XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Атмосферный генератор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современное общество, остронуждающееся в альтернативных (без угле-водородосодержащих) и возобновляемых источниках энергии, реализует различные проекты, основанные на так называемой «зеленой энергетике».
В основе таких проектов лежит получение электроэнергии за счет преобразования энергии солнца (солнечные батареи), ветра (ветрогенераторы), воды (гидроэлектростанции), биотоплива, геотермальных источников и др.
Известно, что успешное воплощение «зеленых» проектов на практике зависит от ряда условий и различных факторов.
В настоящей работе представлен экологически безопасный способ и устройство реализующее получение электроэнергии посредством воздушной силы тяги, применительно к местам нашего проживания (г. Москва и подмосковные города с высотной многоэтажной застройкой).
В соответствии с этим, основной целью настоящей работы является поиск альтернативного источника энергии и устройства для его реализация в Подмосковных городах с многоэтажной застройкой.
Для достижения поставленной цели, необходимо поэтапное решение следующих задач работы:
● Выполнить обзор наиболее известных способов использования альтернативных источников энергии, установить их достоинства и недостатки;
● Проработать идею о возможных способах получения альтернативной энергии оптимальной для Подмосковного региона;
● Разработать прототип устройства, позволяющее проверить предложенную идею и экспериментально проверить его работоспособность;
● Сформулировать рекомендации по практическому использованию полученных результатов исследований.
1.Обзор широко известных альтернативных источников
«зеленой энергетики»
Согласно определению из Википедии [1] под альтернативной «зеленойэнергетикой» понимают совокупность перспективных способов получения, хранения, передачи и использования энергии из источников, как правило возобновляемых, которые используются не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования, не приносящих вреда окружающей среде.
В соответствии с обозначенными задачами работы, рассмотрим типы широко известных альтернативных источников «зеленой энергетики» (солнечная энергия и энергия ветра), применительно к месту нашего проживания (г. Москва и подмосковные города с высотной многоэтажной застройкой).
● Солнечная энергия
Для использования энергии, исходящей от солнца применяют солнечные панели, состоящие из кремниевых элементов, способных преобразовывать падающие световые кванты в электроэнергию (стандартный солнечный модуль – это прямоугольная пластина с размерами 1 на 2 метра, рисунок 1).
Рисунок 1 – Возможности использования солнечной энергетики.
В настоящее время, использование солнечных панелей нашло широкое распространение в виду их компактности, бесшумности работы, экологичности, минимума в обслуживании и стоимости (в сравнение с другими видами альтернативной энергетики) [2].
Анализируя карту инсоляций нашей страны (рисунок 2, [3]) можно сделать вывод, что наиболее целесообразными (с высоким КПД) для использования солнечной энергии являются южные регионы России. Также из рисунка 2 видно, что в районе нашего проживания солнечная радиация имеет значения ниже среднего, однако для малоэтажных домов и пригородных дач такое решение может оказаться вполне приемлемым.
Рисунок 2 – Инсоляция российских регионов (летнее время года) [3].
● Энергия ветра
Для использования энергии ветра применяют ветряные генераторы (ветрогенераторы), работающие по принципу ветряной мельницы – ветер раскручивает лопасти ветряной турбины, вращая ее вал, соединенный с генератором, преобразующим механическую энергию в электрическую (рисунок 3).
В отличие от солнечных панелей, ветрогенераторы не получили столь широкого распространения, что связано со сложностью их конструкции (необходимо, чтобы лопасти турбины располагались выше домов и деревьев для улавливания сильных потоков ветра), постоянным техническим обслуживанием (смазка трущихся частей и замена изношенных деталей) и стоимостью (стоимость ветряка превышает стоимость солнечных панелей).
Анализируя данные источника [4] (рисунок 4) можно увидеть, что в районе нашего проживания скорость ветра едва достигает значения 3,5 м/с (закрытая местность – города и промпредприятия) и 4,5 м/с (открытая местность – деревни и дачи), что позволяет вырабатывать лишь небольшое энергии.
Рисунок 3 – Возможности использования ветроэнергетики.
Рисунок 4 – Распределение скорости ветра на территории России [4].
Так, согласно источнику [5] (рисунок 5), на максимально возможной скорости ветра для нашего региона (менее 5 м/с ≈ 10 Kn, по шкале Бофорта 3 балла) возможно лишь слабое горение 40-ватной лампы накаливания.
Рисунок 5 – Зависимость полученной мощности электроэнергии от скорости ветра (на примере ветряка модели Rutland-1200, фирмы «Marlec», Англия).
Таким образом, можно заключить, что рассмотренные виды альтернативных источников энергии не совсем подходят для региона нашего проживания (но в некоторых случаях могут быть использованы солнечные панели), соответственно перед авторами работы ставится задача найти другой способ получения альтернативного источника энергии и разработать устройство для его реализации, применительно к Московскому региону.
Обобщая вышеизложенное, сведем полученные результаты исследований в сводную таблицу 1.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики
альтернативных источников энергии.
|
Источник энергии |
Солнце |
Ветер |
|
Территориальное расположение |
Солнце светит повсюду, хотя некоторые регионы более солнечные, чем другие. Географическое расположение панелей по отношению к солнцу играет важную роль. |
Не в каждом регионе есть достаточная скорость ветра для выработки электроэнергии (решающую роль играет география местоположения). |
|
Место под установку |
Солнечные панели занимают много площади, однако их можно разместить практически в любом месте (на крыше, на земле и др.), здесь важно, чтобы они были обращены к солнцу. |
Ветряные генераторы не требуют много площади, но их размещение может стать проблемой – они должны быть выше домов и деревьев, чтобы улавливать сильные потоки воздуха. |
|
Стоимость |
Комплект солнечных панелей на 5 кВт мощности с сопутствующим оборудованием обойдется от 200 тыс. рублей. |
Стоимость самого ветряка без его комплектующих на те же 5 кВт обойдется уже не менее, чем в 300 тыс. рублей. |
|
Техническое обслуживание |
Солнечные панели и все устройства этой системы не имеют движущихся частей и соответственно требуют минимального обслуживания (требуется периодическая проверка и протирка). |
Потребность в техническом обслуживании значительно зависит от типа ветряка. Эксплуатационные расходы небольшие, однако движущиеся части системы требуют постоянной смазки и замены. |
|
Долговечность |
Гарантийный срок службы зависит от производителя, но в среднем 25 лет для панелей и от 5 до 10 лет для комплектующих (инвертор и аккумулятор). |
Гарантийные сроки на компоненты ветряка различаются в зависимости от производителя (среднем 5 лет). |
|
Надежность и уровеньсоздаваемого шума |
Солнечные фотоэлектрические системы достаточно надежны и бесшумны, они не имеют подвижных частей. |
Ветроэнергетические системы также имеют высокую надежность, а уровень шума может немного превышать шум ветра (рекомендуется устанавливать ветряки не ближе, чем за 300 м от жилых строений). |
|
Влияние на экологию |
Незначительное воздействие, обусловленное изготовлением и утилизацией солнечных панелей и их комплектующих. |
Помимо процессов изготовления и утилизации, ветряки могут представлять опасность для летающих птиц и насекомых. |
2. Разработка прототипа устройства «зеленой энергетики» и
Экспериментальная проверка его работоспособности
Основная идея предложенного решения, названная автором работы атмосферным генератором (АГ), заключается в возможности получения электроэнергии за счет использования воздушной силы тяги в многоэтажном доме.
Принцип действия АГ довольно прост и состоит в следующем (рисунок 6). Если представить себе высотный многоэтажный дом с большим количеством квартир, где из каждой выведен воздуховод в общую воздушную домовую шахту, то за счет перепадов давления по ее высоте, можно получить максимальную скорость воздушной тяги на крыше дома, т. е. поток воздуха, выходящий из общей домовой шахты, будет иметь наибольшую скорость, что позволит с максимальным эффектом использовать наш АГ.
Так, если на крышу дома установить АГ, принцип действия которого сходный с ветрогенератором, но работающий от вертикально постоянно набегающего потока воздуха, то при достаточной скорости вращения его турбины можно получить электроток, причем, чем больше будет скорость воздушного потока (чем выше будет дом), тем больше будет вырабатываемый ток.
Важно отметить, что воздушная сила тяга в вертикальном воздуховоде дома будет всегда в наличии в отличие от ветра над поверхностью земли (известно, что в штиль ветрогенераторы вообще не работают).
Далее, полученный электроток может быть направлен, как в аккумулятор для накопления электроэнергии, так и сразу же быть использован для бытовых нужд. Кроме того, АГ может быть установлен в дом с любым видом вентиляции (естественная, принудительная или комбинированная) и позволит улучшить ее «тяговую» эффективность.
Таким образом, предложенная идея и разработанная конструкция АГ, основанная на преобразовании кинетической энергии потока воздуха в электрическую, являются оригинальными, как по сути, так и по принципу действия и представляет собой новый, экологически чистый, и практически беззатратный, способ получения альтернативного вида энергии.
Рисунок 6 – Прототип АГ и его экспериментальная апробация.
3. Теоретико-экспериментальные исследования рабочих
характеристик атмосферного генератора
С целью определения работоспособности АГ был разработан лабораторный стенд (прототип) устройства, представленный на рисунке 6, к основным рабочим характеристикам которого следует отнести:
● скорость вращения крыльчатки вентилятора, возникающая от воздействия постоянно набегающего потока воздуха (в проводимых экспериментах поток воздуха на крыльчатку создавался принудительно от бытового фена);
● сила электротока, возникающая в электрогенераторе, необходимая для стабильного горения светодиодной LED-лампочки (использовалась LED-лампочка фирмы«HuaYu-SisterElectronicsCo.», Китай) в устройстве АГ.
При проведении эксперимента, с целью задания различных величин скорости вращения крыльчатки вентилятора АГ использовали бытовой фен, имеющий возможность регулирования скорости воздушного потока в его трех режимах работы: V1 = 0,5 м/с, V2 = 1 м/с иV3 = 1,5 м/с (замеры скоростей потока производились с помощью термоанемометра мод.AV-9201, см. приложение).
Так, в ходе экспериментальных исследований установлено, что момент возгорания и дальнейшего устойчивого горения светодиода соответствует минимальной скорости воздушного потока равной 1 м/с (с увеличением скорости потока наблюдалось увеличение яркости горения LED-лампочки), что соответствует наводимому электротоку в электрогенераторе ≈ 20 mA и хорошо согласуется с вольтамперной характеристикой применяемого светодиода [6].
Экспериментальные результаты, полученные с трехкратным воспроизведением опытной точки, на трех скоростных режимах работы бытового фена были сведены в таблицу 2. На практике, для обеспечения заданной скорости воздушного потока необходимо выбрать такую высоту многоэтажного дома, которая бы соответствовала требуемому перепаду давлений между начальным и конечным этажами, согласно известной формулы Торричелли:
|
(1) |
где – безразмерный коэффициент расхода, равный отношению идеальной скорости потока к реальной (в нашем случае, согласно справочника принимаем );
– плотность воздуха (зависит от температуры и выбирается по соответствующим справочным данным);
– перепад давлений на разных высотах (этажах) многоэтажного дома. Известно, что в избыточной системе отсчета можно определить, как (где Н – высота между начальным и конечным этажами дома).
Следует отметить, что величину скорости воздушного потока можно также определить и по нормам СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», однако здесь потребуется учесть объем всех помещений дома, связанных вытяжной вентиляцией.
Таблица 2 – Зависимость силы тока
от скорости воздушного потока.
|
Параметр |
Величина |
||
|
Скорость воздушного потока, м/с |
0,5 |
1 |
1,5 |
|
Сила тока, mA |
10 |
20 |
30 |
В соответствии с вышеизложенным, высоту многоэтажного дома, необходимую для горения LED-лампочки, можно будет вычислить из формулы (1):
|
(2) |
Для нашего случая, АГ будет работать и вырабатывать электроэнергию для горения светодиодной LED-лампочки на высоте , что соответствует второму этажу многоэтажного дома.
4. Заключение
На основе полученных результатов исследований можно заключить, что устройства, в основе которых лежит принцип действия разработанного и экспериментально проверенного прототипа АГ, могут быть рекомендованы к практическому использованию в высотных многоэтажных домах, обеспечивая их бесплатным и бесперебойным электричеством.
5. Библиографический список
[1] Интернет-ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki
[2] Интернет-ресурс: https://solar-e.ru/
[3] Интернет-ресурс: https://nova-sun.ru/insolyatsiya-v-rossii
[4] Интернет-ресурс: https://meteoinfo.ru/bofort
[5] Интернет-ресурс: https://www.marlec.co.uk/product/rutland-1200-windcharger/
[6] Интернет-ресурс: https://sellercheck.ru/
[7] Кузнецов В.А. Основы гидрогазодинамики: учебное пособие. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 108 с.
[8] Андрижиевский А.А.Основы гидрогазодинамики (практикум): учебное пособие / А.А. Андрижиевский, П.М. Клепацкий, Е.С. Санкович; под ред.А. А. Андрижиевского. — Минск: БГТУ, 2007. — 232 с.
Приложение
(фотоотчет о выполненных исследованиях)