XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Инновационный метод по выработке электрической энергии в торговом центре на базе конструктора Lego Wedo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Волков Е.Е. 1Хаков П.А. 1Корепанов Ю.А. 1Кривощеков А.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Всем на свете движет энергия. Она вращает планеты вокруг солнца, поддерживает баланс сил в природе, создает движение в нашей жизни. А представит жизнь современного человека без электрической энергии практически невозможно

Начиная с нашего дома, электроэнергия важна для работы всей бытовой техники, развлечений, освещения и, конечно, всех технологий вокруг. Электричество нужно везде: дома, в школе, на работе, в больницах, в детских садах.

Но что такое энергия и электроэнергия? Откуда берется электричество в наших домах, в компьютерах, в телефонах и в других приборах? Как оно работает и какие источники энергии бывают? Что такое традиционные и альтернативные источники энергии? Именно с этих вопросов началось наше исследование.

Вопрос истощаемости природных источников энергии – одна из самых актуальных глобальных проблем мира на сегодняшний день. Каждую минуту в мире используется огромное количество нефти и газа для нужд человека. Поэтому возникает вопрос: надолго ли нам хватит этих ресурсов, если продолжать их использовать в таком же огромном количестве?

Эта проблема очень заинтересовала нашу команду «Звездочки» и мы решили изучить ее более подробно.

Цели исследования: изучение понятий традиционные и альтернативные источники энергии и разработка инновационного метода получения электроэнергии на базе конструктора LeGo Wedo 2.0.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с понятием энергия, какой она бывает, где и как ее используют;

2. Изучить понятия традиционные и альтернативные источники энергии;

3. Разработать и создать инновационный метод получения электроэнергии путем использования альтернативных источников энергии на базе конструктора Lego Wedo 2.0;

4. Создать программу, которая позволит продемонстрировать работу нашего проекта.

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 энергия?

Многие века человек мог располагать лишь живой энергией — работой своих мышц или силой прирученных им животных. Лишь относительно недавно он научился использовать окружающую его неживую энергию, содержащуюся в ветре, воде, свете, топливе и атоме.

Что же такое энергия? Упрощенно — это способность выполнять ту или иную работу под воздействием какой-либо силы. Возьмем для примера автомобиль. Для того чтобы привести его в движение, к нему необходимо приложить силу. Ее дает двигатель, который преобразовывает энергию сгорающего топлива в механическую энергию движения. А если вдруг закончится горючее, то автомобиль можно докатить до заправочной станции, только при этом работу уже будут выполнять ваши ноги (Рисунок 1.1.1, Приложение) [4].

Где мы тратим энергию? Энергия нужна нам для освещения и обогрева жилищ, для приготовления пищи, для того, чтобы могли работать заводы и двигаться автомобили. Эта энергия образуется при сгорании топлива. Есть и другие способы получения энергии — к примеру, ее производят гидроэлектростанции. Для приготовления пищи и обогрева жилья почти половина населения земли сжигают дрова, уголь или газ [5].

1. 2. Традиционные источники энергии

Традиционными источниками энергии называют ресурсы, которые используются давно и широко распространены по всему миру. В основном – это не возобновляемые: нефть, природный газ и уголь.

В традиционную энергетику включены множество отдельных ветвей энергетики, которые не менее чем на 90% обеспечивают мировые потребности в электроэнергии. Генерируются ресурсы на различных станциях, например:

• теплоэлектростанции (ТЭС) (Рисунок 1.2.1, Приложение);

• гидроэлектростанции (ГЭС) (Рисунок 1.2.2, Приложение);

• атомные электростанции (АЭС) (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Изучим каждую из них более подробно.

Самые распространенные в Российской Федерации электростанции – тепловые. Для их работы необходимы энергоресурсы: нефть, природный газ, уголь и некоторые иные виды. Перерабатывая привозимые энергоресурсы, получается электроэнергия. ТЭС популярны в России по причине наличия множества преимуществ. Так, например, у них низкая требовательность к условиям функционирования, при этом технически организовать рабочий процесс относительно легко. Важными преимуществами являются: возможность создать станцию в месте сосредоточения используемого энергоресурса, отсутствие влияния погоды, климата и сезона на вырабатываемую мощность станции. Несмотря на все перечисленные положительные черты, недостатки теплоэлектростанций существенны: используемые энергоресурсы не бесконечны, окружающей среде наносится колоссальный урон, каждая ТЭС требует существенного количества трудовых ресурсов и так далее [6].

Рассмотрим вторую ветвь традиционной энергетики – гидроэнергетику. Гидротехнические сооружения в виде энергетических подстанций предназначены для выработки электричества в результате преобразования энергии потока воды. То есть, технологический процесс генерации обеспечивается сочетанием искусственных и природных явлений. В ходе работы станция создает достаточный напор воды, которая в дальнейшем направляется к турбинным лопастям и активизирует электрогенераторы. Перечислим достоинства гидроэлектростанций: относительная экологичность их использования, наличие бесконечного энергоресурса, получение относительно бесплатной энергии. Несмотря на это, для постройки ГЭС необходимы значительные первоначальные инвестиции. Также существенный недостаток – невозможность разместить ГЭС в любом необходимом месте – необходима река, имеющая нужный напор воды [6].

Следующая ветвь традиционной энергетики – атомная энергетика. Изучая подробно эту ветвь, можно прийти к выводу, что это подвид ТЭС, который имеет большую эффективность. В нашем государстве на АЭС используют полные циклы, это дает возможность получать колоссальные объемы ресурсов. Однако, это же формирует существенные риск, возникающие по причине пользования ураном [6].

Человечество получает энергию, в основном за счет сжигания ископаемого топлива. Задумываться о «топливном чуде» люди стали с тех пор, как поняли, что традиционные ресурсы, такие как нефть, газ, уголь, мало того, что при сгорании выделяют в атмосферу углекислый, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению, но и, к сожалению или к счастью, в скором времени закончатся.

1. 3. Альтернативные источники энергии

Альтернативные источники энергии — это возобновляемые энергетические ресурсы, которые получают благодаря использованию гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии, геотермальной энергии, биомассы и энергии приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

• доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах;

• экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду;

• экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

• траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок;

• зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны;

• низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления;

• влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств [8].

Рентабельность:

Экономическая эффективность подразумевает, что источник энергии экономичен как по отношению к чистым затратам на производство, так и по отношению к поставкам. Возобновляемые источники соответствуют этому критерию, хотя объекты требуют предварительных инвестиций с очень низкими затратами. Это, в отличие от ископаемого топлива, обеспечивает стабильные цены на энергоносители с течением времени.

Снижение стоимости новых возобновляемых источников энергии является ключевой причиной того, что они способны эффективно конкурировать со старыми технологиями использования ископаемого топлива.

Экологическая устойчивость:

Доказано, что ископаемая энергия вредна для долгосрочного выживания нашей планеты как в смысле неблагоприятных климатических условий, которые разрушают нашу окружающую среду, так и в смысле воздействия на здоровье [9].

Возобновляемые источники энергии, бесспорно, являются идеальным решением для глобальной декарбонизации (снижения выбросов углекислого газа).

Наша команда предлагает свой вид альтернативного источника энергии – это использование силы тяжести. Вес каждого посетителя и, например, его автомобиля, на котором он приехал в наш торговый центр, будет использоваться для получения бесплатной электроэнергии!

Глава 2. Экскурсия в энергетическую компанию «СУЭНКО»

Изучение темы энергии мы начали еще в ноябре 2022 года. И первым делом, чтобы придумать свое инновационное решение, мы отправились всей командой на экскурсию в Тюменский филиал энергетической компании «СУЭНКО» (Рисунок 2.1, Приложение).

Сибирско-Уральская энергетическая компания (СУЭНКО) – это межрегиональная многопрофильная энергетическая компания юга Тюменской и Курганской областей, входит в группу компаний ООО «Корпорация СТС».

Компания СУЭНКО оказывает следующие услуги:

• транспорт электрической энергии;

• технологическое присоединение и техническое обслуживание;

• передача и транспортировка тепловой энергии;

• водоснабжение и водоотведение [10].

Экскурсию для нас проводили Лялькин Олег Владимирович - ведущий специалист службы охраны труда и технического контроля, Филиппов Владислав Васильевич - начальник центра подготовки персонала и Петров Андрей Владимирович - ведущий специалист службы охраны труда и технического контроля.

В первую очередь на экскурсии нас ознакомили с обязательной техникой безопасности и правилах поведения на энергообъектах.

Далее нам рассказали немного об истории создания электросетей и познакомили с принципами передачи электроэнергии, а также рассказали о том, как развивается электросетевая компания в области сегодня и что ожидает ее в будущем. Специалисты компании поделились с нами, с каким проблемами и трудностями приходится сталкиваться сотрудникам энергетической компании.

Так же нам рассказали о главном оборудовании энергокомпании. Мы увидели и познакомились с такими машинами как: генератор, трансформатор (Рисунок 2.2, Приложение).

Узнали, что такое Ватт и Вольт. Узнали, что ток передаётся в дома по ЛЭП (линии электропередач) по воздуху и кабелям под землёй (Рисунок 2.3, Приложение).

Благодаря этой экскурсии мы узнали про электромеханические и электронные реле для безопасной передачи электроэнергии. Увидели костюм специалиста по работе с ЛЭП (Рисунок 2.4, Приложение).

А на учебном полигоне экскурсоводы рассказали про учебные установки высоковольтных ЛЭП, огромные трансформаторы, станции по обслуживанию (Рисунок 2.5, Приложение).

Экскурсия помогла нам лучше понять, что такое энергия и электроэнергия, как ее получить и с какими проблемами сталкиваются специалисты в сфере энергетики сегодня. И мы приступили в разработке нашего проекта.

Глава 3. Создание проекта по инновационному методу получения электроэнергии на базе конструктора Lego Wedo 2.0

3.1 Внешний вид модели

После изучения теоретической части, мы с командой приступили к практической части – создание проекта.

Для создания нашего проекта мы использовали детали из набора Lego Wedo 1.0, Lego Wedo 2.0 и детали из Lego City. Также мы установили 3 смартХаба, 3 мотора и 3 датчика (2 датчика расстояния и 1 датчик наклона).

Внешне наш проект выглядит, как большой торговый центр будущего (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Огромное трехэтажное здание включает в себя:

• множество парковочных мест на первом этаже. Оттуда покупатели забирают свои машины в конце шопинга (Рисунок 3.1.2, Приложение);

• на втором этаже находятся различные магазины с одеждой, обувью, игрушками (Рисунок 3.1.3, Приложение);

• на третьем этаже расположилась зона фут-корта (посетители смогут спокойно перекусить на удобных диванчиках и стульчиках), а также там мы создали развлекательную зону для детей (различные карусели, горки, бассейны с шарами) (Рисунок 3.1.4, Приложение).

Наш проект расположен рельефно таким образом, что люди заезжают в торговый центр и сразу попадают на третий этаж. По мере покупок они будут спускаться вниз на парковку, где их уже будет ожидать машина.

Машина, оставленная покупателем, на специальном парковочном лифте, с помощью своего веса начнет опускаться вниз на парковку. Таким образом, она не будет тратить энергию, а, наоборот, с помощью силы тяжести, выработает для нашего торгового центра (Рисунок 3.1.5, Приложение).

Люди по торговому центру могут передвигаться тремя способами:

• обычная лестница (создана специально, для использовании ее в ЧП) (Рисунок 3.1.6, Приложение);

• два лифта (двигаются вверх-вниз, используя энергию, вырабатываемую с помощью ветрогенератора, который находится на крыше нашего торгового центра) (Рисунок 3.1.7, Приложение);

• два эскалатора (один поднимает на верхние этажи, другой опускает на нижние). Тот эскалатор, который опускает, также работает за счет силы тяжести человека. Он не тратить энергию, а опускается только тогда, когда на него встанет человек, и за счет этой силы он опустится вниз. Тем самым он, также, как и лифт для машин, будет вырабатывать энергию и передавать ее специальным генераторам. Эскалатор, который поднимает покупателей вверх, тоже так просто энергию не тратит, он работает только тогда, когда на нем появляются люди. До этого времени он просто стоит (Рисунок 3.1.8, Приложение).

Наш проект торгового центра нацелен на то, чтобы частично отказаться от традиционных источников энергии. И использовать альтернативные, например: ветер (ветрогенераторы на крыше) и инновационный метод - силу тяжести предметов (лифт и эскалатор, опускающиеся вниз за счет тяжести, вырабатывая при этом энергию).

3.2 Механические передачи

Завершив конструирование макета проекта, добавив в него украшений, расставив человечков. Нам с командой необходимо было его автоматизировать, для этого мы добавили различные механические передачи, смартхабы, моторы и датчики.

Таким образом, первый мотор, после сигнала датчика расстояния, отвечал за движение эскалатора, который опускал человечков вниз. В данной конструкции использовались такие механические передачи, как: понижающая ременная и зубчатая передачи, а также осевая передача (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Также от первого мотора и механических передач (понижающая ременная и угловая зубчатая передачи) вращалась карусель для детей в зоне развлечений (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Второй мотор был установлен для запуска лифта для автомобилей. Лифт срабатывает после передачи сигнала датчика наклона. В этой модели для передачи движения мы использовали самый сильный механизм – червячная передача. Только она справится с тяжелым грузом и без труда сможет его, как поднять, так и опустить (Рисунок 3.2.3, Приложение).

Третий мотор отвечал за движение второго эскалатора (поднятие вверх). Он точно также как и первый, срабатывал после сигнала датчика расстояния. Понижающая ременная и зубчатая передачи вращали ступеньки вверх и человечки поднимались.

Также у нас в проекте есть модели, которые работают от ручного привода. Например, шлагбаум, который стоит на первом этаже и после его поднятия, машины могут выехать с парковки (Рисунок 3.2.4, Приложение).

А также на крыше торгового центра установлен ветрогенератор. Он запускается с помощью рукоятки, передает движение угловым зубчатым передачам, а те вращают лопасти. После вращения лопастей энергия передается на ось вращения, которая, с помощью механизма – лебедка, поднимает и опускает два пассажирских лифта (Рисунок 3.2.5, Приложение).

3.3 Управление моделью с помощью программы

Перед созданием основной программы в среде LeGo Wedo 2.0, мы обсудили с командой последовательность работы наших механизмов. Обсуждая, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Для этого в программе мы использовали одновременный запуск с помощью одной клавиши «1» и функции «передача сообщений» (Рисунок 3.3.1, Приложение).

После нажатие на клавишу «1», запускаются сразу 3 программы. Но каждая из них ждет сигнал от датчика:

• Первая подпрограмма: после получения сигнала от первого датчика расстояния, через 1 секунду, начинает запускать 1 мотор с максимальной мощностью 10 секунд. После останавливается и снова ждет сигнала;

• Вторая подпрограмма: ожидает изменения положения датчика наклона, как только сигнал передан, второй мотор со средней скоростью начинает опускать лифт для машин вниз 10 секунд. После останавливается и вновь ждет сигнала;

• Третья подпрограмма: ожидает сигнала от второго датчика расстояния. Как только сигнал получен, запускает третий мотор со средней скоростью на 10 секунд, поднимая второй эскалатор с покупателями вверх. По истечению времени останавливается и ожидает очередного сигнала.

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно:

1. Познакомились с понятием энергия, узнали какой она бывает, где и как ее используют;

2. Изучили понятия традиционные и альтернативные источники энергии;

3. Разработали и создали инновационный метод получения электроэнергии путем использования альтернативных источников энергии на базе конструктора Lego Wedo 2.0;

4. Создали программу, которая позволила продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego Wedo 1.0, Lego Wedo 2.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая, средняя, коническая, червячная шестерни, шкив, рычаг. А также сложные механические передачи: понижающие зубчатые передачи, угловые зубчатые передачи, осевая передача, понижающие ременные передачи, червячная передача, лебедка.

Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWedo 2.0, одновременно подключая к компьютеру 3 смартхаба, 3 мотора, 2 датчик расстояния и 1 датчик наклона.

Мы считаем, что наш проект «Инновационный метод по выработке электрической энергии в торговом центре на базе конструктора Lego Wedo 2.0» актуален и вполне применим в современном мире.

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://sitekid.ru/izobreteniya_i_tehnika/energiya.html?ysclid=lih57ldqn04965347

5. https://dzen.ru/a/X4nM3qcNRRXnJwiT

6. https://cyberleninka.ru/article/n/traditsionnye-i-alternativnye-istochniki-energii/viewer

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy

8. https://www.un.org/ru/climatechange/raising-ambition/renewable-energy

9. https://beelead.com/perspektivy-vozobnovlyaemyx-istochnikov-energii/

10. https://www.suenco.ru/o-kompanii/

Приложение