Проектно-исследовательская работа "Ветрогенератор"

конкурс творческих работ в области электроники и радиотехники Ветрогенератор Автор: Горелкин Андрей Владимирович МБУДО «Детский оздоровительно­ Образовательный центр г.Ельца» (ДООЦ) Объединение: радио конструирование, МБОУ «Гимназия №11 г. Ельца», 6 «Б» класс Тел. 8­960­141­65­47 Научные руководители: Поваляев Борис Алексеевич педагог дополнительного образования (ДООЦ) Объединение: радио конструирование, Тел. 8­952­596­83­94 Австриевских Наталья Михайловна­ Учитель физики МБОУ «Гимназия №11г. Ельца» Тел. 8­910­352­48­66 г.Елец                                                                 План 1. Введение 2. Теоретическая часть 3. Модель прибора 4. Заключение 5. Литература Введение.            Одним из альтернативных экологически чистых способов получения электрической энергии занимается ветроэнергетика. Ветроэнергетика специализируется на преобразовании энергии ветра в электрическую энергию, а в качестве преобразующих устройств используются ветрогенераторы. Энергия ветра воздействует на лопасти ветрогенератора и приводит их в движение. Вращательное движение   лопастей   через   вал   и   механический   редуктор   приводит   в   движение   генератор переменного  или  постоянного тока  низкого напряжения.  Полученное  постоянное  напряжение  с генератора постоянного тока поступает на зарядное устройство, которое и заряжает аккумуляторы необходимой мощности. Напряжение, полученное с генератора переменного тока предварительно нужно  выпрямить,   например,   с   помощью   диодного   моста   (двух  полу   периодное   выпрямление). Работа содержит новизну по конструкции и применению тросового узла мачты. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА         Энергия   ветра   на   земле   неисчерпаема.   Возникновение   ветра   происходит   благодаря неравномерному распределению атмосферного давления. Из­за того, что атмосферное давление постоянно меняется, меняется и направление, и скорость ветра. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, потому, что стоимость ветра равна нулю ­ это, во­первых, а во­вторых для ее получения не требуются другие источники энергии кроме самого ветра. На сегодняшний день ветроэнергетика получила огромное распространение, особенно в странах с ограниченными природными ресурсами. Что привело их к развитию альтернативных источников   энергии.   Большое   количество   примеров   использования   данной   отрасли   энергетики можно наблюдать в Европе. Отрасль, занимающаяся преобразованием энергии ветра (кинетической энергии) в электрический ток, называется ветроэнергетика. Наиболее популярным на сегодняшний день является применение ветрогенераторов. Они широко применяются как в крупных масштабах, это огромные электростанции, так и в малых, для частного пользования. Россия в данном сегменте рынка альтернативных источников занимает пока одно из последних мест среди равных себе стран при этом имея все неисчерпаемые возможности для развития данного рынка.     В России валовой потенциал ветровой энергии ­ 80 трлн. кВт/ч в год, а на Северном Кавказе ­ 200 млрд. кВт/ч (62млн. т условного топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин  технического потенциала органического топлива. Большинство регионов нашей  страны совсем не имеют линии электропередач в силу крайней удаленности. Ветроэнергетика в России имеет большие перспективы, но на сегодняшний день только начинает свое развитие. С 1990 г. производство солнечных элементов (СЭ) увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2010 г. 82 млрд долл. В свою очередь, непрерывно растут инвестиции в солнечные технологии — с 40 млрд евро в 2010 г. до (как ожидается) более чем 70 млрд евро в 2015 г.  Устройство ветрогенератора. Преимущества: 1. Генератор установлен не вверху в узле конического редуктора со стабилизатором, что резко увеличивает силовую нагрузку на узел мачты, а внизу в основании ветрогенератора. 2. Возможность применения генератора большего веса и размера. 3. Упрощенное обслуживание генератора. 4. Дополнительная   возможность   использования   механической   энергии   ветрогенератора   по типу ветряной мельницы. Цель работы:  Разработать и изготовить ветрогенератор  с применением современных технологий. Задачи:   1. Для   передачи   горизонтального   вращательного   кругового   и     вертикального   движения лопастей применить конический зубчатый редуктор.   С вала конического редуктора сделать     передачу вращательного движения с помощью стального   троса,   заключенного   внутри   мачты,   которую   закрепить   к   основанию ветрогенератора.  Применить генератор переменного тока, который должен устанавливаться не вверху рядом 2. 3. с механическим редуктором, (что утяжеляет конструкцию на мачте), а внизу – в основании ветрогенератора. 4. Для передачи вращательного движения с троса на вал генератора разработать и изготовить одно пальцевую поводковую муфту. 5. Разработать   и изготовить пластину стабилизатора (флюгарку) для свободного поворота лопастей без ограничений по кругу ветрогенератора к ветру. 6. Разработать схему и конструкцию отдельного блок­контроллера. Гипотеза: Может ли работать ветрогенератор в нашем регионе?          Методы: •   Эксперимент и наблюдение • Сборка устройства по схеме, а также теоретический анализ научной литературы по данной  проблеме. Детали, узлы, конструкция. Лопасти­3шт.; длина 1шт. L=470мм, ширина в= 75мм с одной стороны, с другой 50мм, толщина: s=2.5мм. Материал – гетинакс s=2,5мм. Бобышка – 1шт.­ цилиндр со сквозным центровым отверстием и резьбой М10, большими глухими тремя отверстиями  О29, расположенными по окружности через 120 . Материал: дерево – липа. В отверстия   запрессовываются   три   пробки   от   пластиковых   бутылок,   предварительно   смазанные суперклеем. Готовая бобышка тщательно пропитывается масляным лаком. Держатели лопастей  – 3шт.­ отрезанные горлышки от пластиковых бутылок длиной   L=33мм, в которых   проделываются   вертикальные   прорези   для   крепления   лопастей   с   помощью   шести полукруглых скоб, изготовленных из  листовой жести. Скобы одинаковые с двумя отверстиями О3,2 в каждой. Узел   лопастей   –   сборка.   В   продольные   прорези   горлышек   вставляем   лопасти,   надеваем   на горлышки по две скобы на каждую. По отверстиям скоб отмечаем центры отверстий в лопастях. В лопастях сверлим по два отверстия О3,2 в каждой при полном совмещении: скоба 1 – лопасть­ скоба2. Крепление делаем винтами М3х8, гайками М3, с гравёрными шайбами 3. Вкручиваем держатели с лопастями в пробки бобышки. В правильно изготовленной конструкции держатели с лопастями вкручиваются туго и хорошо фиксируются при работе и регулировке углов наклона лопастей относительно горизонтальной оси. Узел лопастей готов.  (Фото1). Узел конического редуктора со стабилизатором (флюгаркой). Узел изготовлен из ручной дрели с последующей доработкой. Сняты: сверлильный патрон, ручка, упор, дополнительная шестерня с валом на большие обороты. Оставлены: алюминиевый корпус, боковые   стенки   (для   гермитизации),   конический   редуктор   из   двух   шестерней.   Вместо   патрона ввинчена дюралюминиевая ось с резьбой для последующего крепления к узлу лопастей. Вместо упора   закреплена   скобами,   винтами,   гайками   с   гроверными   шайбами,   пластина   стабилизатора (флюгарка). Пластина изготовляется из листового пластика, толщиной s=2.5мм. (Фото 6). Узел мачты – самый сложный, самодельный, состоит  из металлической трубы трех подшипников, по   концам   с   посадочными   местами   под   подшипники,   металлического   троса   (от   спидометра мотоцикла),   двух   болтов   М8х55,   присверленных   по   центру   осей   насквозь   сверлом   О4,0   и доработанных под посадочные внутренние отверстия подшипников. Сборку узла мачты начинаем с запрессовки болтов в подшипники. В верхней части на одном болту запрессовываем два подшипника для верхней части мачты, для надежности, на другом – один. Затем   подшипники     с   болтами   запрессовываем   в   верхнее   и   нижнее   отверстия   трубы.   Трос пропускаем через сквозные отверстия, предварительно сделанные в болтах, натягиваем и запаиваем его с двух сторон к торцам болтов с помощью припоя, кислоты для паяния. (Фото 2). Основание  – прямоугольное (Фото 3), изготовлено из полированных досок. В верхней панели по центру просверливается отверстие под трубу (штангу). В панели также закрепляется шурупами зажимное устройство для фиксации трубы (мачты).  Внутри               к мачте устанавливается генератор переменного тока, (шаговый двигатель от дисковода первого выпуска). Вал генератора соединяется с нижним болтом штанги с тросом самодельной одно пальцевой поводковой муфтой (Фото 4). С боковой стенки основания выводится соединительный шнур от генератора на блок­ контроллер. Блок­контроллер  ветрогенератора, снятия постоянного вырабатываемого напряжения, для чего предусмотрены две   ­   отдельный   (схема,   рис.1),   предназначен   для   контроля   работы   клеммы Х2, Х3. Внутри блок­контроллера установлена печатная плата. В ней запаяны: диодный мост  VD4 для выпрямления переменного напряжения в постоянное, предохранитель  FU1­0.5A, резистор для ограничения зарядного тока аккумулятора R2. Контрольные цепы выхода напряжения с генератора (светодиоды сверх яркого свечения VD1, VD2, диод VD3), дополнительные резисторы R1, R3, тумблер SA1­ отключения аккумулятора от зарядной цепи установлены на верхней панели корпуса. Корпус блок­контроллера прямоугольный, изготовлен из листового полистирола путём склеивания. (Фото 5). Рис.1. Схема электрическая принципиальная. А1 – ветрогенератор А2­ блок­контроллер Х1 – разъём РШ­3. Конструкция ветрогенератора разборная и состоит из: 1. Узла лопастей 2. Узла конического редуктора со стабилизатором (флюгаркой) 3. Узла мачты 4. Основания 5. Блок­контроллера. Это   удобно   при   перевозке   ветрогенератора.   При   необходимости   можно   снять   и   узел   мачты   с основания. Сборка ветрогенератора проводится в следующем порядке. 1. Привернуть   с   помощью   гаечных   ключей   13­14   узел   конического   редуктора   со стабилизатором к узлу мачты, зафиксировать контргайкой. 2. Узел   лопастей   навернуть   на   входной   вал   с   резьбой   узла   конического   редуктора   со стабилизатором до упора. Закрепить бабёшку с помощью гайки обыкновенной и гравёрной шайбы. 3. Подсоединить шнур с разъёмом к блок­контроллеру. Осталось установить ветрогенератор на открытом ветряном месте, отрегулировать оптимальные углы наклона лопастей к ветру и он готов к работе. Ветрогенератор прошел испытание и показал хорошие результаты. Выводы: Эффективность   использования   ветрогенераторов­альтернативных   источников   энергии напрямую зависит от региона, в котором необходима установка. Качественный мониторинг энерго­ потенциала   позволяет   определять   наиболее   подходящую   технологию   и   рассчитывать   ее окупаемость   на   годы   вперед,   а   также   исключает   ошибки,   связанные   с   региональными особенностями. Конечно, первоначальную цену энергонезависимого дома, с экологически чистыми, возобновляемыми источниками энергоснабжения, сегодня нельзя назвать низкой, но по истечении двух   ­   пяти   лет   эксплуатации   альтернативные   источники   энергии   полностью   окупают   свою стоимость и приносят ощутимую финансовую выгоду в течении многих лет.  Не стоит забывать о экологичности альтернативных технологий добычи энергии. Солнечные, ветровые и гелиоустановки не  производят  вредных   выбросов   в  атмосферу,   не  загрязняют  воду   и  безопасны  для   человека. Новизна данной работы заключается в том, что для ветрогенераторов используется ветер, а также генератор   установлен   не   вверху   в   узле   конического   редуктора   со   стабилизатором,   что   резко увеличивает силовую нагрузку на узел мачты, а внизу в основании ветрогенератора. Наша работа содержит новизну по конструкции и применению тросового узла мачты.      В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, Интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что, используя в своих опытах устройство   ветрогенератора   можно   использовать   в   экстренных   случаях,   когда   нет   других источников энергии. Оригинальность нашей работы была в создании модели по схеме, в интеграции предметов (физики, электротехники, экологии). Создав модель и проводя эксперименты, мы более глубоко изучили техническое содержание темы, более детально изучили некоторые физические явления   (альтернативные   источники   энергии).   То   есть   была   доказана   взаимосвязь   теории   с практикой.   Знания   и   умения,   которые   мы   получили   в   ходе   работы   с   измерениями   оставили огромный   след   в   нашей   жизни   и   чувство   эстетического   наслаждения.   То   есть   была   доказана взаимосвязь теории с практикой.         Литература: 1. И.В.Левин «Справочник конструктора точных приборов» издание третье, Издательство  «Машиностроение», Москва. 2. В.О. Шпаковский, «Для тех, кто любит мастерить», Москва, Просвещение 3. Р.И. Гжиров, Краткий справочник конструктора, Санкт­ Петербург, «Машиностроение» 4. В.Г. Белкин, Справочник радио конструктора, Москва, «Радио и связь». Фото 1. Узел лопастей. Фото 2. Узел мачты. Фото 3. Основание. Фото 4. Поводковая муфта. Фото 5. Блок­контроллер. Фото 6. Узел конического редуктора со стабилизатором (флюгаркой). Фото 7. Фото общего вида. Фото 8. Фото автора с работой.