XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электросамокат и солнечная энергия
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Жизнь человечества всегда была тесно связана с энергетикой. Чем выше была цивилизация, тем больше она пользовалась ее благами. До недавнего времени развитие энергетики не встречало принципиальных трудностей, а прирост её мощностей шел за счет увеличения добычи нефти и газа, очень удобных для потребления. Сейчас же она столкнулась с критической ситуацией – истощение своей сырьевой базы. (2)
Нефть и газ – это не только топливо, но и ценнейшее сырье для бурно развивающейся химической промышленности. Поэтому сжигать его рано или поздно станет просто невыгодным.(2)
При этом острая проблема загрязнения окружающей среды продуктами сгорания угля или ядерного топлива остаются в стороне, хотя это имеет очень важное значение, потому что с годами энергопотребление растет, и соответственно загрязнение окружающей среды будет иметь больший масштаб. (2)
Актуальность моей работы заключается в том, что сегодня нужны новые источники энергии, которые не только не могут привести к истощению природных ресурсов, но и будут экологически чистыми, то есть не будут нарушать установившегося в природе равновесия. Сейчас ученые многих стран работают над проблемой «приручения» таких сил природы, как ветер, приливы, океанские течения, тепло Земли. Но все же наиболее мощным источником энергии является излучение солнца.
С Земли - Солнце кажется небольшим. Его легко заслонить копейкой, держа ее в вытянутой руке. Но на самом деле поперечник светила в 109 раз больше диаметра земли. С такого расстояния и наша планета выглядит маленькой горошиной, поэтому на нее приходится всего одна двухмиллиардная доля всего излучения солнца. (2)
Среди известных источников энергии солнце не имеет себе равных по мощности.
Запасы солнечной энергии безграничны. Но, к сожалению, наибольшее ее количество мы получаем летом, когда и так и тепло, и светло. Зимой же солнце светит мало, а наша потребность в энергии, в частности в электричестве, наибольшая. А где ее взять? В этом большой недостаток нашего светила. Но и летом это недалеко не надежный источник энергии. Набежала туча – и спряталось солнце. Пришел вечер – и опять перерыв в поступлении энергии до самого утра. Поэтому нужны какие-то ее накопители. (2)
Солнечная энергия поступает к нам в виде тепла и света. Но тепловой поток мал – мы его едва ощущаем, а энергию световых лучей еще надо преобразовать в удобную для нашего употребления форму, например в электричество. Для этого нужно создавать специальные устройства.
Вот и я хочу понять, проделав разные изобретения и исследования, может ли за счет солнечной энергии работать электросамокат?
Основной задачей в моем исследовании является сама идея, т.е. создание из конструктора «лего» мини-модели электросамоката, а цель - это полноценная работа электросамоката за счет энергии Солнца, без использования электричества сети (розетки).
Принцип работы электросамоката и особенности его зарядки.
В обычной конструкции электросамокат состоит из таких составных частей:
1. Крепкая металлическая рама;
2. Электродвигатель;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Дека с платформой для ног;
5. Руль с ручками и элементами управления: переключение скоростей, ручка тормоза, зажигание;
6. Два колеса с амортизацией на одном, либо обоих для более комфортной езды;
7. Тормоза — обычно на заднем колесе.
Устройство тормоза может быть барабанным, дисковым или клещевым. Самокаты тормозят благодаря приводу на руле с помощью рукоятки.(4)
В отдельных моделях современных самокатов есть и другие опциональные части: бортовой компьютер с дисплеем, сиденье, багажник, измерительные устройства (спидометр, одометр), фары, поворотники, зеркала заднего вида.
Электросамокаты бывают с двумя видами привода: цепная передача и мотор-колесо.
Электросамокат с цепью является классической конструкцией, где крутящий момент передаётся от электродвигателя на колесо через цепную передачу аналогично устройству работы велосипедов, скутеров, мотоциклов. У цепных самокатов есть два взаимосвязанных преимущества:
- Мощность двигателя
- Способность ездить по бездорожью
Мощный двигатель не требователен к качеству дорожного покрытия, способен преодолеть препятствия как внедорожник. Чтобы защитить мотор и редуктор, их помещают в герметичный короб рядом с осью.(4)
Мы не рекомендуем рассматривать модели с ременным приводом: хотя это частный вид цепного самоката, такая конструкция ненадёжна и по многим характеристикам проигрывает другим способам устройства.(4)
Самокат с мотором-колесом
Мотор-колесо является современным решением, когда двигатель установлен непосредственно в одном из колёс. Преимущества перед цепным устройством самоката очевидны:
-
Отсутствие проблем с цепью — уязвимым звеном конструкции;
-
Простота в обслуживании.
Обычно электросамокат типа "мотор-колесо" имеет меньший вес и актуальный внешний вид, его проще хранить и транспортировать. Недостаток такой конструкции в том, что мотор не может быть мощнее 500 Вт. Такой силы двигателя достаточно для передвижения по ровным дорогам городской среды, а вот для загородных поездок он не предназначен.(4)
Схема работы электросамоката.
Если детально понять, как устроен электросамокат, то схема поможет наглядно увидеть подключения и разобраться в нюансах. Двигатель электрического самоката приводится в действие энергией от аккумуляторной батареи, параметры работы задаются контроллером. В зависимости от внутреннего устройства этого управляющего блока выстраивается режим работы.(4)
Электроника "ориентируется" на позицию рукоятки акселератора, данные с датчиков - например, гироскопа.
От мотора момент вращения передаётся на колёса. Современные модели самокатов имеют функцию обратной связи, или рекуперации.(4)
Рекуперация — свойство частично восстанавливать энергию, которая выделяется при торможении. Вместо того, чтобы кинетическая энергия преобразовывалась в тепло, её превращают в электрический ток и подзаряжают аккумулятор прямо во время движения. Это получается, когда вы съезжаете с пригорка или едете на буксире у велосипеда, роликовых коньков, другого электросамоката.(4)
Конечно, полностью заряжать аккумулятор рекуперацией — идея далёкая от реальности, иначе вы бы получили вечный двигатель. Но это удобный способ дотянуть до пункта полноценной зарядки и не тащить разряженный самокат в руках. (4)
Контроллер как управляющее устройство подключается ко всей электронике в самокате: АКБ, датчикам Холла электродвигателя, замку зажигания, ручкам газа и тормоза, стоп-сигналу и фарам. Работа контроллера питания электросамоката, схема подключения и способы проверки подробно описаны ниже:
Аккумулятор обычно располагается снизу под декой. В среднем ёмкости АКБ на одном заряде хватает на 40-60 минут езды, за это время можно преодолеть около 30 км. Именно батарея добавляет основной вес электросамокату: средняя масса такого электротранспорта составляет 20 кг.(4)
Принцип работы солнечной батареи и особенности её накопления.
Солнечные батареи используют фотовольтаический эффект для преобразования энергии солнечного света в электричество. Он заключается в том, что некоторые материалы под воздействием света способны создавать разность потенциалов на своих поверхностях.(5)
Это явление происходит из-за того, что световые фотоны, попадая на атомы материалов, выбивают из них электроны. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные частицы - ионы.(5)
Эффективность солнечной панели определяется коэффициентом полезного действия (КПД), который показывает, какая часть поглощенной энергии света преобразуется в электрическую энергию. КПД солнечных панелей может варьироваться от 5% до 25%, в зависимости от типа и качества материалов.(5)
Устройство солнечной батареи
Солнечная батарея состоит из нескольких компонентов:
1. Фотовольтаические ячейки. Основные компоненты солнечной батареи. Они преобразует солнечный свет в электричество путем фотовольтаического эффекта. Это процесс, при котором солнечный свет создает электрический заряд в полупроводниковом материале.
2. Абсорбер. Это слой материала, который поглощает солнечный свет и направляет его на фотовольтаическую ячейку. Абсорбер обычно делается из кремния, потому что он имеет высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество.
3. Покрытие и рамки. Обеспечивают защиту фотовольтаической ячейки от погодных условий, таких как дождь, снег и ветер. Они также помогают удерживать ячейку на месте и защищают ее от повреждений.
4. Стекло и ламинирование. Используются для защиты фотовольтаических ячеек от погодных условий и механических повреждений. Они также обеспечивают дополнительную изоляцию и помогают сохранять тепло внутри ячейки.
5. Контактные площадки. Это металлические контакты, которые соединяют фотовольтаические ячейки с электрическими проводами. Они обеспечивают передачу электричества от ячеек к проводам и обратно.
6. Электрические провода. Используются для соединения фотовольтаических ячеек с другими компонентами солнечной батареи, такими как инвертор или аккумулятор. Они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать высокие температуры и влажность.
7. Инвертор. Изменяет постоянное напряжение солнечной батареи в переменное напряжение, необходимое для питания электрических устройств.
8. Аккумулятор. Применяется для хранения избыточной электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей. Он также помогает стабилизировать выходное напряжение и ток солнечной батареи.
9. Контроллер заряда. Используется для управления зарядкой аккумулятора и предотвращения его перезарядки или глубокого разряда.
В целом, конструкция солнечной батареи включает в себя множество компонентов, которые работают вместе для преобразования солнечной энергии в электрическую.(5)
Мои исследования и изобретения
Ранее я проводил такое исследование: «Возможно ли сделать самодельный блок питания с регулировкой напряжения и тока». В результате чего мне стал понятен тот факт, что универсального способа регулировать ток и напряжение не существует. Всё зависит от конструкции и схемы регулируемого блока питания.
В прошлом году мне пришла идея сделать беспроводную музыкальную колонку, которая бы брала энергию от солнца к солнечной панели, и сама играла.
В этом году мне пришла идея сделать мини-модель самоката, который может заряжаться за счет энергии солнца. У меня есть большой электросамокат, который необходимо заряжать электричеством. Причем в интернете я смотрел, что уже существуют модели электросамокатов, которые работают за счет энергии солнца. В принципе – этим никого не удивишь.
Но мне очень интересно было сделать своё личное, маленькое изобретение, вот я стал думать из чего мне его сделать. Решение пришло мгновенно, что - это будет конструктор «Лего», далее я подбирал необходимые солнечные панели.
Итак, для сборки электросамоката мне понадобилось следующее:
-
Аккумулятор 12 В;
-
Солнечные панели-3 шт. 6 х 11 см;
-
Контроллер для солнечных панелей;
-
Машинный прикуриватель;
-
Кабель USB;
-
Консруктор «Лего;.
-
Провода, паяльник, припой;
-
Клей-пистолет;
-
Моторчик.
Ход работы заключался в следующем. Сначала я собрал мини-модель электросамоката из конструктора Лего, и приклеил к нему мотор с помощью клей-пистолета. У меня получился мини-самокат с мотором и колесами, следующей задачей – привести его в движение.
Я стал собирать основные внутренние части самоката (с помощью которых он будет двигаться). Я знаю тот факт, что солнечный свет попадает на поверхность панели и потом поглощается кремниевыми ячейками.
Далее соединил все солнечные панели последовательным соединением с помощью проводов, потом подключил провода к контроллеру, понимая, что энергия солнца переводит электроны в возбужденное состояние и под воздействием электрического поля они движутся через полупроводник от одной контактной пластины к другой.Проводимость электронов создает электрический ток, который затем подается на аккумулятор (батарея).
Затем присоединил прикуриватель, который служит преобразователем, то есть вырабатывает экологическое электричество, с тем напряжением, которое нам необходимо для запуска моторчика(двигателя).
В итоге контроллер заработал, я подключил кабель USB к прикуривателю и уже от кабеля вывел 2 провода, которые идут к мотору (двигателю), мотор заработал. Ура! Моя мини-модель электросамоката поехала.
Сборка заработала по схеме:
Солнце -----> солнечная панель ----> контроллер ----> аккумулятор ----> прикуриватель ----> двигатель ----> самокат.
Вообще, сама солнечная панель может вырабатывать от 12 вольт до 20 вольт.
Результат моего изобретения можно увидеть в приложении 1.
Сам принцип образования электричества, и образования его в результате солнца очень интересен.
Вывод
В своих изобретениях я немного познакомился с понятием электричества, электрический ток, солнечная энергия, принципами явления.
Задача и цель, поставленная в ходе моей работы были достигнуты. Мне удалось сделать мини-модель электросамоката, который в своей работе использует солнечную энергию.
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. (1)
Солнечная батарея, солнечная панель — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.(3) Эта энергия является экологически чистой и зависит только от солнца.
Еще я понимаю, что на сегодняшний день электричество до конца неизучено. Существует разные виды энергии (электрического тока) – это электричество, создаваемое не только электрическими подстанциями, но и электричество создаваемое ветром, водой и даже солнцем.
Сейчас в 21 веке начинается новый значительный этап в энергетике. Существует понятие – энергетика «щадящая». Этот этап построен на том, чтоб человек заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.(6)
Энергетика очень быстро развивается, вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Все зависит от неё и тянется к ней - Энергетике.
Список используемых источников илитературы:
1. А. Шилейко, Т. Шилейко, «Электроны…Электроны…, М.1989 г.
2. Ю. Коптев «Солнце работает на нас», М.1983 г.
3. https://ru.wikipedia.org/Солнечная батарея, солнечная энергия.
4. https://www.voltbikes.ru/blog/about-segways/kak-ustroen-elektrosamokat /?ysclid=lrdm119tlq238878066 самокат.
5. https://m-focus.ru/solnechnye-batarei-vidy-princip-raboty-i-primenenie/?ysclid =lrdm6l3fyx895662495 батарея.
6. Ю.Чирков, «Занимательно об энергетике», М.1981 г.
Приложение 1. Электросамокат