Государственное областное бюджетное

Профессиональное образовательное учреждение.

«Грязинский технический колледж»

Исследовательский проект

на тему

«АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА»

по учебному предмету

ФИЗИКА

Автор проекта: Аникин Николай Петрович

Руководитель проекта:  

Таныгина Алсу Рафаэлевна, преподаватель ГОБПОУ ГТК

г. Грязи, 2025 г.

Оглавление

Введение        3

Глава 1. Альтернативные источники электроэнергии        5

1.1. Что такое альтернативные источники энергии?        5

1.2. Солнечная энергетика.        5

1.3. Ветроэнергетика. Свойства ветра и его запасы.        9

Глава 2. Практическая часть. Действующая модель ветрогенератора как альтернативный источник энергии        14

Заключение        16

Список литературы и интернет-источников        17

Введение

Альтернативная энергетика — совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.

Для того, чтобы человечество существовало и стремительно развивалось, необходимо постоянно улучшать способы получения энергии. Поиск новых источников энергии и развитие альтернативных способов получения энергии – это основная приоритетная задача человечества в новом тысячелетии.

Энергетика – основа любых процессов во всех отраслях народного хозяйства, главное условие создания материальных благ и повышения уровня жизни людей. Энергетика сегодня является важнейшей движущей силой мирового экономического прогресса, и от её состояния напрямую зависит благополучие миллиардов жителей планеты. Неуклонный рост численности людей приводит к увеличению потребления энергии. И, если не развивать альтернативную энергетику, то это может привести к энергетическому кризису, так как с каждым днем все больше истощаются запасы природных ресурсов (уголь, газ, нефть), необходимых для работы традиционной энергетики.

В результате деятельности традиционной энергетики происходит отрицательное воздействие на атмосферу, литосферу и гидросферу, что увеличивает вероятность возникновения экологической катастрофы. Например, при сгорании органического топлива происходит образования различных вредных продуктов, загрязняющих окружающую среду, а при чрезмерном использовании воды постоянно меняется уровень воды, что может привести к катастрофическому наводнению или к засухе.

Цель: изучить альтернативные источники энергии и рассказать о них, разработать и создать модель ветряной стации для электроснабжения дома.

Задачи:

1. Найти подходящую информацию об альтернативных способах получения электроэнергии и проанализировать её;
2. Рассказать об истории их развития;
3. Изучить принципы получения и применения энергии;
4. Выявить преимущества и недостатки каждого способа с разных точек зрения: с экологической, с экономической, с технической.
5. Спроектировать и сконструировать модель ветряной станции для электроснабжения отдельного здания.
6. Сделать вывод о том, какой вид получения электроэнергии наиболее выгодный и приемлемый для человека.

Объект исследования: альтернативные источники энергии.

Предмет исследования: актуальность альтернативной энергетики.

Гипотеза: Возможно, что альтернативные источники энергии действительно являются наиболее выгодной заменой традиционным источникам.

Глава 1. Альтернативные источники электроэнергии

1.1. Что такое альтернативные источники энергии?

Альтернативные источники энергии – это приборы, способы, устройства, или сооружения, позволяющие получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющие собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.

К таким источникам энергии относят: энергию Солнца, ветра, тепла Земли, энергию морей и океана, биомассу, новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород, а также некоторые виды топливных спиртов и водород.

Многие из нетрадиционных источников энергии являются сложными энергоресурсами, компоненты которых позволяют получать и не топливную продукцию, широко применяемую в химии, строительной индустрии, сельском хозяйстве, металлургии и т.д.

Основное преимущество альтернативных источников энергии является неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет экологический баланс планеты. Такие источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия.

1.2. Солнечная энергетика.

Солнце как источник энергии

Солнце является основным источником всех видов энергии, которыми человек имеет в своем распоряжении. Этот резервуар неисчерпаем. Достаточно сказать, что в течение 1,1*109 лет Солнце израсходует всего лишь около 2% аккумулированной в нём энергии.

        Наша Земля, находясь в среднем на расстоянии 149 млн.км от Солнца, не получает и половины одной миллионной доли потока энергии излучаемой Солнцем. Кроме того, в среднем около 40% этой падающей энергии отражается на границе земной атмосферы обратно в межзвездное пространство. Тем не менее общее количество лучистой энергии, достигающее поверхности Земли в области суши, составляет за год 9,5*1017 кВт/ч. Это огромное количество энергии, непрерывно приходящее на поверхность Земли от Солнца в течение года, в 32 000 раз больше той энергии, которая поступает за это время в мировую энергетическую систему от разных источников энергии, таких, как минеральное топливо, гидроэнергия и пр.

Рис. 1. Структура солнечной батареи.

Способы преобразования энергии и принцип работы солнечных батарей.

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии:

• фототермический;
• фотоэлектрический.

В первом простейшем фототермическом теплоносителе (чаще всего вода) нагревается в солнечном коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) – тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) – химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1м2 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90 градусов по Цельсию. Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать водой многие дома в южных районах России.

Во втором способе, фотоэлектрическом, используется прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов – солнечных батарей. Этот способ наиболее перспективный для будущего.

Панель преобразователя солнечных батарей состоит из двух тонких пластин из чистого кремния, сложенных вместе. (см. рис. 1) На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор.  В слоях, покрытых фосфором возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди.

Применение солнечных батарей в современном мире.

        Солнечные батареи массово применяются во многих отраслях за счет своей многофункциональности и простоте.

        В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах. Эти здания используют тихий, надежный и безопасный источник энергии — Солнце.

Многие мировые производители электроники и бытовых приборов уже начинают внедрять солнечные панели в свою продукцию. В современном мире существует масса полезных приборов, которые оснащены небольшой солнечной панелью. Это различные зарядные устройства для мобильных телефонов и аккумуляторов, фонарики, и так далее. Весьма распространено применение солнечных батарей в качестве уличного освещения. Светильники, работающие на солнечных батареях, довольно часто применяются в качестве украшения к ландшафтному дизайну.

        В космонавтике солнечные батареи играют существенную роль. Эти устройства являются автономными источниками электричества, снабжающие электроэнергией все системы и установки жизнеобеспечения космических станций, а также обеспечивают бесперебойную и четкую работу всей аппаратуры.  Батареи одновременно питают электричеством оборудование и заряжают аккумуляторы, которые будут снабжать электроэнергией космические устройства в теневых участках орбиты.

        Преимущества.

Рассматривая излучения от солнца, как источник энергии, необходимо отметить, что эта энергия бесконечна. Это представляет собой большой плюс.

• Повсеместность. Запас солнечной энергетики, весьма огромен. Каждый день наша планета облучается около 120 тысячами ТВт света самой большой звезды. А это в 20 тысяч раз больше энергии, чем весь мир способен потреблять ежедневно.
• Стабильность. Энергетику солнца нельзя перерасходовать, она стабильна во все времена. И сейчас и для будущих поколений Солнце будет светить.
• Доступность. Энергию из солнечных лучей можно собирать и использовать каждый летний (и даже зимний) день, по всей поверхности Земли.
• Безопасность для окружающей среды. Экологическая чистота, принципиальный фактор в добывании энергии для человеческих нужд. Сравнивая затраты и воздействия на природу традиционных способов получения энергии, с получением энергии от Солнца, можно убедиться в небольшом воздействии на природу и атмосферу от производств, перевозки и установки солнечных батарей. Это бесспорно важнейшее мероприятие в направлении борьбы с глобальным потеплением.
• Отсутствие шумов. Из-за отсутствия движущихся узлов на самом ресурсе, выработка энергии происходит тихо.
• Выгода. Применение отдельного источника электроэнергии в частном доме, весьма экономично. Принципиально, что обслуживание панелей сводится к минимальным затратам, в году несколько раз следует очищать панели от загрязнений. Гарантия от производителя растягивается на 20 — 25 лет.

Недостатки

Негатива от солнечных батарей очень мало, однако иногда они могут показаться принципиальными. К примеру:

• Нестабильность. Солнечные батареи нестабильно работают в пасмурную погоду, или, когда выпадают осадки.
• Высокая стоимость. Стоимость батарей весьма высока, восстановление затрат растягивается надолго.
• Большая территория. Для установки солнечных батарей требуются большие участки.
• Затратность. Солнечные установки способны скапливать только постоянный ток, для переменного же потребуются еще установки.
• Непостоянство. Генерировать энергию возможно только в дневные часы, и соответственно для темного времени суток необходимо приобретать аккумуляторы.
• Риск. Есть мнение, что повсеместное применение солнечных панелей, теоретически способно изменить альбедо (свойство отражать солнечные лучи) нашей планеты, и способствовать изменению климата (но при нынешнем показателе потребления солнечной энергии, это весьма маловероятно).

1.3. Ветроэнергетика. Свойства ветра и его запасы.

Ветер - это направленное перемещение воздушных масс. Ветровую энергию можно рассматривать как одну из форм проявления солнечной энергии, потому что Солнце является тем первоисточником, который влияет на погодные явления на Земле. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем поверхности Земли. Поверхность воды и территории, закрытые облаками, нагреваются намного медленнее; соответственно, поверхность земли, доступная для солнечного излучения, нагревается быстрее. Воздух, находящийся над нагретой поверхностью, нагревается и поднимается вверх, создавая области пониженного давления. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления, тем самым создавая ветер.

Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Таким образом, ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. На скорость ветра оказывают также значительное влияние географические условия и характер земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы, а также деревья и здания.

Запас ветряной энергии практически неисчерпаем. Ее запасы на планете в сто с лишним раз больше, чем запасы гидроэнергии всех рек Земли. Общая мощность энергии ветра на земном шаре оценивается в 2,43 * 1015МВт.

Принцип работы ВЭУ

        Ветроэлектрическая установка (или ветроустановка) – комплекс устройств и оборудования, предназначенный для преобразования энергии ветрового потока в другой вид энергии.

Ветроустановка преобразует кинетическую энергию ветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического использования. Существует два основных вида установок: с вертикальной осью вращения или с горизонтальной осью вращения. (см. Рис.2)

Ветроустановки включают следующие основные подсистемы и узлы:

1. Ротор иди лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала;
2. Кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор, генератор и другие системы;
3. Башню, которая поддерживает ротор и кабину;
4. Электрическое и электронное оборудование.

В упрощенном виде принцип работы ветроустановки можно представить следующим образом. Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток.

Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора. Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Рисунок №2

Использование ветряной энергии в современном мире.

        Энергия, получаемая из ветра, с древнейших времен используется для определенных нужд и потребностей. Рассмотрим немного ее использование в современности.

        Ветерявляется прекрасным источником энергии для объектов телекоммуникаций, так как расположение и высота площадок, которые подходят для установки антенн, подходят и для ветряных установок. Но ветряки, используемые в подобных местах, должны быть особо прочными, так как в горах слишком суровые климатические условия.

Механическая энергия ветра всегда широко применялась человечеством для подъема воды в сельских или удалённых местностях. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских неэлектрифицированных районах. Они используются фермерами в первую очередь для обеспечения питьевой водой, а также водой, необходимой для хозяйственных нужд.

Особый интерес в настоящее время представляет использование данного вида энергии для обеспечения электрической и тепловой энергией частных домов и коттеджей, то есть, ветряные электростанции для индивидуального пользования. Например, энергия ветра успешно используется для зарядки аккумуляторов и использования их для освещения и обеспечения работы бытовой техники. Малые ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию, которую можно хранить в аккумуляторах, а затем использовать ее тогда, когда это удобно домовладельцу. Но при использовании для получения энергии в индивидуальном хозяйстве, ветрогенераторы обычно сочетаются с другими видами генераторов: солнечными, геотермальными, водными.

Преимущества и недостатки.

Ветер, как неисчерпаемый и дешёвый источник энергии, имеет весомые плюсы.

Преимущества

• Полное отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.
• Ветровая энергия изобильна, чиста, безопасна и надежда в качестве ресурса для производства электроэнергии. Ее использование позволяет экономить на топливе, на процессе добычи и транспортировки.
• Цена производства электричества на ветровых станциях постоянно снижается (в отличие от производства энергии с использованием других энергоносителей). На самом деле, ветроэнергетика самый дешевый из возобновляемых источников энергии.
• Ветроэнергетика производит электроэнергию гораздо ближе к потребителю, что снижает ее потери и стоимость строительства линий электропередач.

Недостатки

• Распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания.
• Ветер дует почти всегда неравномерно, поэтому и генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность. Ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо не работает.
• Возможные изменения в ландшафте.
• Энергия ветра не сможет сама по себе удовлетворить потребности в электричестве города, региона или государства целиком. Лучше использовать в качестве вспомогательного источника, в комбинации с природным топливом, гидроресурсами и атомными реакторами.

Глава 2. Практическая часть. Действующая модель ветрогенератора как альтернативный источник энергии

Назначения устройства, принцип его работы

        Принцип работы ветрогенератора основан на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Роль ветра выполняет струя воздуха фена. Именно она вращает лопасти, что приводит во вращение ротор генератора. В результате этого вырабатывается электрический ток. Светодиод загорается.

Описание процесса проектирования и создания (трудности и решения)

        Используемые материалы и оборудование: небольшой вентилятор, двигатель; провода, электрический провод, светодиод, картон. клей; изолента; пила; отвертка; электрический паяльник.

Этапы изготовления ветрогенератора:

1. извлекаем из вентилятора головку с лопастями;
2. закрепляем на вал щеточного моторчика головку с лопастями;
3. электрическим паяльником припаиваем один конец электрического провода к проводу моторчика, а другой конец – к светодиоду;
4. закрепляем ветрогенератор на подставку при помощи клея.

        Проверяем работоспособность ветрогенератора при помощи бытового фена. Направив струю воздуха от фена на лопасти, головка с лопастями начинает крутиться, приводя в движение вал моторчика, и светодиод загорается.

Описания испытания/функционал прибора

Действующая модель ветрогенератора демонстрирует работу преобразователя возобновляемого источника энергии – ветра в электрическую, дает возможность понять, как работают законы физики.

        Я исследовал эффективность представленной модели ветрогенератора. С помощью амперметра и вольтметра измерил напряжение и силу тока, которая вырабатывается генератором и потребляется светодиодом. Рассчитал мощность и коэффициент полезного действия. Расчеты представлены в проекте.

Выявленные недостатки

Наиболее важным недостатком представленной действующей модели ветрогенератора является то, что ветер на лопасти необходимо направлять под нужным углом (наклоном), только в этом случае происходит вращение вертушки и преобразование энергии ветра в электрическую.

Заключение

Ветроэнергетика играет важную роль в сохранении экологического баланса на планете. Эта отрасль производит энергию из обновляемого источника, что позволяет сократить использование традиционных, нефтяных и газовых, источников энергии, которые являются основными источниками выбросов парниковых газов.

Помимо этого, ветряные турбины не загрязняют окружающую среду и не производят вредных выбросов, таких как сера и азотные оксиды, которые являются причиной смога и других форм загрязнения воздуха. Кроме того, использование ветряной энергии помогает снизить потребление воды, поскольку для ее производства не требуется водных ресурсов.

Таким образом, ветроэнергетика является важным инструментом в борьбе с изменением климата и сохранении экологического баланса на планете.

При выполнении проекта я рассмотрел:

1. Преимущества ветроэнергетики: а) независимость от ископаемых ресурсов; б) используется абсолютно бесплатный источник энергии; в) экологическая чистота; г) можно устанавливать в местах, где есть мощные потоки ветра и куда невозможно доставить электроэнергию.
2. Изучил принцип работы ветрогенератора и создал его действующую модель.
3. Исследовал эффективность действующей модели, определив его мощность и кпд.

        Я считаю, что представленная модель позволяет понять, как работает любой ветрогенератор, как он устроен и для каких целей служит. Своим выступлениями я призываю беречь природу, использовать альтернативные и экологически чистые виды энергии.

Список литературы и интернет-источников

Использованная литература.

Ю. Сибикин. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. –М.: КНОРУС, 2010. – 232 с.

Свен Уделл. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. –М.: Знание, 1980.

Р.В. Городов.Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 294 с.Плачкова С.Г, Плачков И.В.

Интернет-ресурсы

https://solarelectro.ru

https://tcip.ru/blog/wind/printsip-dejstviya-i-raboty-vetrogeneratora.html

https://salteco.in.ua/technology/vetroenergetika#istoriya

https://alternativenergy.ru/energiya/320-geotermalnaya-energiya.html

https://realproducts.ru/kak-ispolzuyut-solnechnuyu-energiyu/

https://youtu.be/5H5IkNKUk1M