Исследовательская работа по физике: "Некоторые проблемы энергосбережения"

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКИЙ АВТОНОМНЫЙ ОКРУГ- ЮГРА

ГОРОД ПОКАЧИ

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4»

Некоторые проблемы энергосбережения

Автор работы:

Третьяков Антон,

ученик 10 класса

Руководитель:

Зубарев В.Н.,

учитель физики

2013 год

Аннотация:

     Данная работа выполнена с целью получше разобраться с некоторыми проблемами, касающимися энергосбережения. Проводились экспериментальные исследования, на основе которых сделаны необходимые расчеты и выводы.

Данная работа состоит из двух частей. В первой части проведено исследование по теме коэффициент мощности переменного тока. На конкретных примерах показано, что это такое, а также экспериментально установлено, как повысить эффективность использования электроэнергии, то есть устранить ненужные ее потери при передаче.

Во второй части изучалась работа счетчика воды, применяемого в быту. Получены некоторые характеристики магнитного поля постоянных магнитов, по которым можно сделать практические выводы по поводу того, как усовершенствовать работу обычных счетчиков, то есть исключить внешнее влияние на них.

Выводы:

По первой части работы можно сделать следующие выводы:

1)Можно платить за использование электроэнергии, но при этом наносить большой ущерб неэффективным ее потреблением.

2)Коэффициент мощности можно повысить, если следить за емкостным и индуктивным сопротивлением.

3)Для получения наибольшей эффективности требуется кроме теоретических расчетов и экспериментальная настройка оборудования.

4) Необходимо использовать на практике приборы учета коэффициента мощности.

По второй части работы можно сделать следующие выводы:

Полученный результат я решил сравнить с другими исследованиями в этой области. В научных журналах нашел информацию по этому вопросу для некоторых стран ( по нашей стране, увы, никаких данных не приведено). Оказывается, что на холостую работу в США уходит 5% общего потребления электроэнергии в домохозяйствах. И эта, вроде бы небольшая, цифра означает, что примерно 18 электростанций средней мощности работают вхолостую. Во Франции исследование дало цифру 7%,а в некоторых странах она доходит до 13%.В этих странах уже ведется борьба против этого явления . Например, в нескольких американских штатах запрещено производить телевизоры и DVD проигрыватели, потребляющие в дежурном режиме более 3 Ватт. По- моим измерением у нас эти устройства потребляют  в среднем примерно 8 Ватт.

Я думаю, что и нам необходимо обратить внимание на эту проблему, чтобы сэкономить то количество энергии, которое сейчас тратиться впустую.

По третьей части работы можно сделать следующие выводы:

1) Разные магниты создают разные магнитные поля

2) Радиус действия магнитов зависит от их индукции, но даже у самых сильных он не превышает      7-8 см.

3) Для устранения влияния магнитов на счетчик необходимо изменить их конструкцию так, чтобы поле магнитов не доходило до вращающейся магнитной части счетчики.

По полученным данным расстояние нужно увеличить до 8см, сейчас оно равно 3см.

План исследования:

1. Исследование по теме «коэффициент мощности». Его влияние на энергопотребление и возможные способы его повышения.
2. Исследование ждущего режима.
3. Изучение проблемы учета расходуемой воды. Возможные способы устранения недостатков в работе счетчиков.

1.Исследование по теме «Коэффициент мощности». Его влияние на энергопотребление и возможные способы его повышения.

Современный человек использует все большее количество электроэнергии для удовлетворения своих постоянно растущих потребностей. Возникает вопрос, а где ее взять? Традиционные способы уже не дают необходимого прироста. Нельзя же бесконечно сжигать топливо или перекрывать реки, строя на их гидроэлектростанции. Много проблем и опасностей таит в себе атомная энергетика. Также традиционные способы добычи электроэнергии ухудшает экологическую обстановку. Использование других источников тока еще малоэффективны и дорогостоящие, хотя все больше стараются использовать энергию солнца, ветра, приливов и отливов. Нехватка электроэнергии подталкивает к ее более экономному использованию. Одним из таких шагов является переход с  ламп накаливания на энергосберегающие.

Не так давно я узнал о, том,  что существует очень важная физическая величина под названием коэффициент мощности(cosф). Многие считают так, если они исправно платят по счетчику за электричество, то никаких претензий к ним быть не может. Оказывается все не так просто. Приведу сравнительный пример. Представьте, что вам на отдельном большегрузном транспорте издалека привезли небольшой груз и вы заплатили небольшую сумму, которая учитывает только вес этого груза, а за транспортные расходы  не платит кто-то другой.

С электрическим током может происходить нечто подобное. По проводам на большой скорости может перемещаться лишняя электроэнергия, которая на местах не используется, но при этом бесполезно теряется. Я решил получше в этом разобраться.

Немногие  знают о том, что большой ущерб электроэнергетике наносит низкий коэффициент мощности. Повышение его на несколько десятых в масштабе страны привело бы к огромной экономии. Что же это такое коэффициент мощности или косинус фи, как его еще называют? Прежде всего надо сказать о том, что мы в основном используем переменный электрический ток, в котором в отличие от постоянного есть свои особенности.

В переменном токе существует три вида нагрузок или сопротивлений: 1) активные; 2) емкостные и  3) индуктивные.

        Хс        Х&

К активным относятся электроприборы, электрический  чайник, утюг, электрические лампы накаливания, то есть все, что нагревается под  действием тока на активной нагрузке ток и напряжение меняются синхронно или совпадают по фазе.

        U(f)

          I(f)

Если в сеть переменного тока включена только активная нагрузка, то коэффициент  мощности такой цепи =1, что является оптимальным вариантом. Коэффициент мощности (обозначаем его буквой К) можно определить так:

К;  где Ра- активная мощность; Р- полная мощность.

В активной цепи Ра = Р=>К=1. Коэффициент мощности можно также найти и другим способом:

К=;  К=; где R-активное сопротивление; Z-полное сопротивление; Uа - напряжение на активном сопротивлении; U- общее напряжение.

Если электрическая цепь будет содержать только конденсатор (емкостную нагрузку) то ситуация будет другой.

                                      Хс

На конденсаторе ток и напряжение уже не совпадают по фазе.

        U(f)

        I(f)

Сила тока опережает напряжение на  . Это означает, что в тот момент, когда сила тока максимальна напряжение на конденсаторе равно 0 и на оборот  то есть на нем не будет совершаться работа, но при этом электроэнергия будет совершенно бесполезно циркулировать по проводам, нагревая их. Коэффициент мощности такой цепи будет близок к 0. Если в сеть включить индуктивную нагрузку: катушка индуктивности или трансформатор, то в такой цепи тоже не будет синхронности между током и напряжением.

        Х&

Теперь напряжение будет опережать ток на .

        I(f)        U(f)

А это будет означать, что и в этой цепи не будет совершаться работа, а электрический ток будет бесполезно нагревать провода, по которым он движется. Коэффициент мощности здесь так же будет близок к 0.

В реальных цепях обычно содержится все три элемента – активный, емкостный, индуктивный и сдвиг фаз 0< ф <90. Чем он меньше тем лучше (выше коэффициент мощности).

Как же определяют коэффициент мощности.

С помощью специальной  литературы я выяснил, что есть специальные приборы- фазометры, определяющие cosф, по ввиду его отсутствия решил воспользоваться другим методом. Для определения cosф мною было использовано школьное оборудование для проведения физического практикума: источник питания, ключ, мультиметр, плата для установки конденсаторов, конденсатор 4,7 мкФ, конденсатор 1 мкФ-2 шт. , катушка индуктивности, резистор 68 Ом, резистор 360 Ом.

В цепях переменного тока, состоящих из активных сопротивлений (резисторов), катушек индуктивности и конденсаторов, напряжение и сила тока на отдельных участках изменяются не синхронно. Другими словами, эти величины не одновременно достигают своих максимальных и минимальных значений, меняют полярность, становятся равными нулю и т.д. Это приводит к тому, что колебания напряжения на выводах цепи и тока в ней сдвинуты по фазе на некоторый угол ф.

Этот сдвиг фаз имеет большое значение. Чем угол ф меньше, тем эффективнее происходит потребление электроэнергии. В электротехнике при расчетах чаще используют не значение этого угла, а его тригонометрия функцию- cosф. Значение cosф  указано на корпусах всех промышленных приборов. Величина cosф зависит от параметров электрической цепи: активного сопротивления R, индуктивности L и емкости С.

Согласно диаграмме, приведенной на рисунке, cosф можно найти как отношение напряжения на активном сопротивлении к общему напряжению  U: cosф= /U. На основании этого соотношения величина cosф будет определяться в данной работе экспериментально.

                         I                            

        ф

Uc-

        U

      Uc

Получить расчетную формулу для определения cosф можно, если использовать связь между общим напряжением, приложенным к цепи из последовательно соединенных резистора, катушки и конденсатора и напряжением на каждом из этих элементов:

Поставляя выраженное таким образом значение U в формулу cosф=Uр/U, получим:

В последовательной цепи сила тока I, одинакова во всех элементах, поэтому согласно закону Ома падение напряжения на каждом из элементов запишется в виде: =I*R;   ; Uс =I* . Подстановка выписанных соотношений в формулу для cosф дает:

   сosф=

Или, вынося в знаменатель из под знака корня общий множитель :

       сosф=

Используя выражения емкостного т индуктивного сопротивления  и можно получить формулу, связывающую cosф, с параметрами цепи R,L и С:

 Таким способом cosф вычисляется по известным величинам R,L, и С элементов, имеющихся в электрической цепи.

Для определения cosф я собрал следующую схему: соединил последовательно дроссель (L=1,2Гн), резистор R=360 Ом и конденсатор С=1 мкФ.

                                                       V, Ω,mA                СОМ

        V,Ω,mA

                                                                                                       L

        COM

        C

3.Переключил мультиметр в режим измерения переменного напряжения  в диапазон 20 В.

4. Замкнул ключ и измерил напряжение U на всей цепи и напряжение на резисторе . Данные измерений внес в таблицу.

5.Повторил опыт при а)R=360 Ом и С=4,7 мкФ; б)R=360 Ом и С=6,7 мкФ; с) R=68 Ом и С=4,7 мкФ.

6. Для каждого опыта рассчитал cosф на основе данных эксперимента и с использованием параметров элементов электрической цепи. Что означают полученные данные, покажу на следующем примере.

Допустим расходуемая мощность Ра=3кВТ. Электрический счетчик зафиксирует эту мощность, но при этом Р===30 кВТ.  Это означает, что вместо необходимых 3 кВТ по проводам движется 30 кВТ мощности.

При других параметрах: L=1,2 Гн; R=360 Ом; С=6,7 мкФ.

=0,6 то есть при этом Р==5 кВТ, что гораздо лучше, но все равно будут немалые потери.

Какой коэффициент мощности можно считать нормальным? Согласно следующей таблицы для коэффициента мощности можно определить 5 уровней.

Повышение соsф хотя бы на 0,2 или на 20% в масштабах страны может дать огромную экономию электроэнергии.

Из полученных мною данных можно сделать следующий вывод: cosф можно менять с помощью добавления к резистору и индуктивности конденсатор. При разных значениях электроемкости получены разные значения коэффициента мощности. Что они означают?

После этого я решил выяснить, как можно получить максимальный коэффициент мощности. Для этого мне потребовалось большое количество различных конденсаторов. Известно, что при параллельном соединении  электроемкости складываются. Поэтому для плавного изменения электроемкости я применил параллельное подключение конденсаторов емкостью 1мкФ

                                                       V, Ω,mA                СОМ

                                                                               1 мкФ                      

                                                                                                  L

                                                                            C

С помощью мультиметра я измерил напряжение на резисторе. Используя закон Ома определил силу тока в цепи I=.  Емкостное сопротивление определил по формуле =. Полученные данные занес в таблицу:

Из которой видно, что сила тока сначала нарастает, а затем уменьшается, то есть имеет максимальное значение при =413,5 Ом.

По полученным на опыте данным мною был построен график зависимости силы тока от емкостного сопротивления. Из графика видно что сила тока становится максимальной при Xc=430 Ом

Затем я вычислил индуктивное сопротивление =2пvL=314*1,2=377 Ом.

Если сравнить между собой 377 и 430 Ом то отличие между ними не большое.

×100%=12%

Теоретически они должны быть равны, но есть погрешности в измерениях и самих приборах и я думаю с помощью формул нельзя все учесть. Из полученных мною данных можно сделать следующий вывод: для получения максимального коэффициента мощности необходимо сначала уравнять емкостное и индуктивное сопротивления Xc=, а затем еще немного изменить Xc для получения окончательного результата.

По первой части работы можно сделать следующие выводы:

1)Можно платить за использование электроэнергии, но при этом наносить большой ущерб неэффективным ее потреблением.

2)Коэффициент мощности можно повысить, если следить за емкостным и индуктивным сопротивлением.

3)Для получения наибольшей эффективности требуется кроме теоретических расчетов и экспериментальная настройка оборудования.

4) Необходимо использовать на практике приборы учета коэффициента мощности.

2.Исследование ждущего режима.

В этой части работы я решил определить затрачиваемое количество электроэнергии на так называемый «ждущий режим».Для этого с помощью мультиметра измерил силу тока, потребляемого электроприбором в данном режиме, а затем по формуле   Р=U*I нашел соответствующую мощность. Используя формулу А= U*I*t,нашел работу  тока в кВтч. Полученные данные отображены в таблицах и диаграммах. По ним видно, что к.п.д. некоторых из них не очень высок, если судить по количеству расходуемой электроэнергии.

Потребление электроэнергии в день:

Измерение мощности ждущего режима.

В качестве резистора можно взять электроплитку с Р= 350 Вт. Согласно формуле P=U2/R =>

R=U2/P=2202/350=138 Ом.

С помощью омметра  определяем R=140 Ом. С помощью вольтметра определяем Up=5,5 В .

По закону Ома: Iр=Uр/Rр=5,5/138=0,04 А =>

 Iт=0,04 А.

 Выясним как влияет на силу тока в ждущем режиме резистор:

I=U/Rт

Iр=U/Rт+Rр => Rт=U/Iр-Rр

Rт=220/0,04-138=5362 Ом =>

I=220/5362=0,04 А

то есть включение в цепь резистора с R=138 Ом практически не повлияло на результат => полученный мною ток Iт=0,04 А, и есть ток ждущего режима => находим мощность ждущего режима Рж=U*Iж=8,8 Вт.

По второй части работы можно сделать следующие выводы:

Полученный результат я решил сравнить с другими исследованиями в этой области. В научных журналах нашел информацию по этому вопросу для некоторых стран ( по нашей стране, увы, никаких данных не приведено). Оказывается, что на холостую работу в США уходит 5% общего потребления электроэнергии в домохозяйствах. И эта, вроде бы небольшая, цифра означает, что примерно 18 электростанций средней мощности работают вхолостую. Во Франции исследование дало цифру 7%,а в некоторых странах она доходит до 13%.В этих странах уже ведется борьба против этого явления . Например, в нескольких американских штатах запрещено производить телевизоры и DVD проигрыватели, потребляющие в дежурном режиме более 3 Ватт. По- моим измерением у нас эти устройства потребляют  в среднем примерно 8 Ватт.

Я думаю, что и нам необходимо обратить внимание на эту проблему, чтобы сэкономить то количество энергии, которое сейчас тратиться впустую.

3.Изучение проблемы учета расходуемой воды. Возможные способы устранения недостатков в работе счетчиков.

Остановлюсь еще на одной проблеме, которая меня заинтересовала. Я думая, нет смысла рассказывать о значении воды в нашей жизни. Много энергии расходуется на то, чтобы очистить воду, нагреть до нужной температуры, доставить в наши квартиры. Пользуемся мы ее также как и электричеством не очень экономно. Не так давно в быту стали применяться счетчики воды, но вместе с ними появились и способы как их перехитрить и я слышал о том, что некоторые люди этим пользуются сейчас, правда появились так называемые антимагнитные счетчики, но используются и обычные без такой защиты. Я решил получше разобраться в том, как работают обычные счетчики и можно ли их усовершенствовать. Для начала я разобрал один из таких счетчиков, чтобы выяснить каков его принцип действия оказалось, что счетный механизм и вращающаяся под действием воды часть имеют между собой магнитную связь. Это сделано для того чтобы защитить счетный механизм от прямого действия воды.

После этого стало понятно, что с помощью постоянного магнита несложно воздействовать на вращение шестеренок, то есть остановить счетчик. Чтобы выяснить можно ли этому воспрепятствовать я решил исследовать магнитное поле постоянных магнитов. В физическом кабинете нашей школы есть компьютерный измерительный комплекс, «Архимед» в котором имеются различные датчики магнитного поля. Я измерил индукцию магнитного поля различных магнитов: слабых, средних и очень сильных. Сначала мною были получены данные зависимости индукции магнитного поля от расстояния до магнитов. По полученным данным были построены соответствующие таблицы значения:

Школьный магнит южный полюс.

Школьный магнит северный полюс.

1 магнит

2 магнита

4 магнита

Графики:

По третьей части работы можно сделать следующие выводы:

1) Разные магниты создают разные магнитные поля

2) Радиус действия магнитов зависит от их индукции, но даже у самых сильных он не превышает      7-8 см.

3) Для устранения влияния магнитов на счетчик необходимо изменить их конструкцию так, чтобы поле магнитов не доходило до вращающейся магнитной части счетчики.

По полученным данным расстояние нужно увеличить до 8см, сейчас оно равно 3см.

Список используемой литературы:

1. Учебники физики.
2. Журналы «Наука и жизнь».
3. Справочник по физике.