генератора;
- количество выделяемой энергии ветряным генератором зависит от скорости ветра и его направления.
Список литературы
Энциклопедия «Бережем нашу планету» Сиднева С., РОСМЭН, 2020.
http://stroydocs.com/info/e_veter
https://kipmu.ru/chto-takoe-roza-vetrov-i-kak-ona-sostavlyaetsya/
https://wika.tutoronline.ru/geografiya/class/5/ponyatie-rozy-vetrov-v-prirode-i-geografii