Исследовательский проект на тему «Изучение возможности использования ветрогенератора в загородном доме»
проект (3 класс)

МБОУ Бобровский образовательный центр «Лидер» имени А.В.Гордеева

Проект на тему:

Изучение возможности использования ветрогенератора в загородном доме

Подготовил:

ученик 3 класса

Юраков Даниил Евгеньевич

МБОУ Бобровский образовательный центр «Лидер»

 имени А.В.Гордеева

Научный руководитель:

учитель начальных классов

Шевцова Наталья Михайловна

Россия, Воронежская область, г. Бобров

20020г.

Оглавление

Введение …………………………………………………………...………...2-3

Глава I. Теоретическая часть.

1.Что такое альтернативные источники энергии………………………......4-5

Глава II. Ветроэнергетика.

 2.1. История появления ветроэнергетики….. …………………………..…6-7

2.2. Плюсы и минусы использования ветряной энергии……………..…..8-11

Глава III. Практическая часть.

3.1.Изготовление макета предполагаемого использования ветрогенератора……………………………………………………………12-13

3.2. Эксперименты с ветрогенератором………...………………………..14-15

Заключение………………………………………………………………...…16

Список литературы………………………..………………………………...17

Приложения

Приложение 1. Моя солнечная батарея……………………………………...18

Приложение 2. Элементы для макета………………………………………..18

Приложение 3. Делаю макет…………………………………………………19

Приложение 4. Собираю обтекатель турбины……………………………...20

Приложение 5. Устанавливаю ветряную турбину………………………….21

Приложение 6. Мой макет готов……………………………………………..22

Приложение 7. Эксперимент в домашних условиях………………………..23

Приложение 8. Эксперимент на улице………………………………………24

Введение

        В современном мире человечество постоянно нуждается в электрической энергии. На ее выработку тратится много средств и ресурсов, наносится большой вред экологии, что отражается на нашем здоровье и   окружающей среде. В данной работе мы рассмотрим нетрадиционные источники энергии, которые не наносят вред экологии и являются возобновляемыми ресурсами, в отличие от полезных ископаемых, таких как газ, уголь, нефть и др.

Актуальность: сегодня в мировом сообществе остро стоит вопрос исчерпаемости природных ресурсов и ухудшении экологии Земли. Ученые и многие страны все больше обращаются к экологически чистым источникам энергии.

Новизна исследования: человечество стало все чаще использовать солнечную энергию. Солнечные панели можно увидеть на улице, и в бытовых приборах. Может ли энергия ветра стать настолько же востребованной и простой в использовании.

Гипотеза: если получится создать работоспособный макет использования мини-ветрогенератора, то можно предположить, что ветрогенератор можно использовать в загородном доме.

Цель: сделать макет предполагаемого использования ветрогенератора, и оценить возможность эффективной работы ветрогенератора в загородном доме.

            Задачи:

1. Собрать и систематизировать информацию об альтернативных видах энергии.

2. Изучить ветроэнергетику.

3.Сделать макет предполагаемого использования ветрогенератора. Рассмотреть возможность использования ветрогенератора в загородном доме.

Объект исследования: альтернативные источники энергии.

Предмет исследования: ветроэнергетика, ветрогенератор.

Материалы исследования: конструктор, ветряная турбина,

Методы исследования:

- теоретический – изучение и анализ справочной  литературы, поиск информации в глобальных компьютерных сетях, обобщение;

- моделирование;

- эксперимент.

Характеристика источников для написания работы и краткий обзор по данной теме литературы: для написания работы мною было использовано несколько книг, одной из которых является книга «Альтернативные источники энергии и энергосбережение», автор Германович В., Турилин А.  В этой книге рассматриваются устройства, с помощью которых можно получать энергию из неисчерпаемых или возобновляемых природных ресурсов. Книга рассказывает об использовании солнечного излучения, механической энергии ветра, течения  рек, приливов и отливов морей и океанов, геотермальной энергии земли. Также для написания работы было использовано учебное пособие Сибикина Ю. Д. «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», где рассмотрено современное состояние и перспективы использования в России и за рубежом энергии солнца, ветра, геотермальных вод, малых рек, океанов, морей, вторичных энергоресурсов и других возобновляемых источников энергии. Приведены примеры их внедрения в народное хозяйство.

ГЛАВА I. Теоретическая часть

1. Что такое альтернативные источники энергии

Каждому человеку для жизни на планете Земля нужна энергия. В современном мире невозможно представить себе жизнь без электричества в доме, школе или на рабочем месте. И потребность человечества в энергии с каждым годом увеличивается. Вместе с тем уменьшаются запасы природных топлив – нефти, угля и газа, за счет которых мы получаем необходимую нам энергию. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. К тому же их использование ведет к загрязнению окружающей среды и ухудшению здоровья всего человечества. Следовательно, всё острее встаёт вопрос о нахождении такого вида энергии, потребление которого не приведет к неизбежному исчерпанию запасов, а использование таких ресурсов не будет негативно отражаться на состоянии экологии.

Человечеству не стоит изобретать что-то новое. Ведь природа уже одарила нас богатейшими и неисчерпаемыми источниками энергии, которые скрыты в её стихиях – ветра, солнца, воды. Когда-то люди уже умели применять их во благо. Энергия воды применялась еще со времен Римской Империи, но с увеличением добычи полезных ископаемых эти технологии стали менее востребованы. Необходимо возобновить или усовершенствовать умение пользоваться этим даром.

Альтернативными источниками энергии ученые называют нетрадиционные ресурсы, с помощью которых добывают энергию. Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Причина поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнце является основным источником всех видов энергии, которые человек имеет в своем распоряжении, например, ветер появляется из-за неравномерного нагрева поверхности земли. Это энергия неисчерпаема.

Одним из способов преобразования солнечной энергии является – фотоэлектрический способ. В этом случае используется прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов – солнечных батарей. Солнечные батареи бывают разных видов и размеров. Чем больше поверхность панели, тем больше энергии она вырабатывает. Свою солнечную батарею я могу брать с собой как на прогулку, так и в поход, и на речку, напряжения, которое она вырабатывает, хватает для подзарядки телефона, или планшета и др.                                                            Приложение 1.   Фото 1.

Сейчас солнечные батареи применяются во многих отраслях за счет своей многофункциональности и простоте, это и уличное освещение, и зарядные устройства, и автомобилестроение и космонавтика.

Вывод: в последнее время спрос на более экологичные и безопасные источники энергии только растет. Солнце, вода, биотопливо, волны, приливы и отливы, тепло исходящее от почвы – все это альтернатива невозобновляемой энергии.

Глава II.Ветроэнергетика

2.1. История появления ветроэнергетики

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другие.

Ветер – это поток воздуха, который перемещается, как правило, в горизонтальном направлении из зоны высокого атмосферного давления в зону низкого. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева солнцем поверхности земли.

Человечество научилось использовать энергию ветра очень давно.  Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н.э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцами. Первая ветряная электростанция – «мельница» Блита диаметром 9 метров – была построена в 1887 году. Однако технологию Блита сочли экономически не жизнеспособной, и следующая ветроэлектростанция появилась в Великобритании только в 1951 году.

В России ветряки и ветро-электрические станции начали разрабатывать с середины 1920-х годов и использовались они в основном в сельском хозяйстве. В 1931 году в Курске была построена ветроэлектростанция Уфимцева, первая в мире ветроэлектрическая станция с инерционным аккумулятором, она является объектом культурного наследия федерального значения. В том же году в Балаклаве вошла в строй ветроэлектростанция мощностью 100 киловатт, на тот момент самая мощная в мире, разрушена в 1941 году во время боев Великой Отечественной Войны. В настоящее время самой крупной ветроэлектростанцией в России является Адыгейская ВЭС.

2.2. Плюсы и минусы использования ветряной энергии

К настоящему времени разработаны самые разные типы ветрогенераторов. В первую очередь, ветрогенераторы принято разделять на вертикальные и горизонтальные. Эти группы называются так из-за расположения оси вращения крыльчатки. Горизонтальные конструкции напоминают пропеллер или вентилятор, а вертикальные по своему строению близки к карусели. Так же ветрогенераторы различают по количеству лопастей, материалам из которых изготовлены лопасти, и по шаговому признаку винта.

Для своей работы я использовал горизонтально-осевой ветрогенератор с тремя лопастями.

Эффективная работа ветрогенератора зависит от скорости ветра. Современные ветрогенераторы начинают заряд аккумуляторов при скорости ветра от 3 – 3,5 м/с. (скорость ветра ниже - считается штилем), однако при скорости выше 25 м/с. ветрогенераторы использовать не рекомендуется (ветер скоростью больше 25 м/с. Считается бурей).

На скорость ветра прямое воздействие оказывают несколько факторов:

• высота над землей. Чем ближе потоки атмосферных газов к поверхности Земли, тем выше степень их трения об нее. Чем выше от земли, тем скорость ветра сильнее.
• сезоны года. Как правило, зимой ветер дует с большей скоростью, чем летом.
• ландшафт местности. На скорость ветра влияют природные препятствия, такие как холмы, деревья, и искусственные препятствия – дома и различные постройки.

Плюсы ветряных электростанций:

• запасы ветряной энергии неисчерпаемы.
• экономия ресурсов. Работа ветрогенераторане требует никакого топлива, что позволяет сэкономить природные ресурсы такие как уголь и нефть.
• высокая экологичность - не происходит выбросов в атмосферу.
• 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.
• опасность для птиц. Хотя последние исследования показывают, что птиц от столкновения с лопастями гибнет намного меньше, чем от столкновений с высоковольтными ЛЭП.

Вывод: ветроэнергетика является одним из перспективных направлений развития альтернативных источников энергии. Не смотря на видимые недостатки ветряных электростанций человечество, видит огромную перспективу развития данной отрасли. Ветрогенераторыпостоянно совершенствуются, повышается их энергетический потенциал, устраняются различные неудобства в использовании. Ветроэлектростанции способны значительно сократить расходы полезных ископаемых на производство электрической и тепловой энергии, а так же существенно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Глава III. Практическая часть

3.1.Изготовление макета предполагаемого использования ветрогенератора

Для того чтобы изучить возможность использования ветрогенератора в загородном доме, я решил смоделировать возможность его использования на примере  макета с уличным освещением.

Для изготовления макета мне понадобилось:

Приложение 2.    Фото 2.

1. Конструктор «ECO-ENGINEERING» Ветряная турбина.

2. Конструктор.

3. Подставка для макета.

4. Два светодиода с проводами.  

5. Паяльник.

6. Клеевой пистолет, и клеевые стержни.

7. Фетр.

8. Клей ПВА.

Этапы работы над макетом:

1. Первым делом я решил оформить макет. Я собрал из конструктора домики, и элементы декора – деревья. Фетр приклеил к подставке с помощью клея ПВА. Домики и элементы декора на фетр я закрепил клеевым пистолетом.                                                     Приложение 3.Фото 3.

2. Я приступил к сборке ветряной турбины. По инструкции индикатор работы турбины – светодиод, находится в корпусе обтекателя, что совершенно не соответствовало главной задаче моего проекта – сделать макет с уличным освещением. В решении данной проблемы мне помог папа, вместе с ним мы убрали штатный светодиод, а на его место припаяли провод с двумя светодиодами (уличными фонарями).

Приложение 4.   Фото 4.

3. Собрал ротор, и соединил его с обтекателем, поставил обтекатель на башню, ветряная турбина готова.                                                                                                            Приложение 5.  Фото 5.

4. Светодиоды я закрепил на крыше домиков с помощью клеевого пистолета. Мой макет готов, можно переходить к испытаниям.                             Приложение 6.  Фото 6.

3.2.Эксперименты с ветрогенератором.

Эксперимент 1. Проверка ветрогенератора дома

После сборки макета мне стало интересно его проверить. Роль ветра в домашних условиях выполнил вентилятор. Под воздействием ветряного потока лопасти начинают вращаться, ротор набирает скорость, и генератор, который находится в корпусе обтекателя, начинает вырабатывать электричество – светодиоды светятся.

Приложение 7. Фото 7.

Я попробовал поменять направление ветра, переместив вентилятор тем самым направив поток воздуха с другой стороны. Флюгер быстро повернул пропеллер в сторону ветра. Горевшие светодиоды на мгновение стали гореть не так ярко, что свидетельствует о том, что электричество на момент поворота вырабатывалось не так интенсивно.

Вывод: собранный макет работает, светодиоды светятся, флюгер поворачивает ротор, тем самым ловя меняющиеся воздушные потоки. Но, я пришел к выводу, что в домашних условиях невозможно увидеть всех нюансов использования ветрогенератора. Вентилятор дает постоянный поток воздуха, что не соответствует реальным уличным условиям.

Эксперимент 2. Проверка на улице

В этом эксперименте проявился один из недостатков ветрогенераторов – на улице был штиль. Ротор так и не стал крутиться. Ветряную погоду мне   пришлось ждать 2 дня.

Прогноз погоды обещал ветер 4-5 м/с.  Я вышел на улицу, ветер дул не равномерно, порывами. Светодиоды то горели ярко, то затухали в зависимости от порывов ветра. Флюгер мгновенно поворачивал ротор и   подстраивал его под потоки воздуха.                                                                                               Приложение 8. Фото 8.

Вывод: из-за непостоянной силы ветра электричество к светодиодам поступает неравномерно, поэтому можно предположить, что для обеспечения электричества в доме   одного ветрогенератора не достаточно.

Проведя исследования, пришел к выводу: ветрогенератор в частном доме не может работать на прямую от ветра - как сделано у меня на макете. Скорость ветра не постоянна, а это значит, что электроэнергия поступает неравномерно, из-за чего могут сгореть электроприборы. Для использования в реальных условиях одного ветрогенератора не достаточно, необходимо использовать стабилизатор электричества, что бы избежать скачков напряжения, и аккумулятор, что бы накапливать излишки энергии в ветряную погоду и использовать их в безветренные дни. Для установки ветрогенератора дома нужно учесть множество факторов влияющих на его работу, от природных до технических. Однако в труднодоступных уголках нашей страны, где подключение к электросети невозможно, использование ветрогенератора в частном хозяйстве может стать хорошей альтернативой дизельным генераторам.

Заключение

Результаты работы над проектом:

- изучена информация о разнообразных источниках энергии;

- изучен теоретический материал о ветроэнергетике;

- сделан макет с работающим ветрогенератором. На примере макета наглядно изучена возможность преобразования энергии ветра в электричество.

Степень подтверждения гипотезы: не смотря на то, что макет работает, считаю, что гипотеза подтвердилась частично. В процессе экспериментов я выяснил, что для работы ветрогенаратора в реальных условиях необходим аккумулятор и стабилизатор напряжения.

Выводы: работая над проектом, пришел к выводу, что возможно получение энергии методами, не загрязняющими окружающую среду. Собранный мною макет наглядно демонстрирует преобразование ветра в электроэнергию, но не полностью отображает работу настоящего ветрогенератора.

Рекомендации по работе: ветрогенераторы могут стать отличной альтернативой дизельным генераторам, в местах, где сетевое электричество недоступно, при условии, что среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с.

Дальнейшее развитие работы: планирую убрать видимые недочеты в макете – установить аккумулятор и стабилизатор напряжения. Так же мне стало интересно, могут ли солнечная и ветряная энергия работать сообща? Хочу проверить это, дополнив макет солнечными батареями.

Список литературы

1. Сибикин Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. –М.: КНОРУС, 2010. – 232 с.
2. Уделл Свен Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. – М.: Знание, 1980. 225с.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоэлектричество.

Приложения

Приложение 1.Фото 1.Моя солнечная батарея

Приложение 2.Фото 2.Элементы для макета

Приложение 3.Фото 3. Делаю макет

Приложение 4.  Фото 4. Собираю обтекатель турбины

Приложение 5.   Фото 5. Устанавливаю ветряную турбину

Приложение 6. Фото 6. Мой макет готов

Приложение 7. Фото 7. Эксперимент в домашних условиях

Приложение 8. Фото 8. Эксперимент на улице