XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

1. Цель проекта

Целевой установкой данного научно-исследовательского проекта является комплексное изучение корреляционной зависимости между геометрической конфигурацией лопастей ветроэнергетической установки и генерируемым электрическим напряжением. Исследовательский фокус направлен на идентификацию и количественную оценку дополнительных детерминантов эффективности, включая массовые характеристики лопастной системы и интенсивность аэродинамического воздействия, оказывающих существенное

влияние на энергетическую производительность ветрогенерационной установки.

2. Задачи проекта

Для реализации поставленной исследовательской цели были сформулированы следующие ключевые задачи:

• Конструирование экспериментальной модели ветрогенератора: Создание функциональной конструкции ветроэнергетической установки с применением современных материалов и технологических решений.

• Инженерное проектирование лопастной системы: Математическое моделирование и прецизионное изготовление двух типологически различных лопастей с варьируемой геометрией поперечного сечения для проведения сравнительных экспериментов.

• Осуществление экспериментальных измерений: Систематическое определение электрического напряжения, генерируемого при воздействии контролируемого воздушного потока на лопастную систему в различных эксплуатационных условиях.

• Аналитическая обработка эмпирических данных: Выявление статистических закономерностей и установление степени влияния морфологических характеристик лопастей, их массовых параметров и площади поперечного сечения на энергетическую эффективность ветрогенератора.

• Формулирование научно обоснованных выводов: Разработка практических рекомендаций по оптимизации энергетической эффективности

ветроэнергетических установок посредством модификации геометрических параметров лопастной системы.

3. Теоретическая база исследования

Научно-исследовательский проект базируется на фундаментальных принципах физики и инженерной механики, обеспечивающих теоретическое обоснование функционирования ветроэнергетических установок и взаимодействия их компонентов с окружающей аэродинамической средой.

1. Принцип энергетического преобразования в ветрогенераторе

Ветроэнергетическая установка осуществляет трансформацию кинетической энергии воздушных масс в механическую энергию ротационного движения

лопастной системы с последующим преобразованием в электрическую энергию посредством генераторного механизма. Эффективность данного энергетического процесса находится в прямой зависимости от конструктивных особенностей лопастей и их аэродинамических характеристик при взаимодействии с воздушным потоком.

2. Применение закона Бернулли

В соответствии с принципом Бернулли, вариация скоростных параметров

воздушного потока обусловливает изменение давления. Лопасти с уменьшенным поперечным сечением создают минимальное аэродинамическое сопротивление при соответственно сниженной силе давления, в то время как лопасти

увеличенного сечения максимизируют площадь контактного взаимодействия с воздушной средой, что потенциально увеличивает давление.

3. Влияние массовых характеристик и инерционных свойств

Массовые параметры лопастей играют определяющую роль в их способности к ускорению под воздействием аэродинамических сил. Лопасти повышенной массы характеризуются увеличенной инерцией, что может замедлять

ротационное движение, однако одновременно обеспечивает стабилизацию вращения при постоянном потоке.

4. Значение площади поперечного сечения

Площадь поперечного сечения лопастей определяет объём воздушных масс, подверженных их воздействию. Увеличение данного параметра интенсифицирует аэродинамическое воздействие на лопастную систему, что способствует возрастанию крутящего момента.

5. Факторы трения и аэродинамического сопротивления

Гладкость поверхности лопастей минимизирует аэродинамическое сопротивление, обеспечивая повышенную скорость вращения. Данный аспект приобретает особую значимость для лопастей уменьшенного сечения, где каждая единица поверхности играет критическую роль.

4. Научная гипотеза

На основании теоретического анализа была сформулирована следующая научная гипотеза:

“Электрическое напряжение, генерируемое ветроэнергетической установкой, находится в функциональной зависимости от морфологических характеристик лопастей, их массовых параметров и площади поперечного сечения. Лопасти увеличенного сечения с большей площадью поперечного сечения будут демонстрировать превосходящие показатели напряжения при аэродинамическом воздействии на узкую грань, в то время как лопасти уменьшенного сечения с пониженной массой проявят большую эффективность при воздействии на широкую грань.”

5. Методологическая концепция

Методологический подход проекта включает следующие последовательные этапы:

1. Подготовительная фаза материально-технического обеспечения

• Применение технологии трёхмерной печати для прецизионного изготовления компонентов ветрогенератора.

• Закупка специализированных материалов (пластиковое сырьё для печати, электромоторы).

• Подготовка инструментального комплекса для сборочных операций и поверхностной обработки (термопистолет, абразивные материалы).

2. Этап цифрового моделирования

• Создание технических чертежей всех конструктивных элементов в программной среде Компас-3D.

• Выполнение расчётов размерных параметров и пропорциональных соотношений для обеспечения точной сборки.

3. Производственная фаза печати и обработки

• Изготовление деталей посредством трёхмерной печати.

• Поверхностная обработка для минимизации аэродинамического сопротивления.

4. Сборочный процесс ветрогенератора

• Последовательная интеграция всех компонентов с применением термоклеевого соединения.

• Монтаж электромотора и лопастной системы.

5. Экспериментальная фаза исследований

• Измерение электрического напряжения при воздействии контролируемого воздушного потока на различные поверхности лопастей.

• Сравнительный анализ результатов для двух типов лопастной системы.

6. Аналитическая обработка данных

• Компаративный анализ значений напряжения в различных экспериментальных условиях.

• Идентификация факторов, оказывающих максимальное влияние на энергетическую производительность.

6. Прогнозируемые результаты исследования

На основании проведённых экспериментальных исследований предполагается получить следующие научные результаты:

• Лопасти увеличенного сечения с большей площадью поперечного сечения продемонстрируют превосходящие показатели напряжения при

аэродинамическом воздействии на узкую грань.

• Лопасти уменьшенного сечения с пониженными массовыми характеристиками проявят повышенную эффективность при воздействии на широкую грань.

• Электрическое напряжение будет зависеть не исключительно от

геометрической конфигурации лопастей, но также от их массовых параметров и направленности воздушного потока.

7. Практическая значимость исследования

Результаты проекта представляют научно-практическую ценность для:

• Совершенствования конструктивных решений ветроэнергетических установок посредством оптимизации морфологических характеристик лопастной системы.

• Разработки технических рекомендаций по селекции лопастей для специфических эксплуатационных условий.

• Образовательных программ, демонстрирующих практическое применение фундаментальных физических законов в современных технологиях.

Практическая реализация исследования

Наступил этап практической реализации нашего научного замысла. После завершения теоретического обоснования мы приступили к материализации концептуальных решений в экспериментальную модель.

1. Выбор программного обеспечения для цифрового моделирования

Для инженерного проектирования и конструирования деталей была выбрана

программная платформа Компас-3D. Данное решение обусловлено многолетним опытом работы с указанным программным продуктом в рамках образовательного процесса нашего учебного заведения с пятого класса, что обеспечило высокий уровень владения инструментарием. Следует отметить исключительную

функциональность и интуитивность интерфейса, позволившую создать

прецизионные детали, идеально соответствующие конструктивным требованиям.

2. Процесс моделирования и производства ветрогенератора

Первоочередной задачей являлось создание базовой платформы, обеспечивающей статическую устойчивость ветроэнергетической установки. Конструктивное исполнение представляет собой следующую конфигурацию:

На данную основу устанавливается вертикальная башенная конструкция с коническим сужением по мере увеличения высоты. Далее на башню монтируется крепёжный узел для электромотора, осуществляющего регистрацию электрического напряжения, вырабатываемого ветрогенератором. Данный

конструктивный элемент, благодаря инженерному решению, обеспечивает

прочное и надёжное соединение между компонентами системы.Последующий компонент представляет собой роторный колпак с тремя прецизионными

вырезами для фиксации лопастей, которые будут закреплены на данном элементе.

Наиболее критичными для экспериментального исследования являются лопасти.

Учитывая необходимость выявления зависимости напряжения от

морфологических характеристик лопастей, было принято решение о создании двух типологически различных вариантов, причём каждый тип лопасти

изготавливается в трёх экземплярах.

Первый тип ориентирован на минимизацию площади поперечного сечения для увеличения давления и более эффективного преодоления аэродинамического сопротивления.

Второй тип характеризуется преобладанием массовых характеристик при увеличенной площади поперечного сечения.

После завершения цифрового моделирования всех компонентов ветрогенератора был инициирован процесс их производства. Рабочая поверхность 3D-принтера была тщательно обработана специализированным лаком для оптимальной фиксации деталей, проведена калибровка уровня платформы. Осуществлялся

непрерывный мониторинг процесса печати для предотвращения технологических отклонений. По завершении производственного цикла детали аккуратно извлекались с поддерживающих структур при помощи специализированного шпателя.

В результате производственного процесса был получен комплект деталей. Однако тонкостенное исполнение деталей потребовало изготовления дополнительного деревянного элемента, который крепится на вал мотора для последующего монтажа роторного колпака, поскольку прямое соединение вала с колпаком было технически неосуществимо из-за полой внутренней структуры детали.

3. Сборка и финишная обработка компонентов ветрогенератора

Предварительно все детали подвергались поверхностной обработке абразивными материалами, с особым вниманием к лопастям, для которых

необходимо достижение идеальной гладкости поверхности с целью минимизации аэродинамического сопротивления.

Для обеспечения прочной интеграции компонентов было выполнено тщательное моделирование деталей с точным соотнесением размерных параметров.

Основание фиксировалось посредством термопистолета для обеспечения максимальной устойчивости ветрогенератора. Все элементы конструкции идеально позиционировались в предназначенных для них посадочных местах благодаря прецизионному моделированию.

4. Экспериментальные исследования

После завершения поэтапного процесса создания модели ветрогенератора была инициирована фаза экспериментальных исследований. Для проведения

измерений использовались вольтметр, проводники и воздуходувное устройство.

При включении воздуходувки и направлении потока на лопасти, проводники вольтметра подсоединялись к мотору, обеспечивая генерацию электрического тока с определённым номинальным напряжением вследствие ротации лопастей, что отображалось на измерительном приборе.

В первом эксперименте воздушный поток направлялся на узкую грань лопасти. У лопастей увеличенного сечения зафиксировано значение 0,4 Вольта, у лопастей уменьшенного сечения – 0,3 Вольта. Полученные результаты соответствуют

теоретическим прогнозам.

В данном случае площадь поперечного сечения преобладает у лопастей увеличенного сечения, поскольку воздушные массы воздействуют на большую площадь поверхности. У лопастей уменьшенного сечения площадь поперечного сечения значительно меньше, что обусловливает меньшее воздействие

воздушного потока.

Безусловно, на скорость ускорения ветрогенератора влияют массовые характеристики лопастей, и различие в массах между типами лопастей является существенным.

   

Взвешивание образцов на аналитических весах показало следующие результаты:

• Масса лопастей уменьшенного сечения – 16,4 грамма

• Масса лопастей увеличенного сечения – 20,3 грамма

Соотношение массовых характеристик составляет 20,3/16,4=1,24

Измерение ширины штангенциркулем обеспечило максимальную точность

соотношения. Поскольку длина идентична, сравнение площадей осуществлялось посредством измерения ширины граней.

Соотношение площадей составляет 5,5/3,75=1,47, что превышает соотношение масс. Следовательно, в данном случае площадь и соответствующая сила давления на узкую грань лопасти оказывают большее влияние на напряжение тока, чем различие в массовых характеристиках. Поэтому лопасть увеличенного сечения с большей массой генерирует большее напряжение по сравнению с образцом уменьшенного сечения.

Во втором эксперименте воздушный поток направлялся на широкую грань лопасти. В данном случае различие в площадях поперечного сечения оказалось менее значительным по сравнению с первым экспериментом, в то время как различие масс остаётся неизменным.

Проведение аналогичных операций с направлением воздушного потока на альтернативную грань показало следующие результаты:

• Напряжение на лопастях увеличенного сечения = 0,2 Вольта

• Напряжение на лопастях уменьшенного сечения = 0,3 Вольта

Интересно отметить, что результат оказался противоположным. Это объясняется аналогичными принципами. Поскольку различие в площадях поперечного сечения и соответствующее различие в силе аэродинамического воздействия менее значительно по сравнению с различием в массе, лопасти уменьшенного сечения оказывают большее давление на воздушную среду, обеспечивая более высокую скорость вращения и генерируя большее электрическое напряжение.

5. Заключительные результаты

Реализация данного научно-исследовательского проекта позволила установить, что электрическое напряжение действительно находится в зависимости от

морфологических характеристик лопастей. В ходе экспериментальной деятельности были выявлены дополнительные факторы, влияющие на данную величину: массовые параметры и сила аэродинамического воздействия,

представленная объёмом воздушных масс, воздействующих на поверхность лопасти.

Таким образом, без изменения геометрической конфигурации лопастей,

посредством простого изменения направления воздушного потока на различные

грани, возможно модифицировать эффективность функционирования

ветроэнергетической установки. Поскольку в экспериментальных условиях осуществлялось направленное воздействие в определённом направлении, а в естественной среде ветровые условия характеризуются вариативностью, в

реальных эксплуатационных условиях это проявляется как дополнительный фактор, определяющий электрическое напряжение – угол установки лопастей.