Введение
Во время поездки на море однажды я заметила высокие конструкции, поднимающиеся ввысь на десятки метров. Огромные лопасти которых плавно вращаются под дуновением ветра. Что же это за необычные объекты
Ветрогенератор – это устройство для преобразования кинетической энергии воздушного потока в электричество.
Энергия – одна из важнейших составляющих жизни человека. Энергия очень разнообразна. В современной энергетике существует два источника получения получения энергии: традиционные и возобновляемые. Запасы традиционных источников энергии исчерпаемые. Это приводит к нескольким решениям этой проблемы: экономия запасов или переход на другие источники энергии, на возобновляемые. Ветер, солнце, энергия рек и океанов – все эти практически неисчерпаемые природные ресурсы способны полностью заменить нефть, природный газ и уголь.
Зелёная энергетика – это возможность сделать нашу планету лучше, чище, восстановить естественный баланс и остановить разрушение биосферы.
Актуальность моего проекта в том, что проблема исчезновения природных ресурсов и ухудшения экологии Земли сегодня является одной из самых глобальных проблем. Запасы природных ископаемых все больше уменьшаются.
Цель проекта: исследовать получение электроэнергии с помощью ветра, попробовать сделать действующую модель ветрогенератора.
Цель может быть достигнута благодаря решению ряда задач:
Изучить технологию зелёной энергетики.
Оценить энергосистему в России.
Сделать из подручных средств действующую модель ветрогенератор.
Гипотеза: энергию можно выработать с помощью самодельного ветрогенератора.
Основная часть
1.1. Что такое альтернативная энергия?
Энергия играет основополагающую роль в формировании человеческих условий существования. Потребность людей в энергии – это необходимость для выживания, поэтому неудивительно, что производство и потребление энергии являются одними из важнейших направлений человеческой деятельности. Эволюция человеческого общества зависит от преобразования энергии для её использования.
На протяжении десятков тысяч лет люди полагались исключительно на химическую энергию, полученную из пищи, которая производит механическую работу мышц. Но благодаря человеческому разуму люди научились экономить свои силы, используя инструменты и осваивая энергию за пределами их собственного тела.
Альтернативная энергетика – 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 при, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.
Возобновляемая, или регенеративная, «зелёная» энергия – энергия из энергетических ресурсов, которые являются возобновляемыми или неисчерпаемыми по человеческим масштабам. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов или возобновляемых органических ресурсов и предоставлении для технического применения. Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов, таких как: солнечный свет, водные потоки, ветер, приливы и геотермальная теплота, которые являются возобновляемыми (пополняются естественным путём), а также из биотоплива: древесины, растительного масла, этанола.
1.2. Технологии производства
Источники зелёной энергетики базируются на природных явлениях. Объёмы генерации возобновляемых источников энергии постоянно растут.
Солнечная энергия в развитии зелёной энергетики занимает лидирующее положение, и в 2019, а потом в 2021 году она побила очередной рекорд. Существует два вида добычи солнечной энергии. Первый генерирует энергию за счёт внутреннего фотоэффекта с помощью фотоэлектрических элементов, представляющих собой ряд солнечных панелей. Второй предполагает использование энергии солнца для превращения воды в пар и преобразования кинетической энергии в электрическую. Обе разновидности солнечной энергетики признаны самыми доступными и экологически безопасными.
2. Ветроэнергетика – преобразование энергии ветра в электрическую с помощью ветрогенератора. Ветрогенераторы (мельницы) бывают наземными и установленными в море. Принцип работы ветрогенераторов заключается в том, что лопасти при движении воздуха начинают вращаться и передают это движение на генератор, который преобразует его в электрическую энергию.
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой доле ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой доли возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.
3. Гидроэнергетика построена на основе возобновляемых источников, в данном случае воды, то есть используется потенциальная энергия водного потока. Принцип работы гидроэнергетики заключается в преобразовании кинетической энергии движения воды в механическую, а затем в электрическую.
4. Биоэнергетика – производство энергии из биотоплива, которое получают в результате переработки биологических отходов. Принцип работы биоэнергетики основан на процессах метаболизма в клетках, которые позволяют организмам использовать энергию, полученную от пищи, для выполнения различных функций.
5. Геотермальная энергетика – используется тепловая энергия недр земли. Принцип работы заключается в том, что глубоко расположенный геотермальный источник передаёт тепло через скважины до поверхности. Тепловая энергия используется для нагрева рабочего вещества, которое выступает в роли рабочего тела в турбинах. По принципу теплового двигателя, тепло из геотермального источника заставляет турбины вращаться, что приводит к производству электроэнергии в генераторах.
6. Приливная энергетика – использование энергии приливов, то есть притяжения Луны. Принцип работы: устье залива перегораживают плотиной, внутри которой устанавливают гидроагрегаты. Прибывающая вода проходит через турбины, вращает их лопасти, вырабатывая электроэнергию и заполняя приливными водами бассейн залива. Во время отлива уходящая из залива вода также приводит в движение лопасти, снова вырабатывая энергию.
1.3. Преимущества и недостатки зелёной энергетики
Преимущества:
Экологичность. В процессе генерации зелёная энергетика не выделяет углекислый газ, который бы способствовал глобальному потеплению. Следовательно, меньше загрязняется окружающая среда.
Неисчерпаемость. Стоит установить раз любую станцию подобного типа, и определённая территория будет обеспечиваться полностью электроэнергией неограниченное время.
Экономическая выгода. При производстве электроэнергии из возобновляемых источников нет необходимости закупать и импортировать дорогостоящие топливные ресурсы.
Недостатки:
Зависимость от погодных условий. Невозможность производства энергии без солнца (для солнечной энергии) или ветра (для ветровой).
Высокие затраты на установку соответствующего оборудования.
Негативное влияние на экосистемы. Например, гидроэнергетика может негативно повлиять на экосистемы рек, озёр и других водоёмов.
Проблемы с утилизацией. Неправильно утилизированные солнечные батареи и ветряки выделяют тяжёлые металлы, которые потом попадают в почву и могут попадать в пищу через растения.
Влияние на животных. Птицы не могут так быстро реагировать, поэтому попадают на ветряки и погибают.
Изменение микроклимата. При работе ветрогенераторов энергия ветра расходуется на вращение лопастей, что может привести к непрогнозируемым последствиям: засухам, аномальным осадкам, резким колебаниям температуры.
1.4. Российская энергосистема
Возобновляемая энергетика России – отрасль энергетики страны, в которой используются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Около 20% производимой электроэнергии в России – возобновляемая. Доля возобновляемой энергии в общем объёме производства электроэнергии в России составляет менее 1%.
В последние годы правительство России начало реализовывать программу по развитию альтернативных источников энергии до 2024 года, которая предусматривает инвестирование более чем 500 миллиардов рублей в создание новых производственных мощностей и модернизацию существующих.
Проблемы развития зелёной энергетики в России:
Сложности с интеграцией возобновляемой энергии в общую систему производства и распределения электроэнергии, связанные со спецификой магистральных электросетей
Отсутствие законодательных стимулов для использования возобновляемых источников энергии
Недостаточное финансирование научно-исследовательских работ в области возобновляемой энергетики.
Состояние зелёной энергетики:
Крупные страны, такие как Германия, США, Китай, Испания, Франция и Италия, активно инвестируют в развитие зелёной энергетики, что позволяет им сокращать выбросы углекислого газа и повышать независимость от импорта нефти и газа.
Свердловская область обладает потенциалом для генерации электроэнергии из возобновляемых источников энергии, считает международный коллектив учёных. Ключевыми направлениями развития зелёной энергетики в регионе могут стать гидроэлектростанции и производство энергии из биомассы для развития малой энергогенерации. Учитывая климат, географическое расположение, текущее состояние энергетической инфраструктуры региона, достаточно высокий спрос на электроэнергию и относительную дешевизну и доступность природных энергоносителей, увеличение доли зелёной энергетики более чем на 6-7% является отличным показателем, однако, следует учитывать, что на практике достижение этого уровня потребует больших затрат средств и времени. Но развитие малой энергогенерации на основе энергии гидроресурсов и биомассы – это эффективное решение для отдалённых регионов Свердловской области, которое отвечает целям устойчивого развития и повышает энергобезопасность региона.
В городе Березовском тоже можно пользоваться возобновляемыми источниками энергии, но они будут вырабатывать недостаточно энергии для всего города. Таким образом житель Березовского Павел Архипов сделал миниэлектростанцию у себя дома. Компания «Электрокомплект» для обустройства домашней электростанции в Березовском компания выделила Архиповым аккумуляторные батареи, которые уже выработали свой срок службы (5 лет), но были ещё в хорошем состоянии. К слову, эти восемь списанных аккумуляторов служат верой и правдой по сей день уже десять лет. Помимо аккумуляторов, для обустройства солнечной электростанции потребовались инвертор, который трансформирует вырабатываемый постоянный ток в переменный (такой, как в розетке), и солнечные панели. Так на крыше дома появились 8 солнечных панелей мощностью 200 ватт каждая. Позже на фасаде здания появились ещё три – две для того, чтобы собирать вечернее солнце, и одна – для автономной работы освещения во дворе дома, работающего от аккумулятора и которое включается по датчику на движение.
По словам Павла Александровича, пока дома в дневное время никто не находился, в период с весны до начала осени получалась почти «автономка» – собственной энергии хватало почти на всё. Но теперь в доме постоянно проживают родители-пенсионеры, расход электроэнергии существенно вырос, и солнечными панелями удаётся перекрывать около 30 процентов потребления. Это очень мало.
1.5. Проблемы и вызовы
Производство «зелёной» энергии и её потребление не совпадают в течение суток. Утром и вечером, когда потребление максимальное, солнце либо ещё не светит, либо уже не светит, да и ветер усиливается после того, как солнце прогреет землю. Ещё больше разрыв увеличивается при неблагоприятных погодных условиях. Это требует замещения генерирующих мощностей, создания глобальных перетоков энергии или её накопления.
Далеко не все места на планете хорошо освещены солнцем, имеют стабильные ветра или геотермальные источники. Это приводит к той же проблеме глобальных перетоков – можно застелить солнечными батареями всю Сахару, но там никому не нужно столько электричества. А там, где требуется, например, выплавлять алюминий и отапливать дома, солнце не светит и трёх месяцев в году.
Зелёные источники энергии требуют множества высокотехнологичных материалов и редких ископаемых, добыча и производство которых сами по себе требуют очень много энергии.
Затраты при транспортировке и передаче зелёной энергии в разы выше по сравнению с другими видами электроэнергии. Например, стоимость передачи «ветряной» энергии в три раза больше, чем транспортировка тока, вырабатываемого от угля. Как правило, это ещё и связано с тем, что производство зелёной электроэнергии происходит в местах, весьма отдалённых от территорий, где её потребляют. Поэтому при транспортировке зелёной энергии из-за больших расстояний в разы увеличивается нагрузка и эксплуатационные расходы на линии электропередач.
Кроме того, виды зелёной энергии требуют существенных вложений в инфраструктуру. Например, повсеместное строительство и обустройство зарядных станций. Зелёная энергетика, солнечная энергия также требуют умного распределения: это ценообразования по часам, отключение электроэнергии некоторым компаниям в зависимости от количества потребляемой ими энергии.
Общественное мнение об использовании солнечных батарей:
При производстве оборудования выделяются опасные пары. Солнечные батареи делают из кремния. Чтобы его получить, используют ядовитое и взрывоопасное вещество трихлорсилан. Потом кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей. При этом тоже используются опасные металлы, например хром и ртуть.
Неправильно утилизированные солнечные батареи и ветряки выделяют тяжёлые металлы. В Калифорнии солнечная энергетика развивается уже около 20 лет, и здесь установили больше миллиона солнечных батарей. Но дело в том, что они служат только 25-30 лет. А чтобы их перерабатывать, нужно специальное оборудование и квалифицированные сотрудники.
Поэтому солнечные батареи часто просто выбрасывают. Результат – в почве оказываются тяжёлые металлы, которые потом попадают в пищу через растения. Если их будет много в организме, тяжёлые металлы могут вызывать заболевания сердца, расстройства нервной системы, печени и других органов.
Ветрогенераторы служат около 15 лет. И здесь тоже возникает сложность с утилизацией. Самую большую их деталь – лопасти – делают из стеклопластика, и утилизировать их почти невозможно. Тысячи таких лопастей ежегодно отправляется на свалку, где их закапывают в землю или песок.
Практическая часть «Изготовление ветрогенератора из материалов в домашней лаборатории»
В практической части своего проекта я рассмотрела принцип работы ветрогенератора, который преобразовывает кинетическую энергию силы ветра в энергию вращения вала генератора.
Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси. Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.
Чтобы понять, сколько энергии может дать ветер, нужно вспомнить формулу кинетической энергии Е=mv²/2, где m – масса воздуха, а v – его скорость.
Массу воздуха m, проходящего через ветроколесо в единицу времени, выразим через скорость воздуха v, его плотность ρ и ометаемую пропеллером ветряка площадь S, через которую эта масса воздуха проходит.
Получим массу воздуха m =vρS.
Подставив это выражение в формулу кинетической энергии, получим Е=vρSv²/2.
Так как ометаемая пропеллером площадь – окружность, площадь окружности S заменим на Пи*D²/4, где D – диаметр этой окружности 3,14vρD²v²/8 сокращаем, получаем выражение Е= 0,393ρD²v³
Теперь наглядно видно, что энергия ветра пропорциональна квадрату диаметра ветроколеса и пропорциональна кубу скорости ветра и зависит ещё от плотности воздуха.
Для того, чтобы создать ветрогенератор из подручных средств, необходимо использовать следующие материалы и оборудование:
корпусной вентилятор для охлаждения компьютерного процессора;
щеточный моторчик от принтера;
электрический провод;
светодиод;
деревянная доска для изготовления подставки под ветрогенератор;
хомут для закрепления ветрогенератора на подставке;
саморезы;
клей;
изолента;
пила;
отвертка;
электрический паяльник.
Этапы изготовления ветрогенератора:
извлекаем из корпусного вентилятора головку с лопастями;
закрепляем на вал щеточного моторчика от принтера головку с лопастями при помощи клея;
электрическим паяльником припаиваем один конец электрического провода к проводу моторчика, а другой конец – к светодиоду;
изолируем стыки проводов при помощи изоленты;
изготавливаем деревянную подставку под ветрогенератор;
закрепляем ветрогенератор на подставку при помощи хомута.
Проверяем работоспособность ветрогенератора при помощи бытового фена. Направив струю воздуха от фена на лопасти, головка с лопастями начинает крутиться, приводя в движение вал моторчика, и светодиод загорается. Я выполнила несколько опытов с ветрогенератором, измерив с помощью вольтметра и амперметра напряжение и силу тока.
Для проведения измерений я использовала: фен бытовой Scarlett SC- 1076 мощностью 2000 Ватт, конструкцию с ветрогенератором, вольтметр и амперметр.
Примерную скорость потока воздуха, выдуваемый феном я взяла из технического паспорта прибора. На первой скорости средний поток воздуха – 10 м/с. На второй скорости средний поток воздуха – 15 м/с.
Для проведения первого измерения я направила фен на переднюю часть ветрогенератора, чтобы поток воздуха шёл против часовой стрелки, включив 1 скорость фена и подключив вольтметр, получила показания напряжения, затем не изменяв скорость и расстояние фена от ветрогенератора подключила амперметр. Ветрогенератор крутился очень медленно. Тоже самое проделываю, увеличив поток воздуха на 2 скорость. Значение измерений вы можете посмотреть в (таблице 1).
Таблица 1. Зависимость значений напряжения и силы тока от скорости потока воздуха, выдуваемого феном (модель ветра)
№ |
Скорость потока воздуха V, м/с |
Напряжение U, в |
Сила тока mA, мА |
1 |
10 |
0,3 |
8 |
2 |
15 |
1,6 |
52 |
Направив фен на заднюю часть ветрогенератора, поток воздуха дует по часовой стрелке. Я получила значения напряжения и силы тока на 1 скорости и на 2 скорости фена. Результаты измерений в (таблице 2).
Таблица 2. Зависимость значений напряжения и силы тока от скорости потока воздуха, выдуваемого феном (модель ветра
№ |
Скорость потока воздуха V, м/с |
Напряжение U, в |
Сила тока mA, |
1 |
10 |
1,6 |
28 |
2 |
15 |
2,3 |
58 |
Вывод по практической части:
Из подручных материалов была изготовлена модель ветрогенератора горизонтального типа, а также проверена его работоспособность, определена мощность и коэффициент полезного действия.
Принцип работы модели ветрогенератора основан на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Роль ветра выполняет струя воздуха фена. Именно она вращает лопасти, что приводит во вращение ротор генератора. В результате этого вырабатывается электрический ток. Светодиод загорается.
По итогам работы над проектом мною снят видеоролик об использовании ветра и преобразовании его энергии в электрическую с помощью самодельного устройства – действующей модели ветрогенератора как альтернативного источника энергии. Теперь этот ролик демонстрируется на уроках физики в 7,8 классах.
Заключение
В ходе выполнения проекта были изучены принцип работы ветрогенератора, создана его модель и проверена её работоспособность. Многие учащиеся нашего лицея уже создавали модели ветрогенераторов, но автор проекта первым создал модель ветрогенератора, используя комплектующие от неработающей компьютерной техники. Созданная модель ветрогенератора может быть использована для демонстрации физических явлений на уроках физики. Авторский видеоролик помогает понять весь процесс преобразования энергии ветра в электрическую.
Так как эффективность работы ветрогенератора зависит от направления ветра, в дальнейшем автор проекта планирует усовершенствовать конструкцию своей модели, снабдив её устройством автоматического поворота оси вращения. Выполнив исследовательский проект, я убедилась в том, что проблема исчезновения природных ресурсов и ухудшения экологии Земли сегодня является одной из самых глобальных проблем.
В практической части мне удалось самой выработать энергию и замерить её значения. Мною была изучена дополнительная информация, благодаря чему я открыла для себя много в сфере энергетики.
Целью моего проекта было исследовать получение электроэнергии с помощью ветра и попробовать сделать действующую модель ветрогенератора. Цель я достигла благодаря решению ряда задач, а именно: мною были изучены технологии альтернативной энергетики; рассмотрела ситуацию энергосистемы в России и в мире; провела опыты с измерениями с помощью конструкции ветрогенератора.
Зелёная энергетика – это возможность сделать нашу планету лучше и чище!
Список литературы
1. «Как сделать самому ветроэлектрический агрегат», Е.М.Фатеев, Госэнергоиздат, Ленинград, 1949 г.
2. «Ветродвигатели и ветроустановки», Е. М. Фатеев, ОГИЗ, Москва, 1947 г.
3. «Библиотека юного конструктора. Простейшая ветроэлектростанция», Б. Б. Кажинский, ДОСАРМ, Москва, 1949 г.
4. «Неисчерпаемая энергия. Книга 1 Ветроэлектрогенераторы», В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев, Харьков "ХАИ", 2003 г.
5. «Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов», П.П. Безруких, Институт устойчивого развития Общественной палаты Российской Федерации/Центр экологической политики России, Москва, 2011 г.
Приложение
Фото 1. Действующая модель ветрогенератора
Фото 2. Корпусной вентилятор для охлаждения компьютерного процессора
Щеточный моторчик от принтера