XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРОИЗВОДСТВО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Выбор и обоснование темы
Мною был выбран творческий проект по теме «Ветрогенератор», после того, как однажды я съездила за границу и посетила «Музей энэргии будущего». И вот я вдохновилась ветрогенератором.
Цель проекта
Создание ветрогенератора для обеспечения локальных нужд населения в электроэнергии.
Объект исследования
Энергия – её источники и потребители.
Предмет исследования
Новый источник энергии – Ветер.
Задачи
1) изучить литературу по теме;
2) произвести расчёт бытового потребления электричества;
3) изучить и различать различные виды ветрогенераторов;
4) создать модель ветрогенератора.
1. Введение
Актуальность
Сегодня актуальна проблема исчерпаемости природных ресурсов и ухудшение экологии Земли. Технологии будущего ученые очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии.
Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику и на Дальнем Востоке. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется?
В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии, таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Размышляя над тем, какой источник энергии выбрать нам для создания агрегата, вырабатывающего электроэнергию, мы пришли к выводу, что это будет ветер.
Итак, темой нашего проекта является разработка идеи использования возобновляемых источников энергии в такой важнейшей сфере, как жизнеобеспечение населения электроэнергией. Сфера обеспечения бытовых потребностей населения энергией является главнейшей, и в отличие от потребностей промышленности требует немедленного удовлетворения. Актуальность проекта связана с ожидаемым исчерпанием традиционных источников углеводородного сырья, которые сегодня используются как основные первичные источники энергии. В частности, ветер является практически неисчерпаемым источником, и потому может служить реальной основой устойчивого развития человечества.
2. Основная часть
2.1 История создания ветрогенератора
В начале века Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания. В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.
Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.
Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать
полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.
В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном «Фраме» (вперед) исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамо-машину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.
В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.
Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию.
Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены, и удовлетворительную экологическую чистоту.
Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.
Используя лишь одну пятую энергии ветров, доступную на земле, человечество может увеличить объем потребляемой электроэнергии в семь раз. К такому выводам привели расчеты ученых Стэнфордского университета. Создание ветрогенераторов с более высоким КПД, а также развитие систем накопления и перетока энергии ведет мир к новой электрификации экономики.
2.2 Принцип действия ветрогенератора
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией
2.3 Виды ветрогенераторов
Итак, ветрогенераторы по своему виду различаются по:
• количеству лопастей
• материалам, из которых изготовлены лопасти
• расположению оси вращения к поверхности земли
• шаговому признаку винта.
По числу лопастей они бывают одно-двух-трёх и многолопастные. Последние начинают своё вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где сам факт вращения важен, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.
По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла, но в ходе эксплуатации можно замучиться ремонтировать их.
По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.
По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но какова конструкция! Она сложна, увеличивает вес ветряка, то есть, потребует неисчислимых лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг.
2.4 Создание ветрогенератора
Изучив все вышеперечисленные материалы, я решила создать уменьшенную модель ветрогенератора, которая впоследствии может быть использована в бытовых целях для преобразования энергии ветра в электрическую с корректировкой на размеры.
|
Комплектующие: |
Необходимые инструменты: |
|
|
Ход работы
1. Возьмем лист фанеры размером 20х30
2. Подготовка столбов
3. Опустить паяльник в канифоль
4. Облуживание проводов
5. Прикрепляем провода к столбам
6. Соединяем генератор (установленный в мельнице) и освещение при помощи проводов
7. Облуживаем контакты генератора
8. Припаиваем провод к контактам генератора
9. Сборка мельницы
10. Прикрепление контактов к батарее
11. Прикрепление проводов к выключателю
12. прикрепление батареи и сборка схемы
13. Результат
2.5 Материальная стоимость
Перед тем, как приступить к работе определяю себестоимость выполняемого изделия. На производство данного изделия требуются следующие материальные затраты:
-
Дом – 150 рублей
-
Мельница – 150 рублей
-
Провод (1 м.) – 50 рублей
-
Генератор – 350 рублей
-
Лампочки (2 шт.) – 20 рублей
-
Батарея – 150 рублей
-
Лист фанеры – 70 рублей
-
Выключатель имелся в наличии
Итог: 940 рублей
Исходя из финансовых затрат на изготовление, считаю, что данная модель ветрогенератора получилась очень экономичной. Так как по моим расчетам могло уйти и больше.
3. Заключение
В результате проведенной работы я пришла к выводу, что внедрение ветрогенератора с точки зрения альтернативной энергии оправдано. Созданная мини-модель ветрогенератора вырабатывает напряжение 4,5В и мощность моей станции составляет 2,3 Вт. Эти значения малы для применения в быту, но не стоит забывать, что параметры модели можно увеличить. В частности, можно увеличить диаметр ротора, площадь лопастей, материал, из которого сделаны лопасти, установить ветрогенератор на высокую мачту, чтобы поток воздуха и его скорость были больше, тем самым увеличить мощность установки.
В результате работы были выявлены следующие преимущества и недостатки данного оборудования:
Преимущества:
-
Эффективный способ резервирования энергии на случай кратковременных отключений
-
Бесшумный, экологически чистый, безопасный
-
Не требует топлива и регулярных ТО
Недостатки:
-
Зависимость от скорости ветра
-
Необходимость большой свободной площади
Мною были выявлены способы увеличения количества вырабатываемой ветряком электроэнергии (кВт):
-
Удлинение мачты установки. Насколько выше от поверхности земли, настолько потоки воздушных масс или ветра сильнее и равномернее. Мощность ветрового потока определяется, как его скорость возведённая в 3 степень. Поэтому, увеличение длины мачты ветрогенератора поможет существенно улучшить качество работы всей установки
-
Использование ветрогенераторов более высокой мощности. Теперь важно принять во внимание диаметр лопастей установки, расчетную 19 скорость воздушных потоков, и конечно, количество произведённой электроэнергии ветряного генератора
-
Введение в принципиальную схему системы дополнительных ветрогенераторов и фотоэлектрических датчиков. Работа автоматики, кроме всего, значительно повышает надежность системы. Электроснабжение не прервётся даже если произойдёт аварийный отказ в работе или будет производится текущее обслуживание одного из ветрогенераторов.
Кроме этого, мою установку можно модернизировать и использовать совместно с солнечной батареей, что и стоит в дальнейших планах моей работы.
4. Список используемой литературы:
-
Д. де Рензо, Ветроэнергетика, - под ред., Москва, 1982 г.
-
С.Б. Шмаков, Как создать источник питания своими руками, – СПб.: Наука и техника, 2013.
-
Е.М. Фатеев, Массовая Радио-библиотека, Как сделать самому ветроэлектрический агрегат, Госэнергоиздат, 1949г.
-
А.П. Кашкаров, Секреты радиомастеров,– М.: ИП «Радио Софт», 2010.
-
ww.leg.co.ua/arhiv/generaciya/proektnoe-issledovanie-firmy-generalelectrik-compani-po-so-generator
-
ww38.ruknigi.net/
-
www.nsportal.ru/ap/librari/nauchno-tehnicheskoe-tvorchestvo
-
www.sdelaysam-svoimirukami.ru/280- vetrjachok_iz_kulera.html#sel=14:1,29:7