В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Ветрогенератор – альтернативный  источник энергии: разработка и исследование" ученик 9 класса школы провел изучение справочной литературы, дал определение понятия "энергия" и определил источники ее потребления.

Подробнее о проекте:

В учебной исследовательской работе по физике "Ветрогенератор – альтернативный  источник энергии: разработка и исследование" автор изучает возобновляемые источники энергии, а также подробно исследует принцип действия ветрогенератора и виды ветрогенераторов. Школьник выясняет, какой ветрогенератор выгоднее всего использовать для получения энергии и предлагает свой вариант создания прибора.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Ветрогенератор – альтернативный  источник энергии: разработка и исследование" автор рассказывает, какие альтернативные источники энергии были выделены в 21 веке, выясняет преимущества использования альтернативных источников энергии и описывает идею создания модели ветрогенератора, который впоследствии может быть использован в бытовых целях, для преобразования энергии ветра в электрическую.    

Оглавление

Введение
1. Возобновляемые источники энергии.                                                    
2. Принцип действия ветрогенератора и виды ветрогенераторов.
3. Создание ветрогенератора.                                                                
Заключение                                                                                     
Список используемой литературы                                                       

Цель проекта: создание модели альтернативного источника энергии – ветрогенератора.

Объект исследования: Энергия – её источники и потребители.

Предмет исследования: Новый источник энергии – Ветер.

Данный исследовательский проект посвящен альтернативным источникам энергии XXI века. В проекте раскрыты преимущества использования альтернативных источников энергии, отражена идея создания модели ветрогенератора.    

Задачи исследования:

1. Изучить преимущества возобновляемых  источников энергии.
2. Провести анализ имеющихся на зарубежном и отечественном рынках готовых технических решений ветрогенераторов.
3. Создать модель ветрогенератора, который, впоследствии, может быть использован в бытовых целях, для преобразования энергии ветра в электрическую, увеличив соответственно размеры ветрогенератора.
4. Обосновать использование ветрогенератора  для конкретного потребителя.

Актуальность. Жизнь современного человека просто немыслима без энергии. Растущее население Земли и растущее производство, «оцифровывание» человечества требуют все больше и больше энергии.

На данный момент основным источником получения энергии является органическое топливо (нефть, газ, уголь), но их запасы на нашей планете ограничены. Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития возобновляемой энергетики, являющейся наиболее развивающимся направлением электро- и  теплоэнергетики.  Решающий  успех возобновляемой энергетики определяется, в конечном счете, ее эффективностью в сравнении с другими более традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергетики. Технологии будущего ученые очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии.

Одним  из перспективных направлений альтернативной энергетики является ветроэнергетика, эта отрасль добычи энергии не только активно развивается, но и требует новых разработок для повсеместного распространения в различных типах местности.  

Тема проекта, связанная с использованием энергии ветра, выбрана ещё и потому, что на территории Ипатовского городского округа ведётся строительство  ВЭС. Он будет состоять из 48 ветроэнергетических установок мощностью 2,5 МВт каждая. Общая мощность «Бондаревской ВЭС» составит 120 мегаватт.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) -  это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ является их неистощимость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время – в пределах срока жизни одного поколения людей.

Более 30 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии    с резолюцией 33/148 (1978 г.) введено понятие «новые и возобновляе мые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия.

На территории Ставропольского края основными источниками возобновляемой энергии, использование которых может иметь промышленное применение, являются геотермальная энергия, энергия солнца и энергия водных потоков рек и действующих гидротехнических сооружений. Ставропольский край обладает высоким ветропотенциалом, достаточным для эффективной работы ветроэнергетических станций, однако и вопрос использования отходов сельскохозяйственного производства в качестве биотоплива для получения тепловой энергии не перестает быть актуальным.

Геотермальная энергия

Ставропольский край чрезвычайно богат термальными водами, температура которых достигает 125-130°С, что позволяет использовать геотермальный теплоноситель с такими параметрами не только для целей теплоснабжения, но и позволяет эффективно вырабатывать электроэнергию. Практика показывает, что для использования геотермальных вод в теплоснабжении применяются воды низко- (температура до 70°С) и среднепотенциальные (температура 70-100°С), для выработки электричества – только высокопотенциальные (температура свыше 100°С).

Солнечная энергия

Все районы Ставропольского края характеризуются высоким уровнем поступлений солнечной радиации. В летнее время средние потоки солнечной радиации составляют 5-6 кВтч/м2день, что практически равно потокам радиации в южных странах, где солнечные установки уже нашли широкое коммерческое применение. Вместе с тем в зимний период среднее поступление солнечной энергии в 3-4 раза ниже летнего. Среднедневные температуры наружного воздуха существенно опускаются ниже нуля лишь в феврале, что позволяет рассматривать возможность использования солнечных установок без применения незамерзающих теплоносителей в течение большей части года (9-10 месяцев).

Малые ГЭС

В Ставропольском крае выполнены работы по развитию малых гидроэлектростанций. В этом плане обследованы 14 наиболее перспективных створов для строительства малых ГЭС. Суммарная мощность их может составить 50-53 МВт, а среднемноголетняя выработка электроэнергии порядка 480 млн. кВт.ч.  Кроме того, ведутся работы по создания малых ГЭС на гидротехнических сооружениях.

Энергия ветра

Согласно ветровым характеристикам, Ставропольский край относится к субъектам Российской Федерации со сравнительно высоким среднегодовым уровнем скорости ветра и имеет благоприятные условия для развития ветроэнергетики с выработкой электрической энергии за счет использования энергии ветра. 

Целесообразность строительства ветряных электростанций в Ставропольском крае обусловлена высоким ветровым потенциалом – среднегодовая скорость ветра на высоте 100 метров составляет не менее 8 м/с, высоким уровнем тарифа в регионе, кроме того близость к передающим сетям и потребителям обуславливает снижение стоимости присоединения.

Полученные данные от проводимого мониторинга позволяют сказать, что коэффициент использования установленной мощности при заданных характеристиках ветра составит не менее 32% и позволит ветряным электростанциям мощностью  90 МВт ежегодно вырабатывать до 285 млн.кВт.ч.  Ставропольский край, обладающий не только хорошими условиями для развития ветроэнергетики и развитой сетевой инфраструктурой для подключения новых ветряных электростанций, является хорошей инвестиционной возможностью в этом направлении.

Ветер характеризуется скоростью, являющейся случайной переменной в пространстве и времени.  Совокупность характеристик ветра с точки зрения его использования для производства механической или электрической энергии называется ветроэнергетическим кадастром.

Основными составляющими кадастра являются:

• Среднегодовая скорость ветра. Годовой и суточный ход ветра, т.е. его изменения по суткам и месяцам года;
• Повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей, т.е. сколько времени в течение года держится определенная скорость ветра;
• Максимальная скорость ветра;
• Распределение ветровых периодов и периодов штилей;
• Удельная мощность и удельная энергия ветра;
• Ветроэнергетические ресурсы региона, т.е. сколько энергии можно выработать с определенной площади.

Одним из основных параметров, отражающих возможности использования ветра, является его среднегодовая скорость. Если эта скорость составляет 5 м/с на высоте измерения 10 м (высота флюгера), то более, чем вероятно, что применение ВЭУ будет эффективным.

Это является условием применения ВЭУ с единичной мощностью 100 и выше кВт. С увеличением среднегодовой скорости ветра эффективность ВЭУ сильно увеличивается, поскольку количество вырабатываемой электроэнергии пропорционально кубу скорости ветра, ВЭУ малой мощности могут быть эффективны и при меньшей среднегодовой скорости ветра.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Ветрогенераторы  по своему виду различаются по:

• количеству лопастей,
• материалам, из которых изготовлены лопасти,
• расположению оси вращения к поверхности земли,
• шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одно-двух-трёх и многолопастные. Последние начинают своё вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где сам факт вращения важен, а не вырабатываемая электроэнергия.

То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев. Оптимальное количество лопастей ветротурбины зависит от направления ее использования. Ветротурбина, предназначенная для выработки электроэнергии, т.е. соединенная с генератором, не нуждается в большом начальном моменте вращения (моменте трогания) поскольку генератор пускается на холостом ходу, т.е. без нагрузки. В этом варианте достаточно двух или трех лопастей. ВЭУ с двумя лопастями существенно проще и дешевле, однако она более шумная и подвержена вибрации.

Исследования, проведенные учеными Дании в 1970-х годах показали, что оптимальным решением для ветроэнергетических ВЭУ является три лопасти. И это решение было признано всеми изготовителями ВЭУ.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла, но в ходе эксплуатации можно замучиться ремонтировать их.

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

Различают также крыльчатые и карусельные ветродвигатели. Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

Ветрогенераторы имеют свои достоинства и недостатки, однако по сравнению с тем огромным ущербом природе, который наносят тепловые электростанции, вред от ветрогенераторов почти незаметен.

Преимущества

Ветростанции не загрязняют ни воздух, ни воду, ни почву и не производят твердые отходы. Ветроэнергетика замещает (экономит) органическое топливо, такое как уголь, нефть, газ, а также сокращает вероятность потерь топливных ресурсов при добыче и транспортировке.

Экологически чистая ветровая энергия может помочь снизить негативное влияние на природу от энергетики. Десять млрд. кВт·ч, которые вырабатываются на ветростанциях России, ежегодно предотвращают выбросы около 7 млн. тонн углекислого газа, 38000 тонн двуокиси серы и 25000 тонн окиси азота.

Сельскому жителю: фермеру, пастуху, рыбаку, дачнику небольшие ветроустановки мощностью от 50 Вт до 5 кВт, совместно с аккумуляторной батареей и инвертором (устройство, преобразующее постоянный ток в переменный) может дать свет в дом, возможность смотреть телевизор, слушать радио, поднимать воду из глубины до 40 метров, выполнять роль пастуха в загонах и пользоваться многими электроинструментами небольшой мощности. Кстати, ветроустановки малой мощности могут эффективно использоваться в местах с небольшой среднегодовой скоростью, так что география их возможного применения гораздо шире в несколько раз, чем мощные ВЭС.

Недостатки

Неустойчивость  работы и полная зависимость от силы ветра.

Ветряные турбины создают шум сравнимый с шумом автомобиля движущегося со скоростью 70 км/ч, что создает дискомфорт для людей и отпугивает животных.

Вращающиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для некоторых видов живых организмов.

Изучив преимущества альтернативных источников энергии  я перешел к созданию модели ветрогенератора и расчету количества электроэнергии  вырабатываемой им. Модель  впоследствии  может быть использована в бытовых целях, для преобразования энергии ветра в электрическую при  увеличении соответственно размеров ветрогенератора.

Модель  должна состоять из следующих частей: ветрогенератор, основание ветрогенератора. Для имитации ветра буду использовать вентилятор. При сборке отдельных блоков модели использованы детали согласно перечню:  генератор (кулер от компьютера);  вольтметр;  светодиод; провода; лопасти;  полипропиленовые трубки;  диодный мост.  Необходимые инструменты: дрель со сверлами, отвертка, пассатижи, ножовка  и др.

Ход работы

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы: 1) Генератор – необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра. 2) Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра. Лопасти можно делать различной формы. Я  создал  конструкцию, где используются лопасти крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения. Именно этот тип ветряного двигателя имеет максимальный коэффициент использования ветра при минимальном расходе материалов.

Я  взял стандартный кулер от компьютера, разобрал, перемотал обмотку ротора  и подключил проводки напрямую к катушкам. Удалил  датчик Холла, похожий на транзистор с 4-мя выводами.  Можно обойтись и без этого, ведь кулер может уже работать как генератор, но если этого не сделать энергии будет очень мало. Далее  мне понадобились  выпрямительные диоды.

Собрал схему, подключил светодиод к выходу и подул на кулер, используя вентилятор. Светодиод загорелся. Отрезал от кулера основание, и сделал  новые лопасти.  Проведенные эксперименты показали, что наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей тихоходного ветряка является пластик. Также пластиковые лопасти, в отличие от деревянных  не покорежатся от влаги.  

Далее  из полипропиленовых труб  сделал основание ветрогенератора. На противоположном конце генератора сделал прорезь под компакт диск и вставил  его. CD будет служить флюгером.  В итоге при работе установки не выявлено вредных поражающих факторов, и ее можно рекомендовать к использованию.

Электрические характеристики измерены с помощью прибора мультиметра. Модель ветрогенератора может вырабатывать электрический ток, имеющий следующие характеристики: сила тока 0,225мА;  напряжение 1,5В.

Материальная стоимость изделия.

Для изготовления ветрогенератора нам понадобился бросовый материал: старый кулер от компьютера, остатки проводов, остатки полипропиленовых труб, оставшихся от ремонта, старый испорченный диск, крышка от бутылки. Поэтому в процессе изготовления ветрогенератора мы не понесли никакие материальные затраты.

При выполнении  проекта проведен аналитический обзор альтернативных источников энергии, а также конструкций существующих решений использования ветрогенераторов, рассмотрены достоинства и недостатки, имеющиеся в представленных ветрогенераторах,  была изготовлена модель ветрогенератора. Понятно, что надеяться на сколь-нибудь значимое подспорье в плане экономии электроэнергии с такой «мини-электростанцией» – по меньшей мере наивно.

Но я ставил задачу – создать источник питания для походных условий, например, для подключения небольшого фонаря, подсветки в палатке, для обеспечения работы радиоприемника, для возможности подзарядить гаджеты.  Сделать такой ветряк очень просто и экономически выгодно. Такое изделие легко ремонтируется и неприхотливо в использовании,  безопасно так как, изготовлено из нетоксичных материалов.

1. Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие / Б.В. Лукутин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. 187 с.
2. Топливно-энергетический комплекс Ставропольского края.
3. Как создать источник питания своими руками, С.Б. Шмаков. – СПб.: Наука и техника, 2013. – 288 с.
4. Ветроэнергетика, - под ред. Д. де Рензо, Москва, 1982 г.