XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Самодельный генератор как альтернативный источник энергии
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Генераторы играют важную роль в обеспечении бесперебойной работы как крупных промышленных объектов, так и частных домовладений, особенно в удаленных уголках нашей страны. Я тоже отношусь к числу тех, кто живет вдали от городской суеты, где электричество становится жизненно важным ресурсом. В наших домах практически всё зависит от стабильного электроснабжения: будь то подача воды из скважины или работа отопительного оборудования, которое зачастую питается газом, но требует электричества для управления. Однако, несмотря на всю важность этой энергии, перебои с её подачей – частое явление в сельской местности. Чаще всего причиной становятся капризы природы: мокрый снег, который налипает на линии электропередачи, или мощные грозы, способные повредить провода. Именно в такие моменты генератор становится настоящим спасением, позволяя поддерживать комфортную жизнь даже в условиях вынужденного отключения электроэнергии.
Я считаю, что выбранная мною тема актуальна, потому что в современном мире человечество не представляет своей жизни без комфортных условий, в том числе, без электроэнергии. Сегодня Россия является страной с огромнейшими запасами топлива. Но есть одна проблема: во-первых, она заключается в сложности передачи электроэнергии в некоторые региона страны. Во-вторых, не стоит забывать об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива (продукты сгорания загрязняют воздух, увеличивается содержание парниковых газов в атмосфере). Генераторы, построенные на использовании возобновляемых источников энергии, могут решить эти проблемы.
Цели данной работы: Используя полученные знания, создать рабочую модель генератора в лабораторных условиях школы.
Задачи проекта:
-
изучить теоретический материал по теме исследования, собрать информацию о генераторах;
-
выявить минусы и плюсы для практической части проекта;
-
изучить подробно информацию о БТГ (бестопливные генераторы);
-
создать собственную модель генератора для получения электроэнергии;
-
сделать выводы по теме исследования.
Гипотеза: генератор–сложное техническое устройство, разрабатываемое в условиях завода. Так ли это? И смогу ли я создать рабочую модель генератора в домашних условиях?
Методы исследования:
1. Изучение теоретического материала по теме – поиск в различных источниках: книги, статьи, сеть Интернет.
2. Эксперимент – создание модели в условиях школьной лаборатории.
Объект исследования: генераторы различных видов
Предмет исследования: способы получения электроэнергии из альтернативных источников (в моем случае генераторов).
Практическая значимость работы состоит в возможности применения данных материалов в ходе проведения уроков, внеклассных мероприятий для школьников, расширяя кругозор. А также данная тема позволяет углубиться еще больше в вопросы, связанные с альтернативным получением энергии.
Глава 1: Генераторы как источник энергии.
1.1 Общая информация про генераторы:
Генератор – это устройство, предназначенное для преобразования одного вида энергии в другой. Чаще всего речь идет о преобразовании механической, тепловой, световой, химической энергии в электрическую. Генераторы бывают различных видов и размеров, начиная от маленьких портативных устройств и заканчивая огромными промышленными установками. Их основные принципы работы основаны на законах физики, таких как закон электромагнитной индукции Фарадея (закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила (ЭДС) в замкнутом контуре равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром). В случае электромеханического генератора, вращающееся магнитное поле (создаваемое ротором) индуцирует электрический ток в неподвижной обмотке (статоре). В тепловых генераторах, например, термоэлектрическом эффекте, разница температур между двумя материалами вызывает поток электронов, создавая электрический ток.
Доказывая актуальность использования генераторов, хочу подчеркнуть, что в них больше всего нуждаются промышленные объекты и, конечно, владельцы жилых домов в глухих деревушках. К ним отношусь и я. У таких жителей как мы жизнедеятельность дома тесно связана с электричеством: вода из скважины, работа газового котла. И порой происходят отключение электричества. Причиной возникшей ситуации в основном является погода: налипший мокрый снег или гроза могут разорвать цепь проводов. И тогда спектр возможностей иссекает. Именно в этот момент нам и помогает генератор.
1.2 Виды генераторов:
-
-
-
Ветрогенератор К ветрогенераторам относятся ветряные мельницы, электростанции и им подобные. Принцип работы основан на преобразовании кинетической энергии движения воздуха (Рис. 1).
-
-
Рисунок 1. Ветрогенераторы
Различают данные генераторы по ориентации рабочей оси вращения, по их назначению, по мощности.
По ориентации рабочей оси вращения представлены:
- Вертикальные (ось вращения находится вертикально по отношению к направлению ветра),
- Горизонтальные (ось вращения находится горизонтально по отношению к направлению ветра)
По назначению:
- Бытовые: используются для обеспечения электроэнергией частных домов, ферм и небольших предприятий. Мощность таких устройств варьируется от нескольких сотен ватт до десятков киловатт.
- Оффшорные: устанавливаются в море или озерах, где скорость ветра обычно выше. Оффшорные ветровые фермы способны вырабатывать значительное количество электроэнергии.
- Коммерческие: применяются для больших объектов, таких как промышленные предприятия, офисные здания и целые районы. Мощность коммерческих ветрогенераторов может достигать мегаватт.
По мощности:
- Мощностью от 100 кВт до 5000 кВт.
- Мощностью 20 кВт до 100 кВт.
- Мощностью от 0,3 Вт до 20 кВт.
-
-
-
. Гидрогенератор. Гидрогенератор собой представляет электрическую машину, которая преобразует механическую энергию воды в электрическую энергию (Рис.2). Гидрогенераторы используются на гидроэлектростанциях для выработки электроэнергии за счет движения водных потоков. Они являются ключевым элементом в системе генерации энергии на ГЭС. Принцип работы гидрогенератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. В основе конструкции генератора лежит ротор, который вращается под воздействием потока воды через гидротурбину. Ротор представляет собой магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов или обмоток возбуждения. При вращении ротора в статоре (неподвижной части генератора), который содержит обмотки, индуцируется электрический ток.
-
-
Рисунок 2. Гидрогенератор
Классифицируются гидрогенераторы по типу ротора, по напряжению, по способу охлаждения.
По типу ротора:
- Синхронный генератор: Генератор с постоянным числом оборотов, которое совпадает с частотой сети. Синхронные гидрогенераторы наиболее распространены.
- Асинхронный генератор: работает с переменной скоростью вращения, но требует внешнего источника реактивной мощности для нормальной работы.
По напряжению:
- Низковольтные (до 10 кВ)
- Средневольтные (10–35 кВ)
- Высоковольтные (более 110 кВ)
По способу охлаждения:
- Воздушное охлаждение: используется в небольших генераторах. Воздух циркулирует внутри корпуса генератора, отводя тепло.
- Водяное охлаждение: применяется в мощных генераторах. Вода циркулирует через специальные каналы в обмотках и сердечниках, обеспечивая эффективное охлаждение.
- Масляное охлаждение: масло используется для охлаждения обмоток и других элементов генератора.
-
-
-
. Термогенератор
-
-
Термогенератор – это устройство, которое преобразует тепловую энергию в электрическую посредством термоэлектрического эффекта (Рис. 3). Термоэлектрический эффект заключается в возникновении разности потенциалов между двумя различными проводниками при их нагреве до разных температур. Этот процесс основан на явлении, известном как эффект Зеебека, когда температура двух концов проводника различается, электроны начинают перемещаться от горячего конца к холодному, создавая электрический ток.
Рисунок 3. Термогенераторы
Принцип работы:
Основной принцип работы термогенератора основывается на использовании разницы температур между двумя сторонами устройства. Одна сторона генератора подвергается воздействию тепла, а другая остается холодной. Это создает градиент температуры, который приводит к возникновению электрического тока благодаря термоэлектрическому эффекту. Поток электронов через материал генерирует напряжение, которое затем можно использовать для питания электрических устройств.
Классификация термогенераторов:
Термогенераторы можно классифицировать по различным критериям:
1.По типу используемого материала:
- Полупроводниковые термогенераторы: используют полупроводники, такие как кремний, германий и соединения теллурида висмута.
- Металлические термогенераторы: основаны на металлических сплавах, таких как медь-константан или железо-никель.
2. По источнику тепла:
- Солнечные термогенераторы: используют солнечную радиацию для нагрева одной стороны устройства.
- Геотермальные термогенераторы: получают тепло из недр Земли.
- Радиоактивные термогенераторы: работают на основе радиоактивного распада, выделяющего тепло.
3. По назначению:
- Промышленные термогенераторы: используются в энергетике, на предприятиях и в научных исследованиях.
- Бытовые термогенераторы: применяются в автономных системах электроснабжения, например, в походных условиях.
4. По конструкции:
- Модульные термогенераторы: состоят из отдельных модулей, соединенных последовательно или параллельно.
- Интегральные термогенераторы: представляют собой единое целое, где элементы интегрированы в одну структуру.
1.2.4 Приливные генераторы
Приливный генератор – это устройство, предназначенное для преобразования энергии морских приливов и отливов в электрическую энергию (Рис. 4). Он использует кинетическую энергию воды, которая движется под воздействием гравитационных сил Луны и Солнца.
Принцип работы приливного генератора схож с работой традиционной гидроэлектростанции. Вода, двигаясь под действием прилива, проходит через турбины, установленные в море или океане. Турбины вращаются, приводя в движение генераторы, которые производят электричество. Когда вода отступает во время отлива, она снова проходит через турбины, продолжая генерировать электроэнергию.
Рисунок 4. Приливные генераторы
Приливные генераторы можно классифицировать по нескольким параметрам:
1. По месту установки:
- Береговые: устанавливаются непосредственно на берегу моря или океана, часто в устьях рек или заливов.
- Оффшорные: располагаются вдали от берега, обычно в открытом море или океане.
2. По типу конструкции:
- Барражные: включают плотины или барьеры, перекрывающие часть залива или устья реки. Вода накапливается за барражем во время прилива, а затем выпускается через турбины во время отлива.
- Подводные турбины: напоминают ветряные турбины, но установлены под водой. Они вращаются под воздействием течения воды, вызванного приливами и отливами.
3. По принципу работы:
- Однонаправленные: вырабатывают электроэнергию только во время одного из циклов (прилив или отлив).
- Двухнаправленные: способны производить электроэнергию как во время прилива, так и во время отлива.
4. По мощности:
- Малые: мощностью до нескольких мегаватт, подходят для локального энергоснабжения небольших населенных пунктов.
- Средние: мощностью несколько десятков мегаватт, могут обеспечивать энергией небольшие города.
- Крупные: мощностью свыше сотни мегаватт, способные снабжать электроэнергией крупные населенные пункты и промышленные объекты.
1.2.5. Ядерные генераторы
Рисунок 5. Ядерные генераторы
Ядерным генератором называют устройство, использующее ядерную реакцию для преобразования энергии в электрическую (Рис. 5). В большинстве случаев такие устройства представляют собой часть атомной электростанции (АЭС), где происходит цепная реакция деления тяжелых элементов (например, уран-235 или плутоний-239). Полученное при этом тепло используется для генерации пара, который приводит в движение турбину, соединённую с электрическим генератором.
Принцип работы ядерного генератора основан на использовании ядерной реакции деления тяжёлых атомных ядер. Основные этапы процесса:
1. Цепная реакция деления: В реакторе происходит деление атомных ядер топлива (обычно урана-235 или плутония-239) под воздействием нейтронов. При делении одного атома выделяется несколько новых нейтронов, которые вызывают дальнейшее деление других атомов, поддерживая цепную реакцию.
2. Выделение тепла: при каждом акте деления высвобождается большое количество энергии в виде тепла. Это тепло передаётся теплоносителю (воде или другому веществу).
3. Превращение тепла в пар: Нагретый теплоноситель поступает в теплообменник, где передает своё тепло воде, превращая её в пар высокого давления.
4. Приведение в движение турбины: Пар под высоким давлением направляется на лопатки турбины, заставляя её вращаться.
5. Генерация электричества: Турбина связана с электрическим генератором, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую.
Ядерные генераторы можно классифицировать по нескольким критериям:
1. По типу реактора:
- Легководные реакторы (LWR): Реакторы этого типа используют обычную воду в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя. Они делятся на два основных вида:
- Реакторы с водой под давлением (PWR) – вода находится под высоким давлением, чтобы предотвратить кипение.
- Кипящие водяные реакторы (BWR) – вода кипит прямо внутри реактора, образуя пар, который сразу же подается на турбину.
- Тяжеловодные реакторы (HWR): используют тяжёлую воду (D₂O) в качестве замедлителя и теплоносителя. Пример – канадский реактор CANDU.
- Графитогазовые реакторы (GGR): Графит служит замедлителем нейтронов, а углекислый газ – теплоносителем. Такие реакторы использовались в Великобритании.
- Быстрые реакторы (FBR): работают без замедления нейтронов, используя быстрые нейтроны для поддержания цепной реакции. Эти реакторы способны использовать больше урана и производить меньше отходов.
2. По назначению:
- Энергетические реакторы: Основное назначение – производство электрической энергии. Большинство действующих АЭС используют именно этот тип реакторов.
- Исследовательские реакторы: Предназначены для проведения научных исследований, тестирования материалов и производства радиоактивных изотопов.
- Судовые реакторы: устанавливаются на подводных лодках, авианосцах и ледоколах для обеспечения их энергией.
- Космические реакторы: Разработаны для использования в космических аппаратах и спутниках.
3. По поколению:
- Первое поколение: Ранние прототипы и коммерчески эксплуатируемые реакторы, разработанные в середине XX века.
- Второе поколение: Современные реакторы, работающие с улучшенными системами безопасности и управления.
- Третье поколение: более безопасные и эффективные реакторы, обладающие повышенной устойчивостью к авариям.
- Четвёртое поколение: Перспективные проекты, находящиеся на стадии разработки и испытаний. Включают реакторы с использованием ториевого цикла и высокотемпературные реакторы.
Глава 2: Анализ эффективности генераторов для выбора модели, которая будет выбрана для создания в практической части.
Создание собственных генераторов может быть интересным практическим проектом, но важно учитывать множество факторов. Среди них такие, как: технические возможности, доступность ресурсов и потенциальные риски при создании. Рассмотрим плюсы и минусы каждого из предложенных типов генераторов (сразу же исключим из исследования ядерные и приливные генераторы).
2.1 Гидрогенератор:
Плюсы:
1. Неиссякаемый источник энергии: если рядом есть река или другой постоянный поток воды, то энергия будет поступать непрерывно.
2. Экологичность: Гидроэнергия является возобновляемым источником, она не выделяет вредных веществ в атмосферу.
3. Низкая стоимость эксплуатации: после установки оборудования затраты на обслуживание минимальны.
4. Простота конструкции: для небольших установок достаточно простого набора компонентов, таких как колесо, вал и генератор.
Минусы:
1. Зависимость от природных условий: требуется наличие постоянного потока воды достаточной мощности, что ограничивает возможность размещения генератора.
2. Высокие начальные затраты: Строительство плотин или каналов требует значительных вложений.
3. Эффект на окружающую среду: Создание плотин может повлиять на экосистемы рек и озёр, нарушить миграцию рыб и изменить уровень грунтовых вод.
2.2 Ветрогенератор:
Плюсы:
1. Доступность ресурса: Ветер доступен практически везде, хотя его сила и направление могут варьироваться.
2. Отсутствие выбросов: Ветроэнергетика не производит вредных выбросов в атмосферу.
3. Модульность: можно установить несколько ветротурбин для увеличения общей мощности системы.
4. Возможность автономии: Ветрогенераторы часто используются в удалённых районах, где нет доступа к электросети.
Минусы:
1. Зависимость от погодных условий: Эффективность генератора сильно зависит от силы и направления ветра.
2. Шум и визуальное воздействие: Ветротурбины могут создавать шум и влиять на ландшафт, что вызывает недовольство местных жителей.
3. Высокая начальная стоимость: Производство и установка ветрогенераторов требуют значительных финансовых затрат.
4. Ограниченная мощность: для достижения высокой производительности необходимы большие размеры турбин и высокие башни.
2.3 Термогенератор
Плюсы:
1. Компактность: Термогенераторы могут быть небольшими и портативными.
2. Долговечность: Отсутствие движущихся частей увеличивает срок службы устройства.
3. Универсальность: может работать на различных источниках тепла, включая солнечные панели, костры и даже двигатели автомобилей.
4. Бесшумность: отсутствует шум от работы двигателя или турбины.
Минусы:
1. Низкий КПД: Термоэлектрические генераторы имеют низкий коэффициент полезного действия, что ограничивает их применение.
2. Необходимость стабильного источника тепла: требуется постоянное поддержание разницы температур между горячей и холодной сторонами устройства.
3. Стоимость материалов: Некоторые компоненты, такие как полупроводники, могут быть дорогими.
4. Ограничения по мощности: Мощность термоэлектрических генераторов обычно невелика, что делает их непригодными для крупных энергетических проектов.
Проанализировав различные виды генераторов, соотнеся их плюсы и минусы по исследуемым критериям, я понял, что главным минусом для всех генераторов является большие материальные затраты: детали, оборудование, общие условия создания. И в поисках бюджетного типа генератора я обратил свое внимание на электрофорную машину.
Электрофорная машина (Рис. 6) – это электростатический генератор, предназначенный для получения больших зарядов и высоких разниц потенциалов при постановке демонстрационных опытов по электростатике. Основной частью таких машин является электрофор – прибор для получения электрических зарядов путём индукции.
Рисунок 6. Электрофорная машина
Глава 3. Практическая часть исследовательской работы
3.1. Создание схемы электрофорной машины.
|
1. CD – R диски 2. медные провода (щетки) 3.доска с прикрепленными пластинами (каркас) Рисунок 7. Схема электрофорной машины |
3.2. Описание эксперимента по созданию электрофорной машины в условиях лаборатории лицея.
Цель эксперимента: Создать рабочую модель электрофорной машины. наглядно увидеть, что машина рабочая.
Используемые приборы и материалы(Рис. 8):
1. диск
2. алюминиевый скотч
3. блок питания
4. два минимоторчика
5. доска
6. четыре медных провода (многожильных)
7. два прочных медных провода
8. вольтметр
Рисунок 8
Описание эксперимента.
1. Наждачной бумагой убрал с CD – R дисков изоляцию.
2. Расчертил и вырезал 16 равнобедренных трапеций алюминиевого скотча и приклеил равномерно на диски по 8 трапеций на каждый диск так, чтобы меньшее основание трапеций смотрело в центр диска.
3. За счет суперклея соединил диски и моторчики попарно таким образом, чтобы трапеции на зеркально располагающихся дисках смотрели наружу.
4. Сделал каркас из доски и прикрепил к ней две железных пластины, на которых в свою очередь прикрепил моторчики с дисками.
Механизм собран.
3.3 Принцип работы устройства: Медные провода (щетки) собирают электрический заряд с алюминиевого скотча, примотанного к быстро крутящимся дискам. К щеткам припаяны провода, которые уже соединяются с вольтметром. Показания вольтметра меняются в зависимости от состояния машины. Так, когда электрофорная машина была в выключенном состоянии, вольтметр давал показания в радиусе 0,0009В (Рис. 9). Когда же я подключил машину к блоку питания и диски завращались, вольтметр поднял свои показания до 0,1120В (Рис. 10).
|
Рисунок 9 |
Рисунок 10 |
3.4 Перспектива работы: расчет и измерение параметров
Вывод: даже в лаборатории лицея можно собрать простейшую модель генератора в рабочем состоянии, способную демонстрировать молнию. К сожалению, электрофорная машина не находит свое место в быту, но служит наглядном примером на уроках физики.
3.5 Расчёт затрат на изготовление электрофорной машины представлены в Таблице 1.
Остальные материалы, а именно медные провода, фольгу, картон железные пластины и доску (для каркаса) я нашел у себя дома.
Заключение.
Выводы о значении исследуемой темы:
Работа над выбранной темой позволила мне узнать большой объем информации о различных видах генераторов. Разобравшись в них, проанализировав все их плюсы и минусы, рассчитав собственные технические возможности и необходимые затраты, я смог создать простую модель генератора и добиться визуального эффекта от его работы – изменения в показаниях вольтметра. Таким образом, в ходе работы я подтвердил часть поставленной в начале проекта гипотезы, собрав генератор в домашних условиях.
Однако генератор не может получать энергию изнеоткуда, так как это противоречит законам физики: бесконечного двигателя не существует. Тем не менее я рассчитываю и дальше продолжать работать над этим проектом и совершенствовать собранный генератор.
На сегодняшний день мое изобретение возможно к применению только для демонстрации возможностей физики как науки – в лицее и других образовательных учреждениях. Однако, имеются бестопливные генераторы, принцип работы которых заключается в том, что, прилагая к ним лишь небольшое усилие, механизм далее сам раскручивается и работает уже без воздействия сил человека. Такие усовершенствованные устройства возможно применить в быту: в отоплении и электроснабжении жилого дома – как альтернативный источник энергии. Работе таких механизмов я хочу посвятить свой следующий проект.
Список литературы
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гало
-
https://dzen.ru/a/ZKa_eQ09bGIHdb_t
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрофорная_машина