XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение электрической энергии при помощи ветряных генераторов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
У всех нас дома есть электричество, и мы уже не представляем жизнь без этой энергии. Обычно, электрическую энергию получают на электростанциях, сжигающих уголь или газ. Но не так давно я узнал, что электрическую энергию можно получать и другим способом, например, благодаря простому ветру. Меня очень заинтересовала эта тема и я решил разобраться, как же получают электрическую энергию из ветра?
Я прочитал, что с энергией ветра человечество познакомилось очень-очень давно. Самое раннее известное использование энергии ветра — это изобретение парусов у лодок около 5000 году до н.э. Сейчас нам, конечно, кажется – а в чем тут сложность? Но эти первые моряки-изобретатели были не просто первыми, кто придумал более простой способ добраться по реке или по морю из города в город. Оказывается, это изобретение стало основой для других изобретений, начиная с самых первых ветряных мельниц, которые приводились в действие парусами и заканчивая самолётами.
Вообще, строго говоря, энергия ветра – это разновидность солнечной энергии, так как ветер появляется благодаря неравномерному нагреванию поверхности планеты Солнцем. Где-то поверхность нагревается быстрее, а где-то быстрее остывает, из-за этого и происходит перемещение воздуха, которые мы и называем ветром.
Солнечные панели уже можно увидеть на улице, например на пешеходных переходах. А может ли энергия ветра стать настолько же востребованной и простой в использовании?
Цель работы – создать рабочую модель ветрогенератора и оценить эффективность использования ветрогенераторов.
Задачи работы:
– познакомиться с альтернативными источниками энергии;
– изучить строение ветрогенераторов;
– получить электрическую энергию при помощи ветрогенератора;
– изготовить простую модель прибора, который сможет получить энергию из ветра;
– разобраться в плюсах и минусах такого способа получения энергии.
Методы:
– изучение информации об источниках энергии в сети Интернет;
– моделирование - создание своего ветрогенератора;
– эксперимент получения электрической энергии;
– фотографирование.
2. Основная часть. Источники энергии.
2.1 Какие бывают источники энергии?
Традиционные источники энергии, такие как уголь, газ и нефть, при сжигании выделяют парниковые газы и различные вещества, которые оказывают влияние на изменение климата и загрязняют окружающую среду. Нефть служит топливом для автомобилей, самолетов и поездов. Такие источники энергии называют ископаемыми, поскольку они добываются изнутри нашей планеты.
Для выработки электричества, очень часто используются электростанции, сжигающие уголь и газ.
Рисунок 1. Фото электростанции, работающей на сжигании угля.
К счастью, наука позволяет нам пользоваться иными источниками энергии, которые не загрязняют нашу атмосферу – например энергией Солнца и энергией ветра. Такие источники энергии еще называют альтернативными или возобновляемыми.
Возобновляемая энергия поступает из источников, которые восполняются естественным путем, например, как солнце и ветер. Такие источники энергии не закончатся, можно сказать, никогда, пока светит Солнце и у нашей планеты есть атмосфера.
Далее я более детально рассмотрю энергию ветра, как источник получения энергии.
2.2 Из чего состоит оборудование для получения энергии из ветра?
Для преобразования энергии ветра в электрическую энергию используются ветряные турбины или ветрогенераторы. Еще их называют ветряками или ветряными мельницами потому, что внешне они очень сильно похожи на старые мельницы. В настоящее время существует очень много разных моделей ветрогенераторов. Основные типы – это вертикальные ветрогенераторы, с вертикальным расположением ротора и генератора относительно земли и горизонтальные ветрогенераторы, когда ротор и генератор расположены параллельно земле.
Рисунок 2. Фото ветрогенератора с вертикальным расположением оси
Рисунок 3. Фото ветрогенератора с горизонтальным расположением оси
Большинство ветряных турбин состоят из 3 основных частей (Приложение 4):
- башня – это длинный столб, который стоит на земле, а внутри башни находятся электрические кабели, по которым идёт электричество;
- лопасти – как у обычной мельницы, которые соединяются с центральной ступицей (ротором);
- гондолы – это такая коробка за лопастями, в которой находится генератор, который и вырабатывает электрическую энергию.
Рисунок 4. Основные части ветрогенератора
2.3 Как это работает?
Подобно гигантской вертушке, лопасти ветряной турбины будут вращаться при ветре. Современные промышленные ветрогенераторы могут работать даже при очень слабом ветре. Лопасти прикреплены к ротору. А ротор прикреплен к приводному валу, который ведет в гондолу за лопастями и приводит в действие генератор. Генератор в свою очередь вырабатывает электроэнергию, которая поступает дальше по кабелям внутри башни дальше в электросеть.
Рисунок 5. Схема работы ветрогенератора
Ветряные турбины, используемые в настоящее время, практически всегда размещаются группами или рядами, называемыми "ветряными электростанциями".
2.4 Достоинства и недостатки получения энергии из ветра
Как я уже говорил, энергия ветра в настоящее время является самым дешевым и экологически чистым видом возобновляемой энергии.
Всё кажется хорошо, но вот тут возникает проблема: ветер переменчивый. Иногда он дует, иногда нет, и трудно предсказать более чем на несколько часов вперед, что он будет делать.
Например, ветряная электростанция может содержать 100 ветряных турбин, то есть это очень мощная электростанция. Но сколько электроэнергии она будет производить на самом деле, очень сильно зависит от скорости ветра.
Если ветер достаточно сильный – такая электростанция будет производить очень много электрической энергии. Но как только ветер прекратится совсем – она не будет производить ничего. И это, конечно, основной недостаток ветряных генераторов.
Кроме того, такие электростанции требуют для своего размещения огромных площадей, желательно в прибрежных зонах около моря или океана, где ветер дует чаще и сильнее.
Для решения проблемы, когда ветра нет, возможно стоит использовать ветряные генераторы в связке с другими источниками, например с солнечными батареями. А также, вероятно, можно использовать специальные приборы для накопления энергии – суперконденсаторы. Благодаря им, можно накапливать избыточную энергию, когда ветер сильный, и потом, когда ветра нет, расходовать накопленную электрическую энергию.
3. Исследовательская часть
3.1 Сборка ветрогенератора
Для сборки я выбрал готовый модульный конструктор. В наличии материалы – башня, лопасти с ротором, гондола с генератором, светодиод и вольтметр. Опишу последовательность своих действий:
Сначала прикрепим лопасти к ротору.
Рисунок 6. Прикрепление лопастей к ротору.
Затем внутрь гондолы поместим генератор, который будет вырабатывать электрическую энергию.
Рисунок 7. Установка генератора в гондолу.
На верхнюю часть гондолы прикрепим светодиод.
Рисунок 8. Установка светодиода.
Затем протянем кабели через башню в основание ветрогенератора.
Рисунок 9. Прокладка кабелей от генератора через башню.
В основании ветрогенератора установим прибор для измерения напряжения – вольтметр.
Рисунок 10. Установка вольтметра в основание ветрогенератора.
Подключаем вольтметр и собираем основание.
Рисунок 11. Подключение вольтметра.
Готово! У меня получилось собрать маленький ветрогенератор. Он полностью готов к эксперименту.
Рисунок 12. Полностью собранная модель.
3.2 Эксперимент с получением электрической энергии
Теперь настало время для эксперимента. Для того, чтобы получить ветер будем использовать обычный фен. Направляя воздушный поток на лопасти ветрогенератора, видим, что светодиод начинает светиться и стрелка прибора вольтметра стала показывать на наличие напряжения.
Если мы приблизим фен к лопастям – ветер получится сильнее и светодиод начнёт светиться ярче, а вольтметр будет показывать более высокое напряжение.
Рисунок 13. Эксперимент. Выработка электроэнергии. Увеличении мощности.
А при отдалении фена – ветер становится слабее и светодиод светится менее ярко и вольтметр показывает более низкое напряжение.
Рисунок 14. Эксперимент. Выработка электроэнергии. Снижение мощности.
4. Заключение
В результате моей работы я познакомился с альтернативными источниками энергии и собрал рабочую модель ветрогенератора.
А в результате эксперимента я убедится в том, что:
— от скорости ветра (а значит и от скорости вращения ротора и генератора) зависит мощность ветрогенератора;
— это очень чистый источник энергии, не загрязняющий нашу планету;
— такой способ получения энергии не постоянен и сильно зависит от того, где такие ветряные генераторы располагаются;
— для получения достаточного количества энергии нужны огромные промышленные ветрогенераторы.
Я считаю, что энергию ветра можно и нужно использовать максимально там, где это возможно. Мой маленький ветрогенератор получил небольшую энергию, чтобы смог заработать светодиод. А чтобы получать большое количество электрической энергии из энергии ветра для освещения целого города требуются огромные промышленные ветрогенераторы, объединенные в ветряные электростанции.
5. Список использованной литературы
Michael, G. R. Why Can't We Generate All Our Energy From Wind Power? / G. R. Michael. — Текст : электронный // https://www.howstuffworks.com/ : [сайт]. — URL: https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/why-cant-we-generate-all-our-energy-from-wind-power.htm (дата обращения: 30.01.2023).
Trevor, English What's the Difference Between a Windmill and a Wind Turbine? / English Trevor. — Текст : электронный // https://www.howstuffworks.com/ : [сайт]. — URL: https://science.howstuffworks.com/windmill-vs-wind-turbine.htm (дата обращения: 30.01.2023).
Elizabeth, Peterson How Do Wind Turbines Work? / Peterson Elizabeth. — Текст : электронный // https://www.livescience.com/ : [сайт]. — URL: https://www.livescience.com/45192-how-do-wind-turbines-work.html (дата обращения: 30.01.2023).
Сибикин, Ю. Д. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — Москва : Кнорус, 2010. — 232 c. — Текст : непосредственный.
Свен, Уделл Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии / Уделл Свен. — Москва : Знание, 1980. — 144 c. — Текст : непосредственный.