VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ветер - возобновляемый источник энергии Мурманской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Колесников Д.А. 1

---

1МАУДО Центр детского творчества "Вега"

Надрышина Н.В. 1

---

1МАУДО Центр детского творчества "Вега"

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы не представляем повседневную жизнь без электроприборов: включаем свет, телевизор, пользуемся холодильником, электрическим чайником, мобильным телефоном, компьютером и т.д. и часто не задумываемся, откуда берется электричество и как оно «приходит» в наш дом. Электричество – основной источник энергии в наших домах. Оно используется для освещения, выработки тепла и для работы различных бытовых устройств. Я часто слышал, что Мурманская область производит столько электрической энергии, что обеспечивает ею другие регионы. И задал себе вопрос: какие альтернативные энергоресурсы можно использовать в Кольской электроэнергетической системе в будущем.

Актуальность. В силу своего географического положения наш Кольский полуостров имеет прекрасную возможность использовать для производства электрической энергии неисчерпаемые возобновляемые природные источники энергии, например, приливы или ветер.

Объект исследования: модель ветряной турбины.

Предмет исследования: факторы, влияющие на эффективность работы ветряной турбины.

Цель исследования: на модели ветряной турбины, созданной из конструктора платформы Lego Education, исследовать факторы, влияющие на производство электрической энергии посредством возобновляемого природного источника энергии – ветра.

В соответствии с проблемой, объектом, предметом и целью исследования были поставлены следующие задачи:

изучить компоненты Кольской электроэнергетической системы;

выяснить альтернативные энергоресурсы Кольского полуострова;

изучить строение ветряной турбины;

создать модель ветряной турбины из конструктора Lego Education;

изучить процесс преобразования энергии ветра в электрическую энергию;

экспериментальным путем выяснить факторы, влияющие на эффективность работы ветряной турбины;

выяснить плюсы и минусы использования альтернативных энергоресурсов;

зафиксировать результаты исследований.

В процессе работы использовались следующие методы исследования:

теоретические (изучение и анализ литературы, обобщение данных);

практические (наблюдение, эксперимент, сравнение);

математические (построение таблиц, обработка полученных результатов).

Основная часть

Кольская электроэнергетическая система

Кольская электроэнергетическая система находится на крайнем северо-западе России, обеспечивает электроэнергией Мурманскую область и частично Карелию. Энергосистема уникальна по своей структуре: в ее составе работают 17 гидроэлектростанций, 2 тепловых электростанции, Кольская атомная электростанция и единственная в России приливная электростанция. Суммарная установленная мощность энергосистемы составляет 3633 МВт. Высоковольтная сеть (рис.1) объединяет все электростанции для работы под единым диспетчерским управлением. Кольская энергосистема связана по ЛЭП с Карелией и через нее с ОЭС Северо-Запада России. Имеются также выходы в энергосистемы Норвегии и Финляндии [1].

Рис.1. Схема электрических сетей Кольской энергосистемы и каскады ГЭС: I-III – Нивский; IV-VIII – Пазский; IX-XI – Ковдинский; XII-XIII – Туломский; XV-XVI – Серебрянский; XVII-XVIII – Териберский каскад

Источники электрической энергии в регионе

Перспективы развития элетроэнергетического комплекса Мурманской области

Дальнейшее развитие электроэнергетики нашего региона, в первую очередь, с развитием атомной энергетики. Существенное значение может иметь дальнейшее развитие гидроэнергетики, а также возможная газификация региона в случае начала освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения на шельфе Баренцева моря. Нельзя сбрасывать со счетов и возможности развития возобновляемой энергетики (малой гидроэнергетики, ветроэнергетики и приливной энергетики). Что касается гидроэнергетики, то следует отметить, что наиболее эффективные гидроресурсы Мурманской области уже освоены (58%).

Кольский полуостров располагает огромным потенциалом ветровой энергии, сосредоточенным главным образом в прибрежных районах Баренцева и Белого морей:

технические ресурсы ветра на Кольском полуострове оцениваются в 360 млрд. кВт*ч;

средние скорости ветра на Кольском полуострове (северное побережье) - 7-9 м/c;

незначительное изменение среднегодовой скорости ветра – 5-8%;

максимум скоростей ветра приходится на холодное время года;

в наличии 17 ГЭС для компенсации сезонной недостаточности силы ветра в некоторых регионах полуострова.

Таким образом, именно на Кольском полуострове может получить развитие как системная, так и автономная ветроэнергетика [1].

Ветроэнергетика

Практическая работа №1. Создание модели ветряной турбины

Энергия ветра может быть преобразована в электрическую энергию с помощью ветряной турбины. Разработаны различные виды технологического оборудования, использующего энергию ветра. Ветряные турбины с вертикальной осью, в которых вращающаяся ось и лопасти размещены в вертикальной плоскости. Такие турбины работают одинаково эффективно при любом направлении ветра.

Ветряные турбины с горизонтальной осью, в которых вращающаяся ось и лопасти расположены в горизонтальной плоскости. Такие турбины должны быть ориентированы навстречу ветру. Это наиболее широко используемый тип турбин.

Все турбины имеют одинаковые основные узлы: высокие башни, большие лопасти, оси, редукторы и генератор.

Цель: используя конструктор платформы Lego Education создать модель ветряной турбины с горизонтальной осью.

Схема модели турбины, реализованной конструктором Лего Education

Практическая работа № 2. Подготовка к работе оборудования: Лего-мультиметра и Е-мотора Лего

(см. Приложение 1)

ЛЕГО®-мультиметр состоит из двух составных частей: дисплея и аккумулятора энергии. Аккумулятор энергии крепится к нижней плоскости дисплея. Функциональными возможностями ЛЕГО®-мультиметр являются измерение, накопление и отдача накопленной энергии.

1 этап. Зарядка Лего-мультиметра

1. Соединить ЛЕГО-мультиметр либо с батарейным блоком (LEGO Power Functions Battery Box) с шестью новыми электрическими батарейками, либо с подзаряжаемым батарейным блоком (LEGO Power Functions Rechargeable Battery Box).

2. Нажать зеленую кнопку On/Off на ЛЕГО-мультиметре и убедиться, что дисплей включился.

3.Оставить ЛЕГО-мультиметр, подключенным к источнику питания в течение трех часов или пока не выключится дисплей. После этого ЛЕГО-мультиметр будет полностью заряжен.

2 этап. Соединение Е-мотора с моделью ветряной турбины

Е-мотор – это устройство с внутренним редуктором, рассчитанное на максимальное напряжение питания, равное 9В. Он может работать также в качестве генератора электрической энергии.

Вывод: в ходе выполнения практических работ №1 и №2 у нас имеется модель ветряной турбины, которая состоит из высокой опорной башни, 6 больших лопастей, вертикальной оси, редуктора и генератора электрической энергии (Е-мотор Лего), а также Лего-мультиметра для измерения, накопления и отдачи накопленной энергии.

Проведение эксперимента

1 этап. Подготовительный

Установим вентилятор на одной оси с турбиной так, чтобы его центр находился напротив центра турбины и расстояние между ними равнялось 30 см.

В ходе подготовительного этапа необходимо подобрать вентилятор с такой мощностью, чтобы при вращении турбины показание ЛЕГО®-мультиметра на входе превышало 2,0 В. В ходе опытов мы подобрали такой вентилятор и оказалось, что его мощность должна быть не меньше 40 Вт.

Чтобы сделать ветряную турбину устойчивой, воспользуемся липкой лентой или утяжелим опорную платформу модели ветряной турбины. При необходимости облегчить запуск турбины можно плавным проворотом лопасти.

2 этап. Исследование свойств модели ветряной турбины

(см. Приложение №2)

Цель: исследование характеристик ветряной турбины в различных условиях (изменение расстояния до вентилятора, изменение количества лопастей турбины) и фиксация среднего значения электрического напряжения (В) и мощности (Вт).

Схема эксперимента:

Прочие равные условия эксперимента:

время каждого этапа – 1 минута

мощность вентилятора – 40 Вт

расположение вентилятора относительно турбины - строго перпендикулярное (вращение вентилятора отсутствует)

Мои предположения:

я впервые познакомился с прибором Лего-мультиметр, поэтому не смог предположить какие показания могут быть на 1 этапе исследования.

т.к. расстояние между турбиной и вентилятором на 2 этапе эксперимента уменьшилось с 45 см до 30 см (это примерно на 30%), то средние значения на 2 этапе должны увеличиться на 30%.

В расчетах мне помог мой руководитель и получилось, что предполагаемые значения: 3,9*0,3+3,9≈ 5В 0,3*0,3+0,3≈ 0,4Вт

т.к. расстояние между турбиной и вентилятором на 3 этапе эксперимента уменьшилось с 30 см до 15 см (50%), то средние значения на 3 этапе должны соответственно увеличиться на 50%

Мы снова вычислили предполагаемые результаты: 4,7*0,5+407≈7 В

0,429*0,5+0,429≈0,643 Вт

на 4, 5, 6 этапах уменьшилось только количество лопастей модели (с 6 до 3), поэтому предположу, что средние значения уменьшатся в 2 раза.

Выводы:

для обеспечения достоверных полученных результатов, необходимо провести измерения несколько раз при одинаковых условиях, то есть не менять положение ветряной турбины и расстояние от неё до источника ветра и взять среднее значение;

мощность возрастает, когда ветряная турбина перемещается ближе к источнику ветра, и наличие шести лопастей приводит к увеличению генерируемой мощности при прочих равных условиях.

Таким образом, к факторам, влияющим на эффективность работы турбины, можно отнести число лопастей, угол между осями вентилятора и турбины и силу ветра. Но основное влияние на эффективность турбины оказывают характеристики Е-мотора (то есть турбины), т.к. Е-мотор из Лего набора имеет ограниченную максимальную скорость вращения вала мотора 800 об/мин, то при более мощном воздушном потоке, увеличения входного напряжения (В) и входной мощности (Вт) не произойдет.

3 этап. Моделирование ландшафта и оценка его влияния на способность ветряной турбины генерировать электроэнергию.

(см. Приложение 3)

Направление ветра

Высота препятствия

Вывод: изменение ландшафта (создание преград между источником воздушного потока и ветряной турбиной различной высоты) привело к уменьшению исследуемых значений входного напряжения (В) и входной мощности (Вт) от 35% до 60%, т.е. чем выше преграда, тем меньше накопленное количество энергии (Дж).

Практическое применение полученных знаний

Максимальное количество энергии, которое может накопить Лего-мультиметр – 100 Дж, соберем из конструктора машину и заставим ее ехать, используя накопленную энергию. Двигатель машины – средний Лего-мотор, потребляет 2 Ватт /с и источник света (фары) – 1 Ватт/с, таким образом наш автомобиль может двигаться чуть более 30 секунд, затем снова нужно зарядить Лего-мультиметр.

Заключение

В данном исследовании я выяснил, что Кольская электроэнергетическая система уникальна по своей структуре, она имеет в своем составе одну АЭС, две ТЭЦ, семнадцать ГЭС, одну приливную электростанцию. Достаточное количество гидроэлектростанций позволяет успешно покрывать сезонные перепады электрической нагрузки и служит основой для освоения в перспективе высокопотенциальных ветроэнергоресурсов региона.

А также, что самыми перспективными площадками являются открытые места северного побережья Кольского полуострова (вблизи пос. Лодейное – часть села Териберка; берег Верхне-Териберского водохранилища; около Серебрянской ГЭС-2, которая расположена на вытекающей из Ловозера реке Воронья; в районе Лиинахамари Печенгского района; вблизи 81-го км автодороги Мурманск –Териберка) из-за стабильно сильных ветров, особенно в зимний период.

Моя гипотеза полностью подтвердилась – внедрение системных ветроэнергетических установок в местные системы электро- и теплоснабжения (дизельные электростанции, котельные) может способствовать значительной экономии привозного органического топлива, а автономная ветроэнергетика может быть ориентирована на энергоснабжение удаленных децентрализованных потребителей (прибрежные метеостанции, маяки, пограничные заставы, рыболовецкие колхозы, объекты Северного флота и другое).

Список литературы

В.А.Минин «Кольская энергосистема: состояние и перспективы развития», Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр Российской академии наук», 2016 год

Долгосрочная целевая программа «Развитие нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Мурманской области на 2010-2015 годы» (в целях выполнения решений протокола совещания от 19.01.2007 по вопросу разработки проектных работ в области развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Мурманской области)

Интернет ресурсы

https://education.lego/com

https://www.lego.com

Приложение 1

Практическая работа №2.

Подготовка к работе Лего-мультиметра

Разъём для подключения устройств из набора ПервоРобот

Дисплей

Переключатель направления

Кнопка On/Off

Дисплей

Аккумулятор энергии

Входной разъём

Переключатель направления

Переключатель направления используется для выбора полярности выходного разьема. Поворачивая переключатель влево или вправо при включенном ЛЕГО-мультиметре, можно выбирать, например, направление вращения мотора. В среднем положении переключателя выходной разъем выключен.

Кнопка On/Off

Для включения ЛЕГО-мультиметра нажмите кнопку On/Off, при повторном нажатии этой кнопки прибор будет выключен. При удерживании кнопки On/Off в нажатом состоянии в течение двух секунд показания мультиметра устанавливаются на 0.

Выходной разъем

Для соединения Е-мотора ЛЕГО с выходным разъемом и фиксации показаний прибора. Перед выполнением этой операции количество накопленной прибором энергии не должно быть ниже 1 Дж.

Входной разъем

Для соединения солнечной ЛЕГО-батареи или Е-мотора ЛЕГО, используемого в качестве генератора, с входным разъемом и фиксации показаний прибора.

Показания дисплея

Накопленная энергия

Максимальная величина энергии, которая может быть накоплена прибором, составляет 100 Дж. При достижении этой величины на дисплее с интервалом в одну секунду начнет мигать показание прибора 100 Дж. При этом значение входного напряжения будет сохраняться на дисплее, а значения входного тока и входной мощности обнулятся. Значения выходного напряжения будут зависеть от приложенной нагрузки. Удержание кнопки On/Off в нажатом состоянии в течение двух секунд приведет к установке на 0 значения энергии на дисплее ЛЕГО®-мультиметра.

Мигающие световые символы дисплея

Мигающие световые символы появляются с интервалом в 1 сек. на дисплее при наступлении одного из двух событий:

1. Если значение энергии в Дж остается неизменным, то вы можете продолжать работу, но запас энергии в аккумуляторе энергии небольшой, и вам вскоре придется произвести зарядку ЛЕГО-мультиметра.

2. Если колличество Дж сброшено на 0 и выходное напряжение стремятся к 0, это значит, что ЛЕГО-мультиметр перезагружен и его следует зарядить.

Постоянные световые символы на дисплее

Постоянные световые символы появляются на дисплее, когда требуется подзарядка аккумулятора энергии.

Индикация ошибки

При возникновении ошибки в работе ЛЕГО-мультиметра на его дисплее появляется значок треугольника с восклицательным знаком внутри. Это означает, что показания прибора неверны. При появлении этого значка необходимо отсоединить аккумулятор энергии, проверить состояние подключенных элементов и, при необходимости, почистить разъемы. П осле этого аккумулятор энергии нужно снова подсоединить к дисплею и зарядить ЛЕГО-мультиметр.

Е-мотор ЛЕГО®

Входной/выходной разъём

Крестообразный шлиц

Конструкция

Крестообразный шлиц

Служит для соединения с Лего®-осью. Вращая ось, вы можете заставить устройство работать как генератор электрического тока. Если устройство подключить к источнику питания, то оно само будет вращать ось, то есть работать как электромотор.

Входной/выходной разъем

С помощью этого разъема можно электрическую энергию передавать от Е-мотора к ЛЕГО-мультиметру или светодиодным лампам, а также в обратном направлении – к Е-мотору от солнечной батареи или ЛЕГО-мультиметра.

Технические характеристики

Скорость вращения вала мотора – 800 об/мин.

Максимальный крутящий момент – 4,5 Н/см.

Напряжение питания – 9 В.

Передаточное отношение редуктора – 9,5:1.

Соединительный кабель – 20 см.

Приложение 2

Исследование свойств модели ветряной турбины

Цель: исследование характеристик ветряной турбины в различных условиях (изменение расстояния до вентилятора, изменение количества лопастей турбины) и фиксация среднего значения электрического напряжения (В) и мощности (Вт).

Схема эксперимента:

Прочие равные условия эксперимента:

время каждого этапа – 1 минута

мощность вентилятора – 40 Вт

расположение вентилятора относительно турбины - строго перпендикулярное (вращение вентилятора отсутствует)

Мои предположения:

т.к. расстояние между турбиной и вентилятором на 2 этапе эксперимента уменьшилось с 45 см до 30 см (это примерно на 30%), то средние значения на 2 этапе должны увеличиться на 30%.

В расчетах мне помог мой руководитель и получилось, что предполагаемые значения: 3,9*0,3+3,9≈ 5В

0,3*0,3+0,3≈ 0,4Вт

т.к. расстояние между турбиной и вентилятором на 3 этапе эксперимента уменьшилось с 30 см до 15 см (50%), то средние значения на 3 этапе должны соответственно увеличиться на 50%

Мы снова вычислили предполагаемые результаты: 4,7*0,5+407≈7 В

0,429*0,5+0,429≈0,643 Вт

На 4, 5, 6 этапах уменьшилось только количество лопастей модели (с 6 до 3), поэтому предположу, что средние значения уменьшатся в 2 раза.

Приложение 3

Моделирование ландшафта и оценка его влияния на способность ветряной турбины генерировать электроэнергию

Направление ветра

высота препятствия