Ветрогенератор (на основе конструктора LEGO)

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Ветрогенератор (на основе конструктора LEGO)

Патрин Е.А. 1
1МАОУ "СОШ №12"
Коренкова А.А. 1
1МАОУ "СОШ №12"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Основная проблема – это истощение природных ресурсов. И, как правило, самые ценные ресурсы, которые используют люди, не восстанавливаются, и нам нужно задуматься о том, что мы будем делать, когда исчерпаем запасы нефти, природного газа, угля. Несмотря на то, что запасов нефти и угля сегодня нам еще хватает, дальнейшим поколениям их не хватит.

Являясь целиком возобновляемым ресурсом, альтернативный источник энергии полностью заменяет собой традиционный, работающий на углеприродном газе или нефти. Различные источники энергии человечество использует давно, но возросшая масштабность их применения наносит невосполнимый урон окружающей среде. Ведет к выбросам в атмосферу большого количества углекислого газа. Провоцирует парниковый эффект и способствует глобальному повышению температуры, глобальному потеплению. Мечтая о практически неисчерпаемом или полностью возобновляемом энергоресурсе, люди заняты поиском перспективных способов получения, использования и последующей передачи энергии. В связи с этим нужно обратить внимание на неисчерпаемые энергоресурсы, такие как энергия ветра [1].

Актуальность данного исследования заключается в том, что, человеку необходимо обрести полноценный альтернативный современным, стандартным источникам, источник энергии.

Мне стало интересно, как работает ветровой генератор и где в быту можно использовать энергию ветра, выработанного с помощью такого устройства, как ветрогенератор.

Гипотеза: эффективность ветрового генератора зависит от силы ветра и устройства ветрогенератора.

Исходя из этого, цель работы была определена следующим образом: создать модель ветрогенератора, изучить его работу и возможность его применения в быту.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

Изучить историю создания, виды и устройство ветрового генератора.

Сконструировать модель ветрового генератора с использованием конструктора LEGO.

Провести испытания его работы при различных условиях.

Объект исследования: модель ветрового LEGO-генератора. Предмет исследования: возможность использования альтернативного источника энергии

Методы исследования:

Теоретический метод (изучение источников информации по исследуемой теме).

Проведение и анализ экспериментов.

Основная часть

История создания ветровых генераторов

Предположительно древнейшие ветряки были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание оргáна, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э.

Персидские ветряки описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкций с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидский ветряк имел лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе.

Еще один вид ветряков с вертикальной осью вращения известен как китайский ветряк. Его конструкция значительно отличается от персидской конструкции использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.

В XI веке ветряки широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу. Первое упоминание о них в Европе, вначале во Франции, относится к 1105 году: в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку.

Экономический расцвет Голландии, куда Петр I (1672–1725) ездил перенимать все новое, в XVI веке был вызван именно развитием ветроэнергетики в этой стране. Голландцы успешно перешли от первоначального использования ветряков для осушения низких приморских земель к их приспособлению в качестве привода различных производств. В результате Голландия стала самой энерговооруженной страной в тогдашней Европе [5].

Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта [6]. В своей работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.

Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.

Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории, максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.

Фото 1. Ученые, разработавшие теорию ветрового двигателя

     

В.П. Ветчинкин

Н. Е. Жуковский

Г.Х. Сабинин

 

Понятие и устройство ветрового генератора

Основной движущей силой ветровых генераторов является обычный ветер. Энергия, которой он обладает, зависит от силы ветра. Для определения места и высоты размещения ветряка, а также количества необходимых лопастей, специалисты замеряют силу ветра, составляют метеорологические карты распространения ветров, вычисляют их скорость, а также плотность воздушных масс.

Фото 2. Ветрогенератор Схема 1. Устройство ветрогенератора [7]

Ветровой генератор – устройство, преобразующее кинетическую энергию движения ветра в электрическую. Ветровой генератор это одно из важных областей развития альтернативной энергетики, ведь с каждым днём, цены на электроэнергию растут, а сторонники экологии выступают против АЭС, хотя они являются основными производителями электроэнергии в наше время.

Простейший ветровой генератор состоит из ветряного колеса, которое приходя в движение при воздействии ветра, с помощью трансмиссии, передаёт вращение ротору электрического генератора. Электрический генератор вырабатывает электроэнергию и передаёт её аккумулятору или потребителю.

Современные ветровые генераторы имеют самую различную форму и размеры. При этом их мощности хватает, как правило, на освещение.

Таблица 1. Достоинства и недостатки ветрового генератора

Достоинства:

- экологичность,

- неисчерпаемость,

- возможность обеспечения электроэнергией в труднодоступных местах.

Недостатки:

- зависимость от силы и направления ветра,

- создание при работе шумов, вредных для живых организмов,

- нанесения вреда птицам в местах их гнездования и на путях миграции.

Виды ветровых генераторов

В основном распространены два вида ветровых генераторов:

   

Фото 3. Вертикальный ветряк

Фото 4. Горизонтальный ветрогенератор

Наибольшее распространение получили ветряки с горизонтальной осью. Это связано с их повышенным КПД, по сравнению с вертикальной осью.

Ветровые генераторы с горизонтальной осью, сложнее в обслуживании так как, генератор расположен сверху. Кроме того, таким ветрякам нужно поворачиваться по направлению ветра. Генераторы с вертикальной осью вращения лишены этих недостатков, они работают при малом ветре, вне зависимости от его направления.

Поисковая часть

Моделирование ветрового генератора

Фото 5. Конструктор LEGO

Проведение испытания работы ветрогенератора при различныхкомбинациях зубчатой передачи

Оборудование: конструктор LEGO, вентилятор, секундомер, видеокамера телефона.

Ход работы:

Собираем конструкцию ветрогенератора, поочередно изменяя вид зубчатой передачи.

Запускаем ветряк, используя вентилятор.

Измеряем время оборотов лопастей. Для более точного подсчета оборотов, используем видеокамеру телефона.

По формуле ν = рассчитываем частоту оборотов лопастей.

Таблица 2. Исследование зависимости частоты вращения от вида зубчатой передачи

Вид зубчатой передачи

Время вращения лопастей, с

Число оборотов лопастей

Частота оборотов лопастей

 

18,5

10,68

10,46

6

5

5

0,40 Гц

13,21

5,3

 

39

30

33

21,5

19,5

21,5

0,61 Гц

34

20,83

 

10,5

11,3

11,5

13,5

13,5

14

1,23 Гц

11,1

13,67

Вывод: проведя испытание, выяснили, что при изменении вида зубчатой передачи меняется частота вращения лопастей ветрового генератора:если зубчатая передача повышающая, то ведомая шестерня сделает больше оборотов.Следовательно, создавая конструкцию ветрогенератора для бытового использования, следует учитывать эти особенности.

2.3.Проведение испытания работы ветрогенератора при различной силе ветра

Оборудование: конструктор LEGO, вентилятор, секундомер, видеокамера телефона.

Ход работы: запускаем ветровой генератор, измеряя время оборотов лопастей. Для более точного подсчета количества оборотов, используем видеокамеру телефона. Переключаем скорости на вентиляторе, изменяя, таким образом, силу ветра, подаваемую на лопасти ветрогенератора.

Затем по формуле ν = рассчитываем частоту оборотов лопастей.

Фото 6. Вентилятор Фото 7. Модели ветрогенератора

Таблица 3. Исследование зависимости частоты вращения от силы ветра

Скорость ветра

Время вращения лопастей, с

Число оборотов лопастей

Частота оборотов лопастей

слабый

18,5

10,68

10,46

6

5

5

0,40 Гц

13,21

5,3

средний

21,83

21,86

23,24

22

23

23

1,018 Гц

22,31

22,7

сильный

12,4

12,1

12,5

21,5

22

22,5

1,79 Гц

12,3

22

Вывод: результаты эксперимента показали, чтос увеличением ветра,увеличивается частота оборотов лопастей ветрового генератора.

2.4. Измерение напряжения, создаваемого ветрогенератором при различных комбинациях зубчатой передачи

Оборудование: модель ветрового генератора, вентилятор, вольтметр, соединительные проводники.

Ход работы:

Подключаем вольтметр к контактам ветрового генератора.

Выбираем подходящий диапазон шкалы для измерения напряжения.

Приводим в движение лопасти ветряка с помощью вентилятора и производим измерения напряжения.

Таблица 3. Измерение напряжения при различных видах зубчатой передачи

Вид зубчатой передачи

     

Сила ветра

слабый

средний

сильный

слабый

средний

сильный

слабый

средний

сильный

Напряжение, В

2

3

4

0,97

1,75

2,45

0,5

1,95

2,5

Uср, 1 = 3

Uср,2 = 1,72

Uср,3 = 1,65

Вывод: измерение напряжения при помощи вольтметра на контактах ветрового генератора показало, что самое большое напряжение было создано, когда ведущее колесо было большего диаметра. Как и в первом опыте, при такой же зубчатой передаче и частота вращения тоже была наибольшей. Следовательно, именно такое подключение зубчатых шестеренок наиболее производительно.

Заключение

Изучая теорию, выяснили, что ветровые генераторы применяются с каждым днем все больше, и прочно занимают свою позицию в современной энергетике [3]. Ветровой генератор может стать частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.Домашний ветрогенератор можно использовать не только как дополнительный источник энергии, но и как основной, так как он очень удобен в своей эксплуатации и максимально надёжен.

Одним из важных факторов, которые влияют на развитие ветровых генераторов, является то, что энергия ветра возобновляемая. Ветер есть повсюду, конечно, где-то сильнее, где-то слабее, но он есть. Не нужно жечь топливо, использовать радиоактивное топливо, такое как уран или загрязнять реки. Помимо всех этих очевидных плюсов у ветровых генераторов имеются и существенные минусы. 

Данная исследовательская работа дала возможность больше узнать о ветровом генераторе. При сборке конструкции были трудности в запуске модели, долго подбирали детали и вентилятор, который бы раскручивал лопасти. В итоге модель стала рабочей, и лампочка при вращении лопастей ветрогенератора светилась, что означает преобразование кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

В результате всех проведенных исследований было выяснено, что особое значение в работе ветрового генератора имеет, в первую очередь, наличие ветра, а, во-вторых, рациональное размещение всех деталей. В нашей конструкции ветрового генератора, созданного с использованием конструктора LEGO, следующий рейтинг зубчатых передач:

1 место

2 место

3 место

     

Список информационных источников

Литература

В. Н. Андрианов, Д. Н. Быстрицкий, К. П. Вашкевич, В. Р. Секторов. Глава 2. Ветродвигатели, Глава 3. Ветроустановки постоянного тока // Ветроэлектрические станции / под редакцией В. Н. Андрианова. — М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. — 320 с.

Валерий Чумаков. Токи ветров (рус.) // Вокруг света : журнал. — 2008. — Август (№ 8 (2815)). — С. 98-106

Ветростанция в высотном здании // «Популярная механика»

Е. М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. — 544 с.

Электронные ресурсы

https://ecoportal.info/ekologicheskaya-problema

https://electroandi.ru/alternativnaya-energetika/vetrovoj-generator.html

http://energiya-yar.ru/novosti-vetrogenerator/56-istorija-vetrogeneratorov.html

https://nashgazon.com/instrument/generatory/vetrovoi-generator-svoimi-rukami.html

https://stroyvopros.net/elektrika/vetrovoy-generator.html

http://vetrogenerator.com.ua/vetrogenerator/vertikal/199-istoriya-razvitiya-vetroenergetiki-vetrovoy-energetiki.html

https://yandex.ru/images

Просмотров работы: 235