V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативные источники энергии (энергия ветра). Создание ветрогенератора
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Развитие альтернативной энергетики и поиск новых источников энергии – одна из главных задач современного мира. Основные причины этому: огромный вред традиционных электростанций и истощение невозобновляемых энергетических ресурсов. Я уже третий год изучаю проблемы экологически чистой энергетики, потому что считаю, что каждый должен стараться сделать как можно больше для защиты нашей планеты, т.к. от каждого из нас зависит ее будущее. В первом классе в ходе эксперимента мне удалось создать источник энергии из овощей и фруктов. С его помощью у меня даже получилось зажечь 1 светодиод. В прошлом году мы сами сделали фонарик, который зажигается водяной батарейкой. Я решила продолжить изучение вопроса получения «зеленой» энергии в новом проекте по созданию ветрогенератора.
Актуальность
Электроэнергия стала важной частью жизни человека. Мировые потребности в электроэнергии постоянно возрастают. В настоящее время эксперты прогнозируют рост потребления электричества из-за перехода на электрическое отопление и электромобили. Так, например, в 2016 году правительство Норвегии выступило с предложением запретить использовать в стране автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Шведский производитель автомобилей Volvo сам намерен отказаться от двигателей внутреннего сгорания. С 2019 года компания планирует производить электромобили и гибриды.[11] Правительство России в июле 2017 года внесло изменения в правила дорожного движения. Теперь в них появятся понятия "электромобиль", "гибридный автомобиль", а также специальные дорожные знаки для парковок с зарядкой.[1] Все эти, несомненно, полезные для окружающей среды изменения потребуют увеличения производства электроэнергии. При этом, в настоящее время на возобновляемые (альтернативные) источники приходится 6,3% всей её мировой выработки, что очень мало.[3] Поэтому я считаю, что тема экологичных энергоресурсов становится только актуальнее с каждым годом.
Цель исследования – исследовать получение электроэнергии с помощью ветра; создать возобновляемый и безопасный для окружающей среды источник электроэнергии.
Гипотеза – возобновляемые и безопасные для окружающей среды источники электроэнергии существуют, а создание такого источника возможно в домашних условиях.
Задачи:
1. Изучить актуальные данные об альтернативных источниках энергии;
2. Узнать, что такое ветроэнергетика;
3. Выяснить плюсы и минусы ветряных электростанций;
4. Изучить типы ветрогенераторов;
5. Найти альтернативные источники электроэнергии на Алтае;
6. Провести эксперимент по созданию ветрогенератора; измерить напряжение, вырабатываемое этим ветрогенератором;
6. Проверить возможность использования получившегося ветрогенератора;
7. Сделать вывод о существовании безопасного возобновляемого источника электроэнергии.
Предмет исследования – работа ветрогенератора, безопасность ветрогенератора для экологии.
Объект – создание ветрогенератора.
Практическая ценность – состоит в проведении эксперимента, в результате которого будет доказано существование возобновляемых и безопасных для окружающей среды источников электроэнергии.
Методы исследования:
Теоретические – изучение специальной литературы, обобщение и систематизация материала по данной теме.
Эмпирические – проведение эксперимента и формулирование выводов.
1 Теоретическая часть
1.1 Ветроэнергетика
Работая над прошлыми проектами, я узнала о том, какой вред традиционные электростанции наносят окружающей среде. Ещё я выяснила, что существуют несколько видов альтернативных источников энергии, которые являются возобновляемым природным ресурсом. Они заменяют собой традиционные источники энергии и имеют низкий риск причинения вреда окружающей среде. В данном проекте я решила подробнее остановиться на таком альтернативном источнике, как энергия ветра.
Изучая литературу, я узнала, что ветроэнергетика - отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию.[6] В рамках проекта, я изучала получение именно электроэнергии. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 3 % от всей произведённой человечеством электрической энергии.[11] Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику. Дания с помощью ветрогенераторов производит уже около половины всей потребляемой электроэнергии.
1.2 Плюсы и минусы ветряных электростанций
Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение в пригодное для использования
Работая над проектом, я узнала, что ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) - устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.[17] Ветряная электростанция же – это несколько ВЭУ, объединённых в единую сеть. Крупные ветряные электростанции, их ещё иногда называют «ветряные фермы», могут состоять из 100 и более ветрогенераторов.
В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Существуют и определённые проблемы при эксплуатации ветрогенераторов, но с каждым годом их становится всё меньше.[9] Остановимся на основных положительных и отрицательных сторонах ветроэлектростанций.
Плюсы ветряных электростанций:
Экономия ресурсов. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти, так как для кручения лопастей ВЭУ не требуется никакого топлива.
Высокая экологичность. При работе ВЭУ не происходит выбросов в атмосферу. Кроме этого, такая электростанция никогда не вызовет разрушительные действия, возможные от атомных и гидроэлектростанций.
Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.
Сохранение сельскохозяйственных земель. Хотя ветроэлектростанции занимают большие площади, эти же территории могут безопасно использоваться для сельскохозяйственных нужд.
Минусы ветряных электростанций:
Шум и вибрация. В первых моделях ветроустановок шум достигал значительного уровня, поэтому было введено минимальное расстояние до жилых домов - 300 м. Хотя в современных ВЭУ шум работающих лопастей слышен только фоном даже на расстоянии 30 метров.
Обледенение лопастей. В зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование льда на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние.
Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводы.
Изменчивость мощности во времени. Производство электроэнергии зависит от силы ветра, на которую человек не может повлиять.
По некоторым данным, ветроустановки представляют опасность для птиц. Хотя последние исследования показывают, что птиц от столкновения с лопастями гибнет намного меньше, чем от столкновений с высоковольтными ЛЭП, современные ВЭС прекращают работу во время сезонного перелёта птиц.
1.3 Типы ветрогенераторов и ветроэлектростанций
Существуют два основных типа ветротурбин:
с вертикальной осью вращения (роторные):
с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)
Промышленные ветряки строят, преимущественно, с горизонтальной осью вращения и жесткими лопастями.[3]
Типы ветроэлектростанций:
Наземная ВЭС. Самый распространённый в настоящее время тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы стараются устанавливать на холмах или возвышенностях.
Прибрежная ВЭС. Строятся на небольшом удалении от берега моря или океана. Используются суточные движения бриза.
Шельфовая ВЭС. Строят в море на участках с небольшой глубиной, на расстоянии от 10 до 60 километров от берега. Сваи для фундаментов забивают на глубину до 30 метров.
Плавающая ВЭС. Ветрогенераторы устанавливаются в море на плавающей платформе и удерживаются тросами с якорями, закреплёнными на дне.
Горная ВЭС. Возводится в горной местности. Скорость ветра возрастает с высотой, что имеет большое значение для таких станций.
Парящая ВЭС. Так называют ветровые турбины, размещенные высоко над землей, для использования более сильного и стойкого ветра.[18]
1.4 Интересная информация о ветроэнергетике
Изучая литературу для данного проекта, я узнала интересную информацию о развитии альтернативной энергетики. Своими открытиями я хочу поделиться с вами.
Ветропарк «Ульяновский»
В декабре 2016 г. под Ульяновском началось строительство ветропарка мощностью 35 МВт. Это будет первый в России ветропарк такой величины. Риск столкновения птиц с лопастями сведется к нулю, так как в проекте предусмотрены ультразвуковые отпугиватели птиц.[14]
Ветрогенераторы без лопастей
Выше мы уже рассмотрели основные проблемы ВЭС и узнали, что все они постепенно решаются. Но инженеры продолжают поиски таких проектов ветрогенераторов, которые были бы лишены всех основных недостатков. Изучая литературу, я узнала об одном интересном изобретении. Испанская компания разработала вертикальный ветрогенератор без лопастей. Заявляется, что конструкция ветротурбины позволяет сократить затраты на техническое обслуживание на 80% в сравнении с лопастными ветровыми установками. Кроме того, создатели утверждают, что новый ветряк работает тише обычных турбин и представляет гораздо меньшую угрозу для птиц и всей окружающей среды.[10]
Ветрогенератор с магнитной подвеской
Также существует ветротурбина, в устройстве которой применяется магнитная подвеска. Это снижает шум и сводит трение почти к нулю.
Самые удивительные проекты ветрогенераторов
Голландское дерево-турбина может вместить до 8 турбин и достигать 120 метров
В этом проекте предлагается вмонтировать ветротурбины в обшивку здания
В Дубае планируется построить небоскрёб в форме гигантской ветровой турбины
1.5 Альтернативные источники энергии Алтая
За два года я обнаружила уже много мест в Алтайском крае и Горном Алтае, где используются альтернативные источники энергии. Напомню вам самые интересные находки прошлых проектов:
Энергоэффективный дом с ветрогенератором и солнечными батареями (бульвар 9 января, г. Барнаул)
Микро ГЭС (туристическая деревня Эстюбе, Телецкое озеро)
В этом году я по традиции продолжила поиски альтернативной энергетики на Алтае.
В районе деревни Крутишка Алтайского края построили объездную дорогу, так как на основной шёл ремонт. Вот такой компактный переносной светофор мы обнаружили, когда поехали в гости к бабушке с дедушкой.
Этим летом мы всей семьей побывали в Горном Алтае. Там часто встречаются вот такие домики с солнечными батареями.
Ещё одна Микро ГЭС, обнаруженная нами (окрестности Камышлинского водопада)
Вот так получают электроэнергию на новой дороге к строящемуся курорту Белокуриха-2:
Вертикальные и горизонтальные ветрогенераторы производят электричество для освещения дороги и подсветки стрелок серпантина.
Даже на огромной надписи «Алтайский край» установлены солнечные батареи для красивой подсветки в темное время суток.
По пути обратно домой мы заметили необычные конструкции. Оказалось, что ведется строительство четвертой в Республике Алтай солнечной электростанции.
Я следила за новостями этой стройки и однажды прочитала, что Майминская СЭС мощностью 20 МВт открылась 19 сентября 2017 года.[12]
2 Практическая часть
2.1 Эксперимент по созданию ветрогенератора
Я уже третий год изучаю альтернативную энергетику. С каждым годом я совершала всё новые открытия и ставила для себя более сложные цели. После изучения литературы, моей мечтой стало построить свой собственный ветрогенератор. На даче у нас есть спортивная площадка, которая не освещается в темное время суток, так как электропроводов там нет. И я решила, что было бы здорово сделать освещение площадки с помощью ветрогенератора. Я рассказала про свою идею папе, и он, с радостью, согласился мне помочь.
Мы решили сделать роторный ветрогенератор, то есть с вертикальной осью вращения.
Сначала мы определились с материалами для исследования, которых понадобилось достаточно много.
1) Мы использовали:
|
Вольтметр Паяльник 2 стальных диска Пластина из оргстекла Ступица от велосипеда Медный провод в изоляции |
Диоды 24 неодимовых магнита Преобразователь напряжения Болты, крепления Светодиод |
2) Собираем основу конструкции генератора
3) С помощью самодельного устройства наматываем 9 катушек по 70 витков
4) Магниты приклеиваем к стальному диску, чередуя полярность; а катушки крепим к пластине из оргстекла
5) На второй стальной диск клеим магниты со смещением
6) Соединяем катушки и собираем выпрямитель на диодах
7) Подключаем к генератору вольтметр
8) Раскручиваем генератор и измеряем напряжение, которое он может вырабатывать. От силы раскручивания диска зависела величина напряжения
9) Зажигаем с помощью генератора светодиод, потребляющая мощность которого 3 В
10) Для прошлого проекта мы с папой собрали повышающий преобразователь напряжения (ферритовое кольцо, медный провод, транзистор, резистор). Это электротехническое устройство позволило зажечь наш водный фонарик. Мы решили использовать его также для ветрогенератора
11) Делаем лопасти для нашего ветрогенератора и дорабатываем изобретение
12) Проводим тестовый запуск устройства около дома
Мы узнали, что площадь, которую может помочь осветить наш ветрогенератор, составляет около 1 кв.м.
2.2 Вывод из эксперимента
Нам удалось создать ветрогенератор. Напряжение, которое мы получили, раскручивая его руками, оказалось достаточным для свечения светодиода. Затем мы усовершенствовали ветрогенератор, установив повышающий преобразователь напряжения. После этого мы проверили наш ветряк с помощью вентилятора, и убедились, что наше изобретение работает. Также мы посчитали экономическую выгоду проекта (Приложение 1). Наше устройство является очень полезным. Оно может выручить в условиях отсутствия электричества. Но самое главное, что изготовленный нами ветрогенератор не вредит окружающей среде и сберегает ценные природные ресурсы. Этой весной мы с папой обязательно установим наше изобретение на даче, пока же мы провели пробную установку около дома. Это позволило нам узнать площадь, которую может помочь осветить наш ветрогенератор. Она составляет около 1 кв.м.
Как было сказано выше, в связи с увеличением количества электромобилей потребуется всё больше мест для их зарядки. Я размышляла над этим и пришла к выводу, что вдоль дорог можно было бы установить зарядные станции, работающие на таких ветрогенераторах, как наш. Получилась бы «экологичная» заправка для «экологичных» автомобилей.
Заключение
Электроэнергия – неотъемлемая часть жизни человека, и потребности в ней постоянно возрастают. Отказаться от благ цивилизации люди не смогут, но они должны отказаться от вредных для окружающей среды традиционных источников энергии в пользу альтернативных возобновляемых ресурсов, безопасных для будущего планеты. Тем более, такие уже есть: это подтверждает наш эксперимент по созданию ветрогенератора и альтернативные источники энергии, обнаруженные нами на Алтае. Это значит, наша гипотеза подтвердилась.
Человечество должно стремиться полностью перейти на производство именно экологичной энергии. Нам дана только одна планета, возможно, единственная во Вселенной, пригодная для жизни, и мы не можем её потерять.
Список литературы:
1. О внесении изменений в постановление Совета Министров - Правительства Российской Федерации от 23 октября 1993 г. № 1090: постановление Правительства Российской Федерации от 12 июня 2017 года № 832 // Собрание законодательства РФ. – 2017. – № 30. – ст. 4666.
2. Баскаков А.П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие / А.П. Баскаков, В.А. Мунц. – М.: ИД Бастет, 2013. – 368 с.
3. Германович В.Т. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы / В.Т. Германович, А.В. Турилин. – СПб.: Наука и техника, 2014. – 318 с.
4. Кривченко И.В. Физика. 8 класс: учебник. / И.В. Кривченко. – М.: Бином. Лаборатория знаний, – 2015. – 152 с.
5. Максаковский В.П. Географическая картина мира Кн.1: Общая картина мира. Глобальные проблемы человечества / В.П. Максаковский. – М.: Дрофа, 2008. – 495 с.
6. Рязанцев В.Д. Большая политехническая энциклопедия / В.Д. Рязанцев. – М.: Мир и образование, 2011. – 707 с.
7. Сидорович В. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир / В. Сидорович. – М.: Альпина Паблишер, 2015. – 208 с.
8. Степанов И. Энергия будущего: черный, голубой, зеленый? / И. Степанов // Эксперт Сибирь. – 2017. – № 29 (497).
9. Чумаков В. Токи ветров / В. Чумаков // Вокруг света. – 2008. – № 8.
10. Такер Б. Энергия ветра без лопастей // Форбс [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.forbes.com/sites/billtucker/2015/05/07/wind-power-without-the-mills/#681581771812.
11. Анализ мирового производства электроэнергии // http://www.unep.org/ru/ - сайт ООН окружающая среда.
12. Две солнечные электростанции открыли в Республике Алтай // Новости Горного Алтая [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gorno-altaisk.info/news/83255.
13. Традиционные и нетрадиционные источники электрической энергии // Об альтернативных источниках энергии, электростанциях и генераторах [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dom-en.ru/sprav2/
14. Начало положено. Fortum приступила к строительству ветропарка в Ульяновской области // Neftegaz.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://neftegaz.ru/news/view/157767-Nachalo-polozheno.-Fortum-pristupila-k-stroitelstvu-vetroparka-v-Ulyanovskoy-oblasti.
15. Традиционная и нетрадиционная электроэнергетика // Все об энергетике [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://energomir.blogspot.ru/p/12.html
16. http://www.ecolife.ru/ - официальный сайт журнала Экология и жизнь.
17. http://dic.academic.ru/ - элекронная энциклопедия
18. http://www.popmech.ru/ - сайт журнала «Популярная механика».
Приложение 1
Экономическое обоснование проекта
Затраты на освещение спортивной площадки с помощью традиционной энергетики:
1) 40 м кабеля по 20 руб/м: 40 Х 20 = 800 руб
2) Плафон с лампой 150 руб
3) Ожидаемую стоимость потребленной электроэнергии за год мы рассчитали исходя из среднего периода освещения (май – сентябрь в течение 4 ч/сутки) при освещении 100 Вт лампой и стоимости электроэнергии 4 руб/кВт: 100 Х 4 Х 153 : 1000 Х 4 = 244 руб 80 коп/год
Итого затрат за 1-й год использования: 800 + 150 + 244,8 = 1194,8 руб; за 2-й год: 1194,8 + 244,8 = 1439,6; за 3-й год 1439,6 + 244,8 = 1684,4
Затраты на освещение спортивной площадки с помощью ветрогенератора:
1) Магниты 900 руб
2) Металл + крепления 210 руб
3) Лампа-прожектор 340 руб
Итого: 900 + 210 + 340 = 1450 руб
Экономия за 3 года:
1684,4 - 1450 = 234,4 руб
Вывод:
Таким образом, окупаемость нашего проекта составит почти 3 года. К концу третьего сезона эксплуатации ветрогенератора мы даже получим экономию 234 руб 40 коп. И, конечно же, полученная нами энергия будет экологически чистой.