XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание ветрогенератора
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
У меня появилась идея создать ветрогенератор, который работает без батареек, т.е. автономно, с малыми трудовыми и финансовыми затратами. На своем примере я решил показать, что альтернативный источник энергии доступен каждому. Для чего нужен ветрогенератор? Для обеспечения себя некоторым количеством энергии для освещения автономным способом.
Актуальность:в прошлой работе я выяснил, как работает электродвигатель и возникла идея рассмотреть, откуда берется энергия для включения лампочки. В настоящее время всё больше людей проникаются идеей энергосбережения и получения электроэнергии при помощи экологически чистых, альтернативных источников в любом месте и при любых условиях. Это энергия рек, солнечная энергия, энергия ветра. У нас в городе применяются батареи, накапливающие солнечный свет у пешеходных переходов, фонарей в парках. Самый доступный – это ветровая энергия, получаемая ветрогенератором.
Гипотеза: я считаю, возможно собрать ветрогенератор в домашних условиях.
Цель: создание ветрогенератора и проверка его мощности.
Задачи:
1). Ознакомиться с историей создания ветрогенератора.
2). Изучить механизм его работы.
3). Узнать преимущества и недостатки ветрогенератора.
4). Создать ветрогенератор.
5). Проверить работоспособность ветрогенератора.
6). Оценить его мощность, отразить результаты в таблице.
7). Изучить литературу по данной теме.
Подтвердить мою гипотезу поможет моё исследование и создание ветрогенератора своими руками. Чтобы изготовить ветрогенератор мне нужно знать его внутреннее строение, поэтому в теоретической части я планирую это отразить. В практической части я сам изготовлю ветрогенератор, проверю его работоспособность и напряжение. Изучив всю информацию и выполнив практическую часть, я смогу проверить свою гипотезу и дам ответ на вопрос: «Возможно ли собрать ветрогенератор в домашних условиях?»
2.Теоретическая часть
2.1. История появления ветрогенератора
История появления ветрогенератора начинается с древних времен, когда люди начали строить ветряные мельницы для того, чтобы качать воду для орошения сельскохозяйственных культур и перемолоть зерно в муку. Археологи утверждают, что первые ветряные мельницы с вертикальной осью вращения появились в Египте, Китае и на территории современного Ирана. Там ученые обнаружили остатки каменных ветряных мельниц, построенных в 2-1 веках до н.э. В 9 веке на границе между современным Афганистаном и Ираном также были обнаружены ветряные мельницы. Это были мельницы с вертикальной осью, вертикальными валами и лопастями прямоугольной формы, обтянутые тканью. Функцией таких мельниц был помол зерна.
На территории современной Европы ветряные мельницы появились значительно позже, примерно в 12 веке. «Европейский вариант» с горизонтальной осью отличается принципиально от «восточного» с вертикальной осью. Это аргумент в пользу европейской изобретательности. Другая версия – это опыт, полученный в крестовых походах, где европейцы могли видеть восточные образцы. Распространению ветряков в Европе способствовало замерзание рек зимой, когда водяные мельницы переставали работать.
Первую ветроэнергетическую установку построил в 1887 году шотландский профессор Джеймс Блайт. Десятиметровый ветряк, установленный на участке его загородного дома, использовался для зарядки аккумуляторов, от которых дом питался электроэнергией. Это был первый в мире дом, обеспеченный электричеством с помощью ветра. Блайт предложил использовать остаток своего электричества для освещения главной улицы деревни, однако никто не согласился, считая электричество «силой дьявола».
В 1931 году французский изобретатель Дарье изобрел ветрогенератор с вертикальной осью. Это было превосходное инженерное решение: теперь ветряк мог работать при любом направлении ветра, а тяжелый генератор можно размещать на земле. Это позволило сэкономить на материалах и обслуживании ветроустановки.
Предшественником современных ветряков был советский ветряной двигатель около Ялты, работавший с 1931 по 1942 годы. Он обладал мощностью 100 кВт.
В 70-х годах прошлого века в мире разразился нефтяной кризис. Цена на нефть поднялась с 3 до 12 долларов за баррель. Это дало новый толчок для развития энергии ветра. США и Европейские страны резко увеличили финансирование исследований и производства оборудования для альтернативной энергетики. Результатом этого стали многочисленные технологии сооружения ветряков, мощность которых исчисляется мегаваттами. С этого момента стало возможным использование ветра в крупных масштабах.
В последнее время появился новый вид ветроустановок: плавающие ветровые турбины. Эти машины созданы для использования в отдаленных районах, где рядом нет источника энергии. Такие инженерные решения могут подключать к Интернету жителей отдаленных и изолированных районов.
Ветровые ресурсы нашей страны ещё предстоит освоить. Наличие пока дешёвого газа и электроэнергии на сегодня делает экономически нецелесообразным развитие альтернативной энергии. Тем не менее, в районах, где преобладает ветренная погода, а доступ к энергосети затруднен, использование ветроустановок – это верное решение!
2.2. Устройство ветрогенератора
Принцип действия ветрогенератора:
Ветер вращает лопасти установки и тем самым приводит в движение вал электрогенератора. Генератор вырабатывает электрическую энергию и, таким образом энергия ветра превращается в электрический ток. Электрический ток либо накапливается в аккумуляторе, а если включен переключатель, то происходит подключение лампочки (рис.1).
2.3. Преимущества и недостатки ветрогенератора
Ветрогенераторы можно разделить на 2 категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети и получается ветряная электростанция.
Преимущества:
- возобновляемый источник энергии – в отличие от ископаемого топлива, ветер невозможно исчерпать;
- после установки ветрогенераторы начинают производить электроэнергию бесплатно, не требуя затрат на топливо.
Недостатки:
- зависимость от погодных условий – ветряные турбины работают только при определённой скорости ветра;
- высокая стоимость установки и эксплуатации. Ветряные турбины требуют регулярного технического обслуживания и ремонта;
- угроза для птиц, они попадают в лопасти ветрогенераторов;
- вред окружающей среде – мусор, от демонтажа ветряков необходимо захоранивать, а это тонны пластика и металла.
3. Практическая часть
3.1. Подготовка к сборке ветрогенератора
Мне понадобятся: лопасти, электродвигатель (из сломанной радиоуправляемой машинки), фюзеляж - делаем из дерева, стойка – крепление для фюзеляжа, лампа диодная, аккумулятор, тумблер переключения – подача энергии на аккумулятор, провода, вольтметр, стабилизатор. Герметик, шнур для крепежа двигателя, штекер для подключения двигателя к аккумулятору и от аккумулятора к лампе, саморезы.
3.2. Применяемые инструменты: ножовка, дрель, сверла, паяльное оборудование, кусачки, отвертка, ключ универсальный для шурупов, плоскогубцы, рубанок ручной.
3.3. Создание ветрогенератора
Схема ветрогенератора (рис. 2)
Подготовили деревянные бруски для фюзеляжа, вырезали место под крыло и двигатель. Подготовили крыло и хвостовую часть, обработали рубанком, придали бруску форму крыла. Просверлили два отверстия в крыле и хвостовой части, скрепили саморезами. Закрепили двигатель шнуром и герметиком, в нижней части фюзеляжа установили шток для закрепления конструкции самолета на брусок для вращения самолета. Генератор закрепили на фюзеляже самолётика, от него вывели провод, закрепили в разьём из разьема идет два выхода: 1). Для проверки напряжения генератора, 2). Для питания (зарядки) аккумулятора. Аккумулятор, стабилизатор, контроллер - он необходим для распределения полученной энергии установили в блок с 2-мя разъёмами, его закрепили на стойке, которая держит фюзеляж. Первый разъём для входа питания, второй разъём для выхода к лампе. При постоянном вращении лопастей генератора энергия на лампу подаётся постоянно, при отсутствии ветра аккумулятор даёт энергию на лампу не менее 3 часов.
3.4. Проверка работоспособности ветрогенератора
1. Проверяем работоспособность от энергии ветра: включаем вентилятор, он приводит в движение лопасти и загорается лампочка от энергии ветра, чем сильнее ветер, тем ярче горит лампочка (рис.3)
Рис.3 работоспособность ветрогенератора от вентилятора
2. Проверяем работоспособность от накопленной в аккумулятор энергии ветра: включаем кнопку включения, выключения и лампочка загорается. Ветрогенератор я оставил на неделю на своём садовом участке и аккумулятор накопил энергию ветра. Чтобы получить стабильное напряжение равное 3,5 вольтам мы поставили стабилизатор. И на выходе энергии у нас всегда 3,5 Вольт (рис.4).
Рис. 4 работоспособность ветрогенератора от накопленной энергии
3.5. Проверка напряжения ветрогенератора:
Проверим напряжение ветрогенератора с помощью вольтметра: к переходнику, закрепленному на фюзеляже самолётика подсоединяем провода от вольтметра, включаем вольтметр, включаем вентилятор. На рисунке 5 - лопасти ветрогенератора вращаются не так быстро, поэтому его напряжение составляет 1,77 Вольт. На рисунке 6 -лопасти ветрогенератора вращаются очень быстро, поэтому его напряжение составляет 5,08 Вольт.
Рис. 5 напряжение ветрогенератора Рис.6 напряжение ветрогенератора
Проверим напряжение ветрогенератора от накопленной в аккумулятор энергии: включаем кнопку включения, выключения, расположенной на блоке, благодаря стабилизатору, который встроен в блок на стойке энергия на выходе всегда равна 3,5 Вольт (рис. 7) Рис.7 напряжение ветрогенератора
Таким образом, напряжение ветрогенератора зависит от скорости ветра и от схемы стабилизатора.
3.6. Яркость горения лампочки и скорость ветра:
Также на садовом участке я провёл опыт, как скорость ветра влияет на яркость горения лампочки.
Ход опыта: я установил ветряной двигатель на нашем садовом участке и наблюдал, как горит лампочка при разной скорости ветра, на которую прикреплен ветряк на протяжении 4 дней, результаты отражены в таблице.
Таблица 1. Яркость горения лампочки от скорости ветра (рис.8)
-
Дата
Скорость ветра
Как горит лампочка: (ярко, не ярко, тускло)
17.09.2025
До 6 м/с
Лампочка не горит
20.09.2025
До 10 м/с
Лампочка горит не ярко
24.09.2025
До 8 м/с
Лампочка горит тускло
28.09.2025
До 12 м/с
Лампочка горит ярко
Рис. 8
Результаты моих наблюдений: при более высокой скорости ветра лампочка горит ярко и наоборот, при небольшой скорости ветра лампочка горит не ярко, а при низкой скорости ветра - тускло.
4.Заключение
С помощью моего исследования мне удалось подтвердить мою гипотезу: возможно создать ветрогенератор в домашних условиях.
Выводы:
В ходе выполнения моей работы я узнал много нового. Как возможно преобразовать энергию ветра в электроэнергию. На опыте я установил, что мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра. Научился определять напряжение ветрогенератора с помощью вольтметра. Я улучшил свои навыки в поиске и обобщении большого объёма информации, а также в сборке и паянии. Научился правильно распределять своё время. Я думаю, в будущем мне будет интересен такой предмет, как физика, изучая который я получу ещё больше теоретических знаний.
Таким образом, цель достигнута, поставленные задачи исследования выполнены.
Практическая значимость:
- сделать такой ветряк просто и экономически выгодно;
-такое изделие легко ремонтируется и неприхотливо в использовании;
- безопасно, так как изготовлено из нетоксичных материалов;
Перспективы дальнейшей работы по теме:
В будущем я продолжу своё увлечение. Мне было бы интересно в будущем заниматься наукой. Я провёл исследование: от чего зависит мощность ветряного двигателя?
Использование в будущем - такой ветряной двигатель, который работает автономно от накопленной энергии можно использовать в домашнем хозяйстве – освещение двора, хозяйственных построек, складских помещений в тёмное время суток.
5. Список литературы:
1. Брылева В.А.,Воробьёва Л.Б., Груша Л.В., Дробышевская Н.М., Ставров А.И. «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии» Издательство: Минск – 1996г., 61 стр.
2. Лятхер В.М., Малышева Н.А. «Ветроэлектрические станции» Издательство: Москва «Гидропроект», 1988-1989 г., 222 стр.
3. Википедия.
4. Интернет источники: ecoproekt-energo.ru (август 2025 год).
5. habr.com>ru/companies/ruvds/ (август 2025 год) - ветрогенератор на заднем дворе.
6. Приложения
6.1. Приложение 1. Таблица оценки мощности ветрогенератора от скорости ветра.
-
Дата
Скорость ветра
Как горит лампочка: (ярко, не ярко, тускло)
17.09.2025
До 6 м/с
Лампочка не горит
20.09.2025
До 10 м/с
Лампочка горит не ярко
24.09.2025
До 8 м/с
Лампочка горит тускло
28.09.2025
До 12 м/с
Лампочка горит ярко
Результаты моих наблюдений: при более высокой скорости ветра лампочка горит ярко и наоборот, при небольшой скорости ветра лампочка горит не ярко, а при низкой скорости ветра - тускло.