XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Фитнес-зал как альтернативный источник энергии на базе конструктора Lego Wedo 1.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бикин Р.Р. 1Евстафьев Г.С. 1Земсков З.Д. 1Китаев Д.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

5.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Человечество потребляет огромное количество энергии. Неуклонное увеличение численности населения нашей планеты, быстрое развитие производства, нарастающее истощение запасов привычных источников энергии, а также требования к сохранению окружающей среды заставляют людей искать альтернативные источники энергии, преимущество которых заключается в их возобновляемости, и в том, что это экологически чистые источники энергии.

Наш проект заключается в том, чтобы найти альтернативные источники энергии и использовать их в повседневной жизни нашего города.

Цель исследования: ознакомление с различными видами энергии, разработка и внедрение в жизнь людей альтернативных источников энергии с помощью конструктора LeGo WeDo 1.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию об энергии и ее источниках;

2. Узнать источники получения электроэнергии в городе Тюмень;

3. Рассмотреть спорт, как альтернативный способ выработки электроэнергии;

4. Создать спортивный тренажер для выработки энергии, которая будет преобразовываться в электрическую и обеспечивать работу парка аттракционов на базе конструктора Lego WeDo 1.0;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашей модели.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Что такое электроэнергия и для чего она нужна?

Современные ученые считают, что энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая переходит из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. Различают энергию механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную, ядерную, химическую, гравитационную [4].

Для жизнедеятельности человека наиболее важное значение имеет потребление электрической и тепловой энергии, которые возможно извлекать из природных источников – энергоресурсов.

Энергоресурсы – это первичные источники энергии находящиеся в окружающей природе. Например, энергия текущей воды, энергия солнца, энергия магнитных полей и другая.

Среди различных видов энергии, используемых человеком, особое место занимает наиболее универсальный из ее видов – электрическая энергия.

Широкое распространение электрическая энергия получила благодаря следующим ее свойствам:

• возможность получения практически из любых энергоресурсов при умеренных затратах;

• простоте трансформации в другие формы энергии (механическую, тепловую, звуковую, световую, химическую);

• способность сравнительно легко передаваться в значительных количествах на большие расстояния с огромной скоростью и относительно небольшими потерями;

• возможность использования в устройствах, различающихся по мощности, напряжению, частоте.

Электрической энергией человечество пользуется с 80-х годов XIX века [4].

И уже сейчас, в современном мире, электрическая энергия используется во всех сферах жизни. Конечно, большая часть производимой электроэнергии расходуется на промышленность. Все механизмы, используемые в промышленности, приводятся в движение за счет электродвигателей. Помимо этого, крупным потребителем является транспорт: железнодорожный транспорт, метро, а сейчас и электромобили. То есть, электрическая энергия превращается в механическую.

Освещение домов, улиц городов, производственные и бытовые нужды - все это тоже является крупным потребителем электроэнергии. От огромного завода до ребенка, который смотрит мультик на смартфоне – все это потребители электроэнергии (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Потребителей электроэнергии очень много, и находятся они повсюду и почти у каждого человека. А производится электроэнергия лишь в немногих местах. Потребность в электрической энергии постоянно увеличивается. Для того чтобы соответствовать запросам на увеличение потребления есть два пути:

• строительство новых электростанций;

• использование передовых и альтернативных технологий и источников энергии.

1. 2. Источники получения электроэнергии в городе Тюмень

Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. Что же делать? Уже давно найден ответ: нужно искать другие источники энергии – альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые.

Традиционные (не возобновляемые) источники энергии – это природные вещества и материалы, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Энергия традиционных источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека. К традиционным источникам относят, как правило, различные виды органического топлива, ядерное топливо (уран и торий) и энергию потока речной воды. Все эти источники пригодны для выработки тепловой и электрической энергии, которые могут передаваться и использоваться в промышленности, на транспорте и в коммунально-бытовом хозяйстве. Тепловая и электрическая энергия могут производиться, как совместно, так и раздельно. Совместная выработка осуществляется на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и используется для тепло- и электроснабжения больших городов и крупных промышленных предприятий (Рисунок 1.2.1, Приложение) [5].

Вот и у нас в Тюменской области источником получения электроэнергии являются несколько теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). По состоянию, на конец 2018 года, на территории Тюменской области эксплуатируется 6 электростанций. Они подключены к единой энергосистеме России — Тюменская ТЭЦ-1, Тюменская ТЭЦ-2, Тобольская ТЭЦ, ГТЭС ОАО «Газтурбосервис», ГТЭС Моторостроители, ГТЭС Южно-Нюрымского месторождения [6].

В самом городе Тюмень находятся два источника получения энергии – это Тюменские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Они являются паротурбинными ТЭЦ смешанной конструкции (паротурбинная части и два парогазовых энергоблока), в качестве топлива использует природный газ. Эксплуатируемые в настоящее время турбоагрегаты введены в эксплуатацию в 1969—2011 годах, при этом сама станция работает с 1960 года (Рисунок 1.2.2, Приложение) [6].

Не смотря на то, что ТЭЦ могут снабжать теплом и электроэнергией большие города и крупным промышленные предприятия, они все же влияют на окружающую среду. Отрицательный момент от деятельности предприятий ТЭЦ - загрязнение атмосферы и воды в первую очередь.

Плохая экология ТЭЦ является причиной скопления в нижних слоях атмосферы аэрозольных химически вредных частиц и органической пыли. Это явление получило название "фотохимический туман", когда в условиях слабых ветров, сильной радиации солнца и повышенной концентрации фотооксидантов в воздухе над городами повисает смог. Загрязнение ТЭЦ, если не принимать меры, приводит к разрушению озонового слоя Земли. С каждым годом растет процент аллергиков различной степени тяжести. Загрязнение воздуха ТЭЦ крайне опасно для здоровья и жизни жителей городов. Особенно губительно это для дыхательной и сердечно-сосудистой систем организма [7].

1. 3. Спортивные тренажеры как альтернативный источник электроэнергии

В современном мире энергия делится на две большие группы:

• не возобновляемая (традиционная);

• возобновляемая (альтернативная).

Не возобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением. Данные источники несут большой урон нашей планете (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Альтернативная энергетика может быть разных видов: солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия.

Рассмотрим кратко данные виды энергетики и их особенности:

• геотермальный метод получения энергии построен на принципе преобразования тепла мантии и ядра Земли (чаще всего источником служат пароводяные резервы) (Рисунок 1.3.3, Приложение);

• солнечная энергия, это преобразование энергии солнца. Данный способ происходит с помощью особых технологий. Среди преимуществ можно выделить абсолютную экологическую безопасность солнечной энергии и отсутствие вмешательства в геологию Земли. На солнечной энергии работают космические станции и спутники. Широкое распространение получили солнечные панели в некоторых странах – ими оснащают крыши домов (Рисунок 1.3.4, Приложение);

• для реализации ветроэнегетики, требуется ветряная электростанция. Данный метод является одним из наиболее дешевых, но требует большой площади размещения и зависит от погодных условий, а еще ветровые электростанции могут создавать помехи для радиоволн (Рисунок 1.3.5, Приложение);

• волновая энергия отличается большей ударной мощностью. В этом способе для получения электричества используется энергия волн. Это самый многообещающий способ получения энергии в перспективе освоения океанов (Рисунок 1.3.6, Приложение);

• градиент-температурная энергетика. В основе этого метода лежит баланс температур. Для строительства станций требуется морское побережье. Поглощая до 70% солнечной энергии, мировой океан становится отличным источником температурных ресурсов. Однако нагрев и выделение углекислой кислоты при обработке морской воды нарушают экологическую обстановку. Среди преимуществ можно выделить только то, что ресурс крайне обширен (Рисунок 1.3.7, Приложение);

• биомассовая энергетика. Под этим понятием скрывается процесс гниения биологических отходов и ресурсов – в результате выделяется биологический газ с большим содержанием метана. Его можно использовать для обогрева помещений и выработки электричества (Рисунок 1.3.8, Приложение);

• энергия молнии – сбор энергии молний, попадающих в землю. 1 молния способна обеспечить целый район крупного города энергией на некоторое время (Рисунок 1.3.9, Приложение) [8].

Так же, мы узнали о наиболее древнем источнике энергии, это мускульная сила человека, которая и дает энергию.

Среди всех известных источников механической энергии всегда была сила человека или его мускульная сила. В природе работает закон эволюции - выживает сильнейший. Суда и некоторые механизмы работали за счет мускульной силы людей. Огромные глыбы из глины поднимались на пирамиды именно людьми, причем большинство египетских устройств также работали за счет человеческих возможностей. Даже в наше время ни культурист, ни велосипедист, ни любой обычный человек не может существовать без приложения усилий. Вспомним старый, но всем известный афоризм: движение - это жизнь. Вот и сейчас ни для кого не секрет, что человеческая сила может быть еще более полезна людям [9].

Мы решили, что спорт – это прекрасная альтернатива для получения энергии. У нас в городе очень много людей занимаются спортом, ходят в спортзалы, фитнес залы. Работают на тренажерах, соответственно много двигаются и вырабатывают при этом энергию (Рисунок 1.3.10, Приложение)!

Почему бы эту энергию не направить в нужное русло и не преобразовать в электрическую, которая поможет обеспечить, например, работу некоторым аттракционам в нашем парке.

В нашем проекте мы представили фитнес зал, где спортсмен, работающий на велотренажере, вырабатывает энергию и отправляет ее в парк аттракционов (Рисунок 1.3.11, Приложение).

Глава 2. Экскурсия в энергетическую компанию «СУЭНКО»

Мы начали изучать тему электроэнергии еще в ноябре 2022 года. И первым делом, чтобы придумать свое инновационное решение, мы отправились всей командой на экскурсию в Сибирско-Уральскую энергетическую компанию (Рисунок 2.1, Приложение).

Компания «СУЭНКО» уже более 35 лет стабильно работает на рынке обслуживания и эксплуатации энергоресурсов, имея отличную деловую репутацию и опытные кадры. В городе Тюмени она располагает мощной производственно-технической базой с производственными корпусами, гаражами, мастерскими, лабораторным корпусом, полигоном по охране труда и технике безопасности, и прочими специализированными помещениями. Одним из главных показателей успешной деятельности компании, является постоянная модернизация производства, внедрение новейших энергосберегающих технологий и оборудования.

Компания «СУЭНКО» является межрегиональной сетевой компанией, обеспечивающей электроэнергией потребителей Тюменской и Курганской областей. Общая протяженность электрических сетей на обслуживании предприятия – более 36 тысяч километров.

Сотрудник компании провел нам подробную экскурсию по учебным помещениям, мастерским и лабораториям. Но самое интересное было побывать на учебном полигоне, где расположено реально действующее, но безопасное, для обучающихся, силовое электрооборудование, оно не подключено к высокому напряжению (Рисунок 2.2, Приложение).

Нам рассказали, что такое энергия, откуда она берется и каким образом она поступает к нам в дома. Также мы узнали, что наш город Тюмень электроэнергией, в основном, обеспечивают 2 больших ТЭЦ. Причем они дают городу не только электричество, но и тепло (Рисунок 2.3, Приложение).

Глава 3. Создание модели фитнес-зала как альтернативного источника энергии на базе конструктора Lego Wedo 1.0

3.1 Внешний вид модели

После ознакомления с темой электрической энергии, ее видах и способах получения, мы с командой перешли к созданию своего проекта.

Наш проект мы создавали с помощью конструктора LeGo City, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 1.0.

Для успешной и продуктивной работы мы разделили наш проект на 3 большие части (локации).

Первая локация – это фитнес-зал. В нем мы расположили беговую дорожку, стеллаж с гантелями, уголок для занятий на турнике, а также велотренажер. Как раз таки, занимаясь на данном тренажере, люди вырабатывали энергию и отправляли ее в следующую локацию (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Вторая локация – парк аттракционов. Его мы огородили красивым забором, везде установили фонари. Поставили лавочки для отдыха, создали красивый фонтан в центре парка. Также мы сконструировали в парке два киоска, в них продавались мороженое, напитки, игрушки. Ну и, конечно, мы создали несколько развлечений для детей: игра на меткость, колесо обозрения, карусель для маленьких и карусель для взрослых (Рисунок 3.1.2, Приложение) .

Колесо обозрения и карусель для старших ребят работали за счет энергии фитнес-зала. А вот детская карусель брала энергию у третьей локации.

Третья локация – поле с ветрогенераторами. Мы решили использовать не только мускульную энергию в нашем проекте, но и другие альтернативные источники энергии – ветер. Ветрогенератор за счет ветра вырабатывал энергию, она копилась, а после поступала в парк аттракционов (Рисунок 3.1.3, Приложение).

3.2 Механические передачи в проекте

Чтобы наш проект был автоматизированным, мы добавили механические передачи, моторы и датчики.

Первый мотор в проекте отвечает за движение велотренажера. Он приводит в движение сначала зубчатую передачу, от этого начинает двигаться спортсмен. А затем человечек передает движение системе рычагов. На ней установлен датчик наклона, который передает сигнал второму мотору (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Второй мотор принимает полученную энергию от фитнес-зала, преобразовывает ее и использует на работу двух аттракционов.

Карусель для взрослых работает с помощью понижающей зубчатой передачи. А колесо обозрения работает от этого же мотора, но с помощью понижающей ременной и понижающей зубчатой передач (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Также мы решили, что у нас в Тюмени достаточно ветреная погода, поэтому в проекте установили ветрогенератор. Модель ветрогенератора вращает свои лопасти, с помощью угловых зубчатых передач и ручного природа. Он вырабатывает энергию, которая преобразовывается и поступает в парк аттракционов (Рисунок 3.2.3, Приложение).

Там ее ждет датчик расстояния, который отправляет сигнал на третий мотор. Мотор передает вращение понижающей зубчатой передаче, а затем угловой зубчатой передаче. Таким образом, карусель для малышей вращается очень медленно (Рисунок 3.2.4, Приложение).

Также наша дополнительная игра «Попади в цель» работает за счет простого механизма – рычаг (Рисунок 3.2.5, Приложение).

3.3 Программный код для запуска моделей

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы. Обсуждая работу наших механизмов в проекте, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Для этого в программе мы использовали одновременный запуск с помощью одной клавиши и функции «передача сообщений», сразу для всех программ.

Первая программа отвечает за движение первого мотора (карусель для малышей). После того, как мы, с помощью рукоятки, начнем вращать лопасти ветрогенератора. Он начнет вырабатывать энергию, которая побежит в парк аттракционов. Там ее увидит датчик расстояния. Он передаст сигнал мотору, а тот с небольшой мощностью запустит карусель для малышей на 5 секунд. После он остановится и будет вновь ждать энергию от ветрогенератора.

Вторая программа запускает второй мотор, который отвечает за движение велотренажера. Мотор запускается с максимальной скоростью на 4 секунды. Данного времени хватает, чтобы раскрутить систему рычагов, на которой находится датчик наклона.

Датчик наклона, меняя свое положение, передает сигнал сразу на две последние программы. Одна отвечает за эмоции ребят в парке аттракционов (веселые крики, смех). А вторая, запускает третий мотор, который отвечает за движение колеса обозрения и карусели для взрослых. Мотор запускает аттракционы с максимальной скоростью на 8 секунд. После останавливается и ждет пополнения энергии от фитнес-зала (Рисунок 3.3.1, Приложение).

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно:

1. Нашли информацию об энергии и ее источниках;

2. Узнали, какие источники получения электроэнергии существуют в городе Тюмень;

3. Рассмотрели спорт, как альтернативный способ выработки электроэнергии;

4. Создали спортивный тренажер для выработки энергии, которая преобразовывалась в электрическую и обеспечивала работу парка аттракционов на базе конструктора Lego WeDo 1.0;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашей модели.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 1.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая, средняя, большая шестерни, шкив, рычаг. А также сложные механические передачи: понижающие зубчатые передачи, угловые зубчатые передачи, осевая передача, понижающая ременная передача. Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWeDo 1.0, одновременно подключая к компьютеру 3 коммутатора, 3 мотора, 1 датчик наклона и 1 датчик расстояния.

Мы считаем, что наш проект «Фитнес-зал как альтернативный источник энергии на базе конструктора Lego Wedo 1.0» актуален в настоящее время и вполне применим в тренажерных залах.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники

4. https://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/1926-ponjatie-jelektricheskojj-jenergii.html

5. https://rgups.ru/site/assets/files/120579/uchebnoe_posobie_nvie_khkh1.pdf

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергетика_Тюменской_области#Тюменская_ТЭЦ-1

7. https://project5266.tilda.ws/teploelektrotsentral

8. https://natworld.info/nauki-o-prirode/alternativnaja-jenergetika-tipy-rol-pljusy-i-minusy-netradicionnyh-istochnikov-jenergii

9. https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=867842

Приложение