«Альтернативныеисточники энергии»
Выполнилработу:
ФидченкоНикита Александрович, ученик 11 класса МБОУ «Ушаковская
СОШ»
с.Ушаково
■ В настоящие время человек получает энергию в основном изископаемых источников энергии, но в будущем это может стать невозможно, так какзапасы газа, нефти и прочих ископаемых, ограничены.
Существуетещё один вид генераторов энергии, это генераторы с приводом в виде двигателявнутреннего сгорания ((ДВС)дизельные, бензиновые), в связи со своейотносительно невысокой ценой данные модели генераторов наиболее распространеныв таких отдалённых населённых пунктах, как село Ушаково, в котором я проживаю
■ Гипотеза: Для создания привода электрогенератора можноиспользовать гравитацию.
■ Цель: Создание привода, на основе гравитационных сил, дляэкологически чистого источника тока с высоким КПД.
Муниципальное бюджетноеобщеобразовательное учреждение
«Ушаковская средняяобщеобразовательная школа» Шимановского района Амурской области
«Альтернативные источники энергии»
Выполнил работу:
Фидченко Никита Александрович,
ученик11 класса
Руководитель:
Шестаков Станислав Александрович учительинформатики и физики
Работа допущена к защите «10» ноября 2022 г.
Подписьруководителя проекта / /
с.Ушаково
ПАСПОРТ ПРОЕКТА
|
1. |
Название проекта |
Альтернативные источники питания |
|
2. |
Руководитель проекта |
Шестаков Станислав Александрович |
|
3. |
Автор проекта |
Фидченко Никита Александрович |
|
4. |
Учебная дисциплина |
Физика |
|
5. |
Направленность проекта |
Техническая |
|
6. |
Проблемный вопрос |
Поиск альтернативных источников энергии |
|
7. |
Цель проекта |
Создание привода, на основе гравитационных сил, для экологически чистого источника тока с высоким КПД. |
|
8. |
План работы |
1. Разработать концепцию создания привода 2. Спроектировать конструкцию привода генератора 3. Изготовить прототип с помощью 3D принтера 4. Провести испытания 5. Провести анализ результатов испытания и сделать вывод |
|
9. |
Краткое содержание проекта |
В настоящие время человек получает энергию в основном из ископаемых источников, но в будущем это может стать невозможно, так как запасы газа, нефти и прочих ископаемых, ограничены. Поэтому нам, уже сейчас, стоит задуматься об использование альтернативных источниках энергии. |
|
10. |
Результат проекта |
Разработан экологически чистый источник энергии, с высоким КПД |
|
|
|
|
|
11. |
Сроки проведения |
|
|
12. |
Необходимое оборудование |
Персональный компьютер, 3D принтер и доступ к сети Интернет |
|
13. |
Образовательная организация |
МБОУ «Ушаковская СОШ» |
Оглавление Введение………………………………………………………………………………………………………………. 5
Практическая часть……………………………………………………………………………………………………………….. 6
Вывод……………………………………………………………………………………………………………………………………… 9
Литература……………………………………………………………………………………………………………………………. 10
Приложение………………………………………………………………………………………………………………………….. 11
Введение
Внастоящие время человек получает энергию в основном из ископаемых источников,но в будущем это может стать невозможно, так как запасы газа, нефти и прочихископаемых, ограничены. Поэтому нам, уже сейчас, стоит задуматься обиспользование альтернативных источников энергии. Несомненно, в 21 веке, ужесуществуют некоторые технические решения данной проблемы, но все они имеюткроме плюсов и явные минусы. Рассмотрим самые популярные из них.
Например,солнечная батарея будет работать только при определённых условиях. Если вдругнаступит пасмурная погода или осадки в виде снега, возникнут проблемы сиспользованием этих панелей, да и цена таких устройств не позволяетиспользовать их рядовым пользователям. Или ветрогенераторы, то есть ВЭУ, 8января 2021 года, по причине обледенения ВЭУ, людей отделял «волосок» от массовогоотключения электроэнергии по всей Европе. Опасность «блэкаута», который почтипогрузил Европу в темноту, еще раз подчеркнула тот факт, что некоторыезападноевропейские страны проводят ошибочную энергетическую политику,устанавливая в систему возобновляемые источники энергии в форсированных темпахи непродуманно закрывая все или часть своих базовых электростанций.
Существуетещё один вид генераторов энергии, это генераторы с приводом в виде двигателявнутреннего сгорания ((ДВС)дизельные, бензиновые), в связи со своейотносительно невысокой ценой данные модели генераторов наиболее распространеныв таких отдалённых населённых пунктах, как село Ушаково, в котором я проживаю.По причине большой отдалённости от крупных электрических подстанций, сервисноеобслуживание электрических сетей, в таких населённых пунктах, становиться оченьдорогостоящим, а небольшое население (до ста домов- абонентов) не позволяетокупать проводимые работы. По этим причинам в этих районах происходит частоеотключение электроэнергии и обладание электрогенератором становиться жизненнонеобходимым фактором. Но в тоже время привод ДВС является большой проблемой дляустройств данного типа. Отвод выхлопных газов и приобретение топлива, прииспользовании двигателей данного типа порой становиться непреодолимойпроблемой, не говоря уже об уровне шума, издаваемого такими устройствами.
Гипотеза: Для создания приводаэлектрогенератора можно использовать гравитацию.
Цель: Создание привода, на основегравитационных сил, для экологически чистого источника тока с высоким КПД. Планработы:
1) Разработатьконцепцию создания привода
2) Спроектироватьконструкцию привода генератора
3) Изготовитьпрототип с помощью 3D принтера
4) Провестииспытания
5) Провестианализ результатов испытания и сделать вывод
Практическая часть
1. Выбор концепциипривода
В ходе работы, я рассмотрел устройство маятниковыхчасов. Маятник, в таких часах, приводится в движение рычагом, висящим позадинего, прикрепленным к анкерной детали «h» спускового механизма, называемойкостылем «e», заканчивающейся вилкой «f», котораяохватывает стержень маятника (приложение 1). При каждом качании маятникаосвобождается спусковое колесо, и зуб колеса прижимается к одному из поддонов,оказывая короткое давление через костыль и вилку на стержне маятника, чтобы онпродолжал качаться. В тоже время спусковое колесо совершает круговое движение.Вал, на котором крепиться спусковое колесо, послужит ведущим валом дляповышающего редуктора, через который можно передать вращение на роторгенератора электрического тока.
Есть и минусы, движение маятника по определениюзатухающие колебания, для решения этой проблемы я решил установить на маятникприродные магниты, таким образом, чтобы, когда он приближался к своей крайнейточке он отталкивался однополюсным магнитом, создавая импульс для вынужденныхколебаний (Приложение 2).
Для создания переменного тока я решил использоватьиндукционный электрогенератор. Генераторы такого типа можно свободно приобрестипо довольно невысокой цене и с широким выбором моделей. Чтобы генератор выдавалнапряжение 220 вольт, вал прикреплённый к ротору должен вращать с частотой от3000 до 3600 оборотов в минуту (приложение 3). Вал привода вращается спримерной частотой 1 оборот в минуту, для увеличения частоты я решилиспользовать редуктор. (приложение 4).
2. Проектирование конструкциипривода генератора При выборе конкретной модели мотор-редуктораучитываются следующие технические характеристики:
• тип редуктора;
• мощность;
• обороты на выходе;
• передаточное число редуктора;
• конструкция входного и выходного валов;
• тип монтажа;
• дополнительные функции.
Давайте рассмотрим подробнее каждую из этиххарактеристик. (Приложение 5)
➢ ТИП РЕДУКТОРА
(Приложение 5, таблица 1)
Редуктора червячного типа
Червячный одноступенчатый со скрещеннымрасположением входного/выходного вала (угол 90 градусов).
Червячный двухступенчатый с перпендикулярным илипараллельным расположением осей входного/выходного вала. Соответственно, осимогут располагаться в разных горизонтальных и вертикальных плоскостях.
Редуктора цилиндрического типа
Цилиндрический горизонтальный с параллельнымрасположением входного/выходного валов.
Оси находятся в одной горизонтальной плоскости.
Цилиндрический соосный под любым углом. Осивалов располагаются в одной плоскости. Редуктора конического типа
В коническо-цилиндрическом редукторе осивходного/выходного валов пересекаются под углом
90 градусов.
Важно отметить что, расположение выходного вала впространстве имеет определяющее значение для ряда промышленных применений.
• Конструкция червячных редукторов позволяет использовать их прилюбом положении выходного вала.
• Применение цилиндрических и конических моделей чаще возможно вгоризонтальной плоскости.
При одинаковых с червячными редукторами массогабаритныххарактеристиках эксплуатация цилиндрических агрегатов экономическицелесообразней за счет увеличения передаваемой нагрузки в 1,5-2 раза и высокогоКПД.
Передаточное число
(Приложение 5, таблица 2)
Передаточное число редуктора рассчитывается поформуле: I = N1/N2 где
N1 – скорость вращения вала (количество об/мин) навходе; N2 – скорость вращения вала (количество об/мин) на выходе.
Полученное при расчетах значение округляется дозначения, указанного в технических характеристиках конкретного типа редукторов.
Необходимо учитывать что, скорость вращения валаэлектродвигателя и, соответственно, входного вала редуктора не может превышать1500 об/мин. Правило действует для любых типов редукторов, кроме цилиндрическихсоосных со скоростью вращения до 3000 об/мин. Этот технический параметрпроизводители указывают в сводных характеристиках электрических двигателей.
Крутящий момент редуктора
Расчетный крутящий момент [Mc2] – значение,необходимое для выбора редуктора. Расчетное значение вычисляется по следующейформуле: Mc2 = Mr2 x Sf ≤ Mn2
где
Mr2 – необходимый крутящий момент;
Sf – сервис-фактор (эксплуатационный коэффициент);Mn2 – номинальный крутящий момент.
Эксплуатационный коэффициент(сервис-фактор)
(Приложение 5, таблица 3)
Сервис-фактор (Sf) рассчитывается экспериментальнымметодом. В расчет принимаются тип нагрузки, суточная продолжительность работы,количество пусков/остановок за час эксплуатации мотор-редуктора. Определитьэксплуатационный коэффициент можно, используя данные таблицы 3.
Мощность привода
Правильно рассчитанная мощность привода помогаетпреодолевать механическое сопротивление трения, возникающее при прямолинейных ивращательных движениях. Элементарная формула расчета мощности [Р] – вычислениесоотношения силы к скорости. При вращательных движениях мощность вычисляетсякак соотношение крутящего момента к числу оборотов в минуту: P = (MxN)/9550
где
M – крутящиймомент;
N –количество оборотов/мин.
Выходная мощность [P2] вычисляется по формуле: P2= P x Sf где
P – мощность;
Sf – сервис-фактор (эксплуатационный коэффициент).
Важно помнить что, значение входной мощности всегда должно бытьвыше значения выходной мощности, что оправдано потерями при зацеплении: P1> P2
Коэффициент полезного действия(КПД)
(Приложение 5, таблица 4,5,6)
Расчет КПД рассмотрим на примере червячногоредуктора. Он будет равен отношению механической выходной мощности и входноймощности:
ñ [%] = (P2/P1) x 100 где
P2 – выходная мощность; P1 – входная мощность.
ВАЖНО!
В червячных редукторах P2 < P1 всегда, так как врезультате трения между червячным колесом и червяком, в уплотнениях и подшипникахчасть передаваемой мощности расходуется.
Чем выше передаточное отношение, тем ниже КПД.
На КПД влияет продолжительность эксплуатации икачество смазочных материалов, используемых для профилактического обслуживаниямотор-редуктора.
Показатели надежности
(Приложение 5, таблица 7)
Показатели надежности мотор-редукторов приведены втаблице 7. Все значения приведены для длительного режима эксплуатации припостоянной номинальной нагрузке. Мотор-редуктор должен обеспечить 90%указанного в таблице ресурса и в режиме кратковременных перегрузок. Онивозникают при пуске оборудования и превышении номинального момента в два раза,как минимум.
Сопоставив результаты проведённых исследований стехническим заданием проекта, я решил, выбрать редуктор цилиндрического типа спередаточным числом, равным «5». Для увеличения частоты вращения вала привода с1 оборота в минуту до 3000 мне потребуется цепь, состоящая из 5 цилиндрическихредукторов.
Осталось определиться из каких материалов будут выполненыредукторы. Изготовление деталей из метала имеет свои минусы. Из-за высокойплотности металла и возникающей в следствие этого силы трения метал будетбыстро и сильно нагреваться, что будет приводить к быстрому износу деталей иувеличению пожарной опасности устройства. Для решения этой проблемы, необходимоиспользовать смазочные материалы, что приведёт к уменьшению экологическойбезопасности устройства, усложнению конструкции и, как следствие, удорожаниюпроизводства и сервисного обслуживания. В тоже время, из-за большого весадеталей, возникнет потеря мощности, что приведёт к снижению КПД устройства.Детали, изготовленные из пластика PLA, легко подаются обработке, также из-занизкой
теплопроводности, детали, при высокой частотевращения, будут нагреваться гораздо меньше чем металлические. Пластик имеетменьшую прочность чем метал, но более дешёвую цену и соответственнолегкодоступность. Поэтому было принято решение изготовить детали из пластикаPLA.
3. Изготовлениепрототипа
В данный момент я нахожусь наэтапе создание частей привода индукционного электрогенератора и сборкипрототипа.
4. План проведения испытаний:
А) Запуск привода электрогенератора, визуальныйосмотр его работоспособности(при необходимости внесение изменений в конструкцию)
Б) Замер выходных характеристик электрического тока исравнение с заданными параметрами (50 герц, 220 вольт, 16-25 ампер)
В) Замер уровня шума и сравнение с заданнымипараметрами (не выше 44 дБ) Г) Расчёт эксплуатационного коэффициента(Приложение 5, таблица 3)
Вывод
Опираясь на теоретические данные и расчёты получениемной в ходе проведённых исследований можно с высокой долей вероятностиутверждать, что для создания привода электрогенератора можно использоватьгравитационные силы, что подтверждает выдвинутую мною гипотезу. Конечносоздание прототипа и проведение практических испытаний внесут вспроектированное мною, устройство конструктивные изменения, но не повлияют наконцепцию этого устройства. Поэтому считаю, что основная цель моего проектадостигнута.
Литература
Учебник Физика. 9кл. для общеобразовательныхучреждений / А.В.перышкин, Е.М. Гутник/ Дрофа, 2010.
Приложения.
Приложение 1
Приложение2
Приложение3
Приложение4
