XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ветрогенератор как альтернативный источник энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество непрерывно развивается. В нашу жизнь прочно вошли различные достижения науки и техники: телефоны, микроволновые печи, лампы накаливания и многое другое. Но, как известно, все они требуют для своей работы электричество. Здесь возникает главный вопрос – где взять необходимое количество электроэнергии? Сейчас существуют два принципиальных подхода к решению этой проблемы: традиционная (АЭС, ТЭС, ГЭС) и альтернативная энергетика. Именно последнее направление получило пристальное внимание учёных по всему миру, так как часть экологических проблем вызвана производством электричества.
Актуальность темы обусловлена тем, что на сегодняшний день все страны мира осуществляют поиск новых источников энергии, которые, с одной стороны, способны удовлетворить растущие потребности человечества, а, с другой стороны, будут максимально экологичными.
Целью исследовательского проекта является изучение альтернативных источников энергии (АИЭ), а также создание и оценка эффективности модели ветрогенератора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить понятие и виды альтернативных источников энергии;
рассмотреть принципы их работы;
собрать модель генератора;
оценить эффективность его использования.
Объектом исследования является ветрогенератор.
Предметом исследования является ветрогенератор как альтернативный источник энергии.
Гипотеза: предполагается, что ветрогенератор может эффективно использоваться в качестве альтернативного источника энергии.
Для решения поставленных задач и проверки гипотезы были использованы следующие методы исследования: изучение литературы, анализ,сравнение, наблюдение, измерение, обобщение, эксперимент, моделирование.
Практическая значимость данного проекта заключается в возможности его использования на уроках физики для ознакомления кадет с альтернативной энергетикой.
Исходя из поставленных задач, структура исследования представлена введением, двумя главами, заключением, списком литературы, приложением.
Глава 1. Теоретическое обоснование использования АИЭ
1.1. Энергия Солнца
Солнечная энергетика основана на использовании солнечного излучения для получения энергии. Общее количество лучистой энергии, достигающее поверхности Земли, составляет за год 9,5 * 1017 КВт*ч. Это в 32000 раз больше всей вырабатываемой человечеством из других источников (минеральное топливо, гидроэнергия и т.д.). [5, с 5]. Как следствие, мы имеем источник огромного количества экологически чистой энергии.
Процесс преобразования солнечных лучей в электроэнергию носит название фотовольтаического. Простыми словами процесс можно описать следующим образом: солнечный свет попадает на солнечную панель, состоящую из фотоэлементов. Фотоны передают энергию электронам, которые от этого приходят в движение. Как следствие, возникает электрический ток.
В качестве основного материала для производства фотоэлементов используют кремний. Это обусловлено его значительной распространённостью в земной коре (второй после кислорода) и достаточной изученностью как материала.
Фотоэлементы представляют собой пластины (панели) различных размеров, достаточно гибкие. За счет этого они весьма практичны в использовании. К тому же, они устойчивы к осадкам и перепадам температур.
Среди преимуществ использования солнечной энергетики можно выделить:
экологичность
доступность основных составляющих фотоэлементов
неисчерпаемость
снижающаяся себестоимость
Но, несмотря на это, есть ряд недостатков:
зависимость от погодных условий и времени суток
влияние географического положения (широты местности) на производительность панелей
необходимость в периодической очистке от загрязнений
В целом, можно сказать, что солнечная энергетика – достаточно важное и перспективное направление в развитии энергетики в целом. Являясь достаточно экологичной, она уже способна выступить в роли альтернативы традиционным источникам.
1.2. Энергия ветра
Ветряная энергетика основана на преобразовании кинетической энергии движения потоков воздуха. Вероятно, ветряные мельницы – это один из древнейших АИЭ, наравне с водяным колесом. Принцип работы ветряной электростанции предельно прост: несколько ветрогенераторов расположены рядом. Ветер дует в их лопасти, приводя их в движение. Они в свою очередь вращают ротор самого генератора, который и преобразует энергию ветра в ток.
Ветрогенераторы по типу расположения оси кручения лопастей бывают:
вертикально, под прямым углом к потокам воздуха
горизонтально, параллельно воздушным потокам
горизонтально, перпендикулярно потокам воздуха (как водяное колесо)
Ветрогенераторы рентабельно использовать лишь при постоянном сильном ветре или при отсутствии других АИЭ. Так как оборудование для них дорогое и их выработка сильно зависит от скорости ветра, то их использование как единственного источника энергии весьма сомнительно. Как вариант, можно использовать энергию ветра в случае недолгих перебоев в снабжении от основного источника (например, дизельного/бензинового генератора) [3,6].
Итак, для ветрогенераторов имеем следующие положительные стороны:
простота конструкции
экологичность, безотходность
легкость в эксплуатации
независимость от сетей электроснабжения
Но при этом имеем следующие недостатки:
высокая стоимость оборудования, долгая окупаемость
низкий КПД
В целом, использование энергии ветра возможно, но не в качестве основного источника энергии, а в сочетании с другими источниками энергии.
1.3. Энергия приливов
Гидроэнергетика в качестве средства получения энергии использует воду. Один из вариантов получения энергии из воды – строительство приливных электростанций (ПЭС). Их принцип основан на разнице уровней воды при приливе-отливе. Во время прилива вода поднимается и заполняет верхнее водохранилище. Далее, во время отлива она через каналы уходит ниже, приводя в движение турбины, те в свою очередь приводят в движение динамо-машины, которые и генерируют электричество.[4,6].
Из преимуществ данного способа можно выделить:
цикличность получения энергии (2 раза в сутки)
возможность примерного расчёта получаемой энергии ввиду примерного постоянства уровня прилива-отлива
Но, данный способ получения энергии также имеет следующие недостатки:
рентабельность лишь в местах со значительной разницей уровней прилива-отлива
необходимость в наличии достаточно ровной местности для строительства
ПЭС - хорошая альтернатива традиционным источникам энергии, так как, даже в отличие от ГЭС, которая нарушает экосистемы водоёмов, они являются полностью экологичными и весьма эффективными. Эффективность, однако, зависит также от КПД установленных турбин. Но, несмотря на эти преимущества, эффективное использование ПЭС возможно лишь в нескольких местах на планете, например, Персидский залив, Аляска, север европейской части России.[3].
1.4. Термальная энергия
Термальная энергетика основывается на использовании глубинного тепла Земли для получения как электроэнергии, так и непосредственно самого тепла.
Как известно, с понижением вглубь Земли температура растёт. В земной коре содержится отличный теплоноситель – вода. Именно её, а также водяной пар используют в термальной энергетике.
В некоторых местах пары, а также различные смеси газов сами выходят на поверхность. При этом они достаточно высокой температуры и под большим давлением. По большей части, это происходит в сейсмоактивных районах. Это гейзеры, вулканы, горячие источники и просто струи жидкости/газа. Их можно использовать для вращения турбин ЭС, обогрева домов и других помещений.
Сам процесс работы термальных электростанций прост – горячие пары и газы поднимаются вверх, вращают турбины и отдают тепло, затем снова закачиваются в скважину. Тепло идёт на обогрев, электричество – в сеть.
Этот способ получения энергии можно считать самым надёжным, так как тепло не зависит от времени года, ископаемых ресурсов и доступно постоянно.[2,3,6].
Но также возможны затруднения в связи с:
охлаждением воды/газа при подъёме
сейсмической активностью местности, где расположена ЭС
опасностью прорыва газов, в частности углекислоты и сероводорода
Данный метод можно считать эффективным в районах с доступными источниками глубинного тепла. В других же районах, где их нет, не всегда оправдано их использование.
1.5. Энергия из биотоплива
Биоэнергетика основывается на производстве энергии из различного биотоплива.
Биотопливо бывает нескольких видов:
твердое (древесина, щепки, солома, навоз)
жидкое (биодизель)
биогаз
Твердое биотопливо сжигается для получения тепла. Биогаз получается из биологических отходов путем их сбраживания. После загрузки отходов в резервуар их подогревают и перемешивают. Под действием бактерий они начинают разлагаться, и выделяется газ. Оставшуюся массу отходов можно использовать в качестве удобрений. В дальнейшем газ можно либо сжигать для получения тепла, либо направлять его на лопасти генератора, для получения энергии.[1].
Данный способ получения энергии имеет следующие преимущества:
В процессе горения в окружающую среду не выделяется вредных веществ.
После сгорания не остается грязи и отходов.
Биотопливо легко транспортируется.
Но также имеются следующие недостатки:
Увеличения площадей посева под культуры для биотоплива, уменьшает площадь посевов под продовольственные культуры.
Интенсивная вырубка леса
В целом, биоэнергетика является перспективным направлением. Люди постоянно производят отходы, эти отходы необходимо утилизировать. Биоэнергетика частично решает две проблемы: утилизация биологических отходов и получение энергии.
Таким, образом, в настоящее время человечеству доступны несколько решений проблем, связанных с сохранением окружающей среды и получением энергии. Каждое из этих решений имеет как свои преимущества, так и недостатки.
В качестве общих преимуществ можно выделить:
возобновляемость источников энергии
высокий КПД по сравнению с традиционными источниками энергии
экологичность
Среди недостатков можно выделить следующее:
зависимость от определенных условий (ветер, погода, время суток)
дорогостоящее оборудование
необходимость модернизации
Для эффективной реализации этих решений необходимо уделить внимание развитию данных направлений. На данном этапе мы можем лишь частично использовать возможный потенциал альтернативных источников энергии. Но с дальнейшим развитием технологий станет возможным уменьшение доли традиционных и увеличение доли возобновляемых источников энергии.
Глава 2. Практическое использование АИЭ
2.1. Выбор типа генератора
В практической части нашего исследования перед нами стоят следующие задачи:
собрать модель генератора
рассчитать его КПД
Для определения наиболее оптимального типа генератора рассмотрим наш регион – Оренбургскую область:
ввиду отсутствия морского/океанического побережья, использование приливных ГЭС невозможно;
использование термальных ЭС не эффективно из-за отсутствия мест выхода газов/паров на поверхность;
высаживание культур для производства биотоплива для его последующего сжигания не рентабельно, т.к. есть более дешёвое топливо – природный газ.
Остаются два источника энергии: ветер и Солнце, рассмотрим их.
Рисунок 1. Скорость ветра в течение года
К
ак видно из рисунка 1, средняя скорость ветра в Оренбурге в течение года составляет около 6 м/с, причём, ветра сильнее с ноября по апрель. Местность региона преимущественно равнинная, без резких перепадов высот. Из этого делаем вывод, что эффективно использовать ветрогенераторы.
Рисунок 2. Количество облачных дней в течение года
Дни, когда слой облаков не превышает 20%, считаются солнечными; 20-80% покрова считается частичной облачностью, а более чем 80% считается сплошной облачностью. Из рисунка 2 видно, что с мая по сентябрь около трети всех дней – солнечные, а около половины - частично облачные, что подводит к выводу об эффективности использования солнечных панелей в этот период.
Проведя данные рассуждения, был сделан выбор в сторону гибридного генератора, способного вырабатывать энергию как от солнечного света, так и от движения ветра.
2.2. Первая модель ветрогенератора
Генератор было решено сделать из моторчика от компьютерного кулера 12В. Он компактный, имеет плоскую фронтальную сторону, в связи с чем типом генератора стал вертикальный. Все остальные детали генератора, включая лопасти, основание винта и площадку, на которой он и закреплён, сделаны из пластика толщиной 3 мм. Он представлен на рисунке 3.
Лопаси представляют собой 4 пластинки 50*60 мм. С помощью строительного фена, нагретого до 400°C, и металлической трубы им была придана закруглённая форма. Примечательно, данный пластик после нагрева и последующего охлаждения становится ещё более прочным, что несомненно является большим плюсом его использования как материала для конструкции. Основанием для крепления лопастей стал диск диаметром 100 мм. С помощью секундного клея лопасти были приклеены к диску в форме креста. Затем вся конструкция была приклеена на площадку 175*175 мм.
Рисунок 3. Первая модель ветрогенератора
Далее предстояло определить, какие из трёх проводов являются выводными, т.е. по каким проводам будет течь создаваемый ток. С этой задачей справились довольно быстро: подключали поочерёдно к клеммам мультиметра провода и нашли провод, по которому не течёт ток, затем за ненадобностью отрезали его.
Далее предстояла проверка полученной системы на её пригодность для использования в качестве генератора. В качестве источника ветра использовали всё тот же строительный фен, но уже без столь высоких температур. Максимальное выходное напряжение, полученное таким способом, составило 1,5 В.
Среди преимуществ данной модели можно выделить:
максимальная простота конструкции;
легкость и прочность;
компактность;
многофункциональность
Последний пункт заключается в следующем: форма лопастей такова, что генератор возможно использовать не только для улавливания воздушных потоков, но и в качестве водяного колеса. Для этого достаточно закрепить нижнюю часть на вертикальной стене так, чтобы лопасти находились под струёй воды.
В целом, конструкция удачная, но, ввиду низкой выходной мощности, было решено собрать более мощный вариант, теперь уже с классическим (горизонтальным) расположением вращающего винта.
2.3. Вторая модель ветрогенератора
Первой основой для этого генератора стал мощный мотор от японского принтера. Раскрутив ось при помощи дрели, получили выходное напряжение почти 30 В, именно поэтому решено было взять его. Как было сказано выше, расположение винта на нём будет горизонтальным. Материал – всё тот же пластик 3 мм.
Вначале были вырезаны 4 диска диаметром 60 мм и толщиной 5 мм. Между двумя из них будут закреплены лопасти, другие же послужат для придания большей прочности конструкции и увеличению расстояния между корпусом мотора и плоскостью винта.
Далее возникла трудность с креплением двух дисков к оси мотора. Дело в том, что на ней находится стальной переходник и снять его не представлялось возможным. Немного подумав, решено было сделать следующее: в нижнем диске вырезать отверстие под этот переходник, и с помощью клея приклеить две части. Поверх этого диска был приклеен ещё один.
Следующим шагом стала вырезка лопастей. До формовки они имели форму равнобоких трапеций с основаниями длиной 20 и 150 мм и высотой 150 мм. Ось сгиба направлена по линии, проходящей через середины оснований.
Разметив на диске правильный пятиугольник с длинами сторон 20 мм, мы приклеили лопасти вдоль проведённых отрезков. Первоначально задумывалось 4 лопасти, но выяснилось, что возможно размещение ещё одной лопасти, которую мы также изготовили и приклеили. Так как изгиб только в одну сторону, возник вопрос – как его направить: в сторону корпуса или против него? Провели несложный эксперимент – в отверстие в центре диска вставили отвёртку и поднесли к вентилятору. Выяснилось, что частота оборотов выше при расположении изгибом от корпуса. Таким образом, винт и был приклеен к остальной конструкции. Итоговый вариант представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Вторая модель ветрогенератора
Далее необходимо было проверить эффективность данной модели. Выяснилось, что из-за сильных магнитов, установленных внутри, раскрутить данный генератор при помощи ветра не представляется возможным – ни при помощи вентилятора, ни при помощи строительного фена.
Значит, необходимо заменить выбранный мотор на другой, меньшей мощности, но который было бы возможно раскрутить при помощи данного винта. На примете уже был один мотор 12 В, его-то и решено было взять. Сняв винт с предыдущего «недогенератора», приклеили его на ось выбранного.
Максимальное напряжение, которое было получено, составило 5 В, что конечно же меньше предыдущего, но уже больше 1,5 В, что даёт первая модель.
Полученный ветрогенератор может эффективно улавливать воздушные потоки лишь с двух направлений: фронтального и тыльного. С целью повысить его эффективность, мы решили изготовить подобие флюгера, благодаря которому генератор сможет принимать наиболее удобное положение и быть всегда перпендикулярно ветру.
Были взяты два бруска, один из которых стал вертикальной осью флюгера, а другой – горизонтальной. Скреплены они между собой максимально просто, при помощи самореза и трёх шайб, так, что получился простейший подшипник. Корпус самого ветрогенератора для уменьшения скольжения был обвёрнут резиной, а затем листом металла и гвоздями прибит к горизонтальному бруску флюгера. Для стабилизации конструкции сделали пропил в задней (т.е. противоположной генератору) части и вставили туда треугольный лист пластика. Он и будет выполнять роль хвоста. Кроме того, для удобства был вкручен ещё один саморез, на который намотали провода от генератора.
2.4. Солнечная панель
Так как решено было сделать гибридный генератор, то необходимо было подобрать солнечную панель. Ввиду дороговизны эффективных моделей, выбор был сделан на деталь от машинки, которая передвигается за счёт солнечной панели. Крышей её служит фотоэлемент, двигатель – моторчик 3 В. Эффективность его работы зависит от интенсивности солнечного света. Подключив панель к мультиметру выяснилось, что она вырабатывает 2,1 В. Данный показатель не подходит для нашего генератора, поэтому пришлось отказаться от гибридного генератора и оставить лишь ветрогенератор.
Проанализировав проделанную практическую работу, нами были сделаны несколько выводов.
Ветрогенераторы действительно обладают простой и довольно надёжной конструкцией. Примером могут стать вышеописанные модели. Эффективность их напрямую зависит от скорости ветра, размера и формы лопастей, а также от мощности мотора, используемого в роли генератора. Чем больше лопасть, тем больше воздуха она сможет улавливать и тем сильнее сможет раскрутить генератор. Также, чем сильнее ветер, тем быстрее крутится ось и тем больше вырабатываемое напряжение. Эти два фактора связаны с помощью формулы момента силы:
M – Момент силы вращения
F – Прикладываемая сила
l – Плечо силы
Как видно из формулы, чем больше сила и плечо, тем сильнее вращение.
Наиболее эффективной будет конструкция, состоящая из шагового двигателя и редуктора между осью и винтом:
Шаговому двигателю для выдачи напряжения необходимо сделать не полный оборот, а лишь часть его.
Редуктор увеличит число оборотов винта, что также увеличит выходное напряжение.
Но для данного генератора необходим будет винт больших размеров и высокая скорость ветра из-за мощных магнитов внутри мотора.
В процессе поисков вариантов моделей ветрогенератора, были изучены различные видеоролики, часть из которых была посвящена бытовому использованию генераторов. Мы считаем, что некоторые из идей возможно реализовать в условиях нашего училища:
В вентиляционные шахты устанавливаются кулеры. Под действием потоков воздуха через трубы винты приходят во вращение и вырабатывают электричество. Далее, соединяя их с походящими по мощности лампами, мы получаем вариант обеспечения дежурного освещения.
В трубы водоснабжения устанавливаются всё те же кулеры. Под действием потоков воды винт крутится, и генератор выдаёт напряжение. Это электричество можно аккумулировать и в дальнейшем использовать.
Заключение
Альтернативные источники энергии являются перспективным направлением и уже играют важную роль в энергетике и экологии. На данном этапе эксплуатации АИЭ видно, что при наличии соответствующих условий их использование является довольно эффективным способом получения энергии и сокращения выброса отходов в окружающую среду.
Но, конечно же, всё ещё остаётся ряд недостатков, а именно:
относительно низкая производительность;
высокая стоимость оборудования;
зависимость от определённых условий (температура, погода, время года и суток).
Несмотря на то, что сейчас существуют отдельные модели с высоким КПД, их стоимость всё ещё довольно высока. В связи с этим, в развитии АИЭ можно выделить следующие направления деятельности:
создание новых, более дешёвых и эффективных материалов для солнечных панелей;
увеличение мощностей и модернизация существующих моделей генераторов;
поиск новых, ранее не использовавшихся источников энергии;
увеличение использования альтернативной энергетики путём повышения доступности для простого обывателя.
Для достижения этих целей необходимо повышать уровень осведомлённости людей по данному вопросу, а также оказывать всестороннюю поддержку организациям и людям, занимающимся этим вопросом. Уже ведутся значительные работы по данной проблеме, и результат её решения важен не только для отдельных стран, но и для всего человечества в целом, так как биосфера Земли – общее сокровище, которое необходимо сохранить и передать будущим поколениям.
Исходя из вышеизложенного можно сказать, что цель проекта достигнута, гипотеза подтверждена, задачи выполнены в полном объёме.
Список литературы
Баадер, В., Бренндерфер, М., Доне, Е., Биогаз: теория и практика / перевод с немецкого и предисловие М. И. Серебрянного. – Москва: Колос, 1982 – 148 с
Берман, Э. Геотермальная энергия / перевод с английского под редакцией Б. Ф. Маврицкого. – Москва: Мир, 1978. – 416 с
Быстрицкий, Г. Ф.Общая энергетика: учебное пособие / Г. Ф. Быстрицкий. – 2-е изд., испр. и доп. – Москва: КНОРУС, 2010. – 293 с
Вершинский Н. В. Энергия океана / Н. В. Вершинский. – Москва: Наука, 1986. – 152 с
Глиберман А. Я., Зайцева А. К. Кремниевые солнечные батареи / А. Я. Глиберман, А. К. Зайцева – Москва: Госэнергоиздат, 1961. – 70 с
Информационный портал Clean Energo [Электронный ресурс]. Адрес: https://www.cleanenergo.ru/istochniki-energii/