Вітрогенератор-альтернативне джерело енергії, Соціальна мережа працівників освіти

Сьогодні актуальна проблема вичерпності природних ресурсів та погіршення екології Землі. Технології майбутнього вчені дуже тісно пов'язують із екологічно чистими джерелами енергії.

Муніципальна бюджетна загальноосвітня установа середня загальноосвітня школа № 6 м.Бікіна

Бікінського муніципального району Хабаровського краю

Районна школа «ІНТЕЛЕКТ»

ВІТРОГЕНЕРАТОР-АЛЬТЕРНАТИВНИЙ ДЖЕРЕЛО ЕНЕРГІЇ

Молчанова А.Ю., учитель фізики

Постійно і всюди землі дмуть вітри- від легкого вітерця, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, які приносять незліченну шкоду і руйнації. Вітри, що дмуть на просторах нашої країни, могли б легко задовольнити її потреби в електроенергії! Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику і Далекому Сході. Чому ж настільки багате, доступне та й екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується?

У зв'язку зі зростанням цін на енергоносії, все більше власників приватних будинків звертаються до відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії, таких як вітрова, сонячна, гідроенергія та геотермальна. Розмірковуючи над тим, яке джерело енергії вибрати нам для створення агрегату, що виробляє електроенергію, ми дійшли висновку, що це буде вітер.

І так, темою нашого проекту є розробка ідеї використання відновлюваних джерел енергії у такій найважливішій сфері, як життєзабезпечення населення електроенергією. Сфера забезпечення побутових потреб населення енергією єнайголовнішою, і на відміну потреб промисловості вимагає негайного задоволення. Актуальність проекту пов'язана з очікуваним вичерпанням традиційних джерел вуглеводневої сировини, які використовуються сьогодні як основні первинні джерела енергії. Зокрема, вітер є практично невичерпним джерелом, і тому може бути реальною основою сталого розвитку людства.

Чи можна створити ефективну модель вітрогенераторної установки?

Метою проекту є пропозиція конкретної схеми виготовлення вітрогенератора задля забезпечення локальних потреб населення електроенергії.

Енергія – її джерела та споживачі

Нове джерело енергії - Вітер

1) вивчити літературу на тему;

2) здійснити розрахунок побутового споживання електрики;

3) вивчити та відрізняти відновлювані джерела енергії від невідновлюваних;

4) створити модель вітрогенератора.

Модель вітрогенератора буде здатна виробляти напругу, яку можна використовувати у побутових потребах.

Були проведені практичні науково-дослідні роботи з вивчення роботи з метою: 1) первинного практичного оволодіння основними науково-технічними принципами, покладеними в основу проекту; 2) використання отриманих чисельних експериментальних значень для корекції розрахунків із проектно-технічної реалізації; 3) складання технічної блок-схеми проекту вітрогенераторної системи.

Була виготовлена за допомогою викладача основна модель вітрогенератора, з діаметром лопатей 0,38 м та широкі лопаті з жерсті. За допомогою цього виміряного поля швидкостей було з'ясовано, що саморобний вітряк із трьома лопатями починає крутитися за середньої швидкості близько 4 м/с. Таким чином було зроблено висновокщо для того, щоб вітряк починав крутитися, починаючи з малої швидкості вітру, необхідно, щоб він мав досить велику площу лопатей. Цього можна досягти не тільки роблячи широкі лопаті, а й збільшуючи їхню кількість. Широкі лопаті з погляду надійності менш вигідні, тому що великі маси на кінцях лопатей створюють можливість розриву при великих швидкостях. Знято показання напруги, сили струму, кутова швидкість.

З урахуванням усієї проведеної роботи в частині технологічної реалізації та науково-дослідних експериментів технічної частини було розроблено загальну схему вітрогенераторної установки.

В результаті роботи над проектом було вироблено оптимальну на нашу думку схему вітрогенераторної установки на основі багатолопатевих, а не трилопатевих вітряків, які застосовуються зазвичай сьогодні в Західній Європі.

Серйозним практичним результатом нашої роботи був розрахунок середньої потужності установки вітрогенераторної системи. Це число складає 0,34 Вт.

МБОУ ЗОШ №6 м.Бікіна, районна школа «ІНТЕЛЕКТ»

Прилади, матеріали та обладнання, необхідне створення моделі.

Форма подання результатів

Модель вітрогенератора.
Постер.
Текстова презентація та її ілюстративне забезпечення.

Історія створення вітрогенератора

У наші дні двигуни, які використовують вітер, покривають лише одну тисячну світових потреб в енергії. Техніка 20 століття відкрила абсолютно нові можливості для вітроенергетики, завдання якої стало іншою - отримання електроенергії. На початку століття Н.Є. Жуковський розробив теорію вітродвигуна, на основі якої могли бути створені високопродуктивні установки, здатні отримувати енергію від найслабшого вітерця. З'явилося безлічпроектів вітроагрегатів, незрівнянно досконаліших, ніж старі вітряки. У нових проектах використовують досягнення багатьох галузей знання. У наші дні до створення конструкцій вітроколеса - серця будь-якої вітроенергетичної установки-залучаються фахівці-самолетобудівники, які вміють вибрати найбільш доцільний профіль лопаті, досліджувати його в аеродинамічній трубі. Зусиллями вчених та інженерів створено найрізноманітніші конструкції сучасних вітрових установок.

Першою лопатевою машиною, що використовувала енергію вітру, було вітрило. Вітрило і вітродвигун крім одного джерела енергії поєднує один і той же принцип, що використовується. Дослідження Ю. З. Крючкова показали, що вітрило можна у вигляді вітродвигуна з нескінченним діаметром колеса. Вітрило є найбільш досконалою лопатевою машиною, з найвищим коефіцієнтом корисної дії, яка безпосередньо використовує енергію вітру для руху.

Вітроенергетика, що використовує вітроколеса та вітрокаруселі, відроджується зараз насамперед у наземних установках. У вже побудовані і експлуатуються комерційні установки. Проекти наполовину фінансуються із державного бюджету. Другу половину інвестують майбутні споживачі екологічно чистої енергії.

Ще в 1714 році француз Дю Квіт запропонував використовувати вітродвигун як рушій для переміщення по воді. П'ятилопатеве вітроколесо, встановлене на тринозі, мало приводити в рух гребні колеса. Ідея так і залишилася на папері, хоча зрозуміло, що вітер довільного спрямування може рухати судно у будь-якому напрямку.

Перші розробки теорії вітродвигуна належать до 1918 р. В. Залевський зацікавився вітряками та авіацією одночасно. Він почав створювати повну теорію вітряноїмлина і вивів кілька теоретичних положень, яким має відповідати вітроустановка.

На початку ХХ століття інтерес до повітряних гвинтів та вітроколесів не був відокремлений від загальних тенденцій часу – використовувати вітер, де це тільки можливо. Спочатку найбільшого поширення вітроустановки набули сільському господарстві. Повітряний гвинт використовували для суднових механізмів. На всесвітньо відомому " Фраме " ( " Фрам " [фр. frum вперед] - дослідницьке судно Ф. Нансена, дослідника Арктики ) він обертав динамомашину. На вітрильниках вітряки рухали насоси та якірні механізми.

В Україні до початку нинішнього століття оберталося близько 2500 тисяч вітряків загальною потужністю мільйон кіловат. Після 1917 року млина залишилися без господарів і поступово зруйнувалися. Щоправда, робилися спроби використати енергію вітру вже на науковій та державній основі. В 1931 поблизу Ялти була побудована найбільша на ті часи вітроенергетична установка потужністю 100 кВт, а пізніше розроблений проект агрегату на 5000 кВт. Але реалізувати його не вдалося, оскільки Інститут вітроенергетики, який займався цією проблемою, було закрито.

Ситуація, що склалася, аж ніяк не обумовлювалася місцевим головотяпством. Такою була загальносвітова тенденція. У США до 1940 року побудували вітроагрегат потужністю 1250 кВт. До кінця війни одна з його лопатей зазнала пошкодження. Її навіть не стали ремонтувати – економісти підрахували, що вигідніше використовувати звичайну дизельну електростанцію.

Подальші дослідження цієї установки припинилися, а її творець та власник П. Путнем виклав свій сумний досвід у чудовій книзі "Енергія вітру", яка не втратила досі своєї актуальності.

Невдалі спроби використати енергію вітру у великомасштабнійенергетиці сорокових років були випадкові. Нафта залишалася порівняно дешевою, різко знизилися питомі капітальні вкладення великих теплових електростанціях, освоєння гідроенергії, як тоді здавалося, гарантує і низькі ціни і задовільну екологічну чистоту.

Істотним недоліком енергії вітру є її мінливість у часі, але його можна компенсувати за рахунок розташування вітроагрегатів. Якщо в умовах повної автономії об'єднати кілька десятків великих вітроагрегатів, то їхня середня потужність буде постійною. За наявності інших джерел енергії, вітрогенератор може доповнювати існуючі. І, нарешті, від вітродвигуна можна безпосередньо отримувати механічну енергію.

Принцип дії вітрогенератора

Принцип дії всіх вітродвигунів один: під натиском вітру обертається вітроколесо з лопатями, передаючи момент, що крутить, через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Чим більший діаметр вітроколеса, тим більший повітряний потік воно захоплює і тим більше енергії виробляє агрегат.

Принципова простота дає тут винятковий простір для конструкторської творчості, але лише недосвідченому погляду вітроагрегат є простою конструкцією.

Розрізняють крильчасті та карусельні вітродвигуни. Для крильчатих вітродвигунів, найбільша ефективність яких досягається при дії потоку повітря перпендикулярно до площини обертання лопатей крил, потрібен пристрій автоматичного повороту осі обертання. З цією метою застосовують крило-стабілізатор. Карусельні вітродвигуни мають ту перевагу, що можуть працювати при будь-якому напрямку вітру, не змінюючи свого положення.

Відмінність в аеродинаміці дає карусельним установкам перевагу вв порівнянні з традиційними вітряками. При збільшенні швидкості вітру швидко нарощують силу тяги, після чого швидкість обертання стабілізується.

генератор;
батарейка пальчикова 1,5 В;
вольтметр;
перемикач;
лампа розжарювання 1,5 Ст.
дроти.

Необхідний інструмент: гайкові ключі, дриль із свердлами, викрутка, пасатижі тощо.

До основних компонентів системи, без яких робота вітряка неможлива, відносять такі елементи:

Генератор – необхідний заряду акумуляторних батарей. Від його потужності залежить як швидко заряджатимуться ваші акумулятори. Генератор необхідний вироблення змінного струму. Сила струму та напруга генератора залежить від швидкості та стабільності вітру.

Лопаті – надають руху вал генератора завдяки кінетичній енергії вітру. Лопаті можна робити різної форми. Ми зробили кілька варіантів для того, щоб порівняти, який варіант вироблятиме більше електроенергії.

В результаті фаворитом став третій вид лопат. Максимальна напруга, що виробляється генератором, досягла 1,5 Ст.

З'єднавши генератор, лопаті та щоглу вітрогенератора ми отримали вітрогенераторну установку.

Акумуляторні батареї - накопичують електроенергію для використання в безвітряний годинник. Також вони вирівнюють і стабілізують напругу, що виходить з генератора. Завдяки їм можна отримати стабільну напругу без перебоїв навіть при рвучкому вітрі. Живлення об'єкта йде від акумуляторних батарей.

Експеримент із вітрогенератором

За допомогою цифрових датчиків від фірми "Наукові розваги" ми провели деякі вимірювання.

Цифровий датчик напруги дав нам можливість виміряти напругу в ланцюгу та подивитися яквоно змінюється зі збільшенням кількості оборотів лопатей вітрогенератора.

Цифровий датчик кутової швидкості (числа оборотів) виміряв число оборотів за 1 час. За 1 секунду відбувається 25 обертів лопатями

Цифровий датчик струму дозволив нам визначити значення струму в ланцюзі 0.225 мА.

4. У ланцюг нами був підключений перемикач та лампочка на 1, 5 В. Перемикач працює в 3 режимах: Вимкнено - Генератор - Генератор + батарейка. Лампа служить індикатором наявності струму в ланцюзі та позитивним результатом досвіду.

Переваги і недоліки

Ефективний спосіб резервування енергії у разі короткочасних відключень.
Безшумний, екологічно чистий, безпечний.
Не вимагає палива та регулярних ТО.
Швидкий монтаж/демонтаж без заливання бетонного фундаменту.
Невеликі розміри обладнання дозволяють перевозити його у великому легковому автомобілі чи мікроавтобусі.
Підходить для садового будиночка або побутової техніки з низькою потребою в енергії.

Шум
Залежність від швидкості вітру
Необхідність великої вільної площі

В результаті проведеної нами роботи ми дійшли висновку, що впровадження вітрогенератора з точки зору альтернативної енергії є виправданим. За допомогою створеної нами міні-моделі вітрогенератора змогли досягти того, що наш генератор виробляє напругу 1,5В і потужність нашої станції 0,34Вт. Ці значення малі для застосування в побуті, але не слід забувати, що параметри нашої моделі можна збільшити. Зокрема, можна збільшити діаметр ротора, площу лопатей, матеріал з якого зроблені лопаті, встановити вітрогенератор на високу щоглу, щоб потік повітря та його швидкість були більшими, тим самим збільшитипотужність встановлення.

Окрім цього, нашу установку можна модернізувати та використовувати разом із сонячною батареєю, що й стоїть у подальших планах нашої робочої групи районної школи «ІНТЕЛЕКТ».