Проект на тему "Альтернативные источники энергии"

«Альтернативные источники энергии»

Выполнил работу:

Фидченко Никита Александрович, ученик 11 класса МБОУ «Ушаковская

СОШ»

с. Ушаково

■    В настоящие время человек получает энергию в основном из ископаемых источников энергии, но в будущем это может стать невозможно, так как запасы газа, нефти и прочих ископаемых, ограничены.

Существует ещё один вид генераторов энергии, это генераторы с приводом в виде двигателя внутреннего сгорания ((ДВС)дизельные, бензиновые), в связи со своей относительно невысокой ценой данные модели генераторов наиболее распространены в таких отдалённых населённых пунктах, как село Ушаково, в котором я проживаю

                   ■     Гипотеза: Для создания привода электрогенератора можно использовать гравитацию.

■    Цель: Создание привода, на основе гравитационных сил, для экологически чистого источника тока с высоким КПД.

Для создания переменного тока я решил использовать индукционный электрогенератор.

■    Сопоставив результаты проведённых исследований с техническим заданием проекта, я решил, выбрать редуктор цилиндрического типа с передаточным числом, равным «5». Для увеличения частоты вращения вала привода с 1 оборота в минуту до 3000 мне потребуется цепь, состоящая из 5 цилиндрических редукторов.

Вывод

Опираясь на теоретические данные и расчёты получение мной в ходе проведённых исследований можно с высокой долей вероятности утверждать, что для создания привода

электрогенератора можно использовать гравитационные силы, что подтверждает выдвинутую мною гипотезу. Конечно

создание прототипа и проведение практических испытаний

внесут в спроектированное мною, устройство конструктивные изменения, но не повлияют на концепцию этого устройства.

Поэтому считаю, что основная цель моего проекта достигнута.

«Альтернативные источники энергии»

Выполнил работу:

Фидченко Никита Александрович, fidcenkonikita@gmail,com

с. Ушаково

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Ушаковская средняя общеобразовательная школа» Шимановского района Амурской области

«Альтернативные источники энергии»

Выполнил работу:

Фидченко Никита Александрович,

ученик 11 класса

Руководитель:

Шестаков Станислав Александрович учитель информатики и физики

Работа допущена к защите «10» ноября 2022 г.

         Подпись руководителя 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 

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 источников энергии. Несомненно, в 21 веке, уже существуют некоторые технические решения данной проблемы, но все они имеют кроме плюсов и явные минусы. Рассмотрим самые популярные из них.

Например, солнечная батарея будет работать только при определённых условиях. Если вдруг наступит пасмурная погода или осадки в виде снега, возникнут проблемы с использованием этих панелей, да и цена таких устройств не позволяет использовать их рядовым пользователям. Или ветрогенераторы, то есть ВЭУ, 8 января 2021 года, по причине обледенения ВЭУ, людей отделял «волосок» от массового отключения электроэнергии по всей Европе. Опасность «блэкаута», который почти погрузил Европу в темноту, еще раз подчеркнула тот факт, что некоторые западноевропейские страны проводят ошибочную энергетическую политику, устанавливая в систему возобновляемые источники энергии в форсированных темпах и непродуманно закрывая все или часть своих базовых электростанций.

Существует ещё один вид генераторов энергии, это генераторы с приводом в виде двигателя внутреннего сгорания ((ДВС)дизельные, бензиновые), в связи со своей относительно невысокой ценой данные модели генераторов наиболее распространены в таких отдалённых населённых пунктах, как село Ушаково, в котором я проживаю. По причине большой отдалённости от крупных электрических подстанций, сервисное обслуживание электрических сетей, в таких населённых пунктах, становиться очень дорогостоящим, а небольшое население (до ста домов- абонентов) не позволяет окупать проводимые работы. По этим причинам в этих районах происходит частое отключение электроэнергии и обладание электрогенератором становиться жизненно необходимым фактором. Но в тоже время привод ДВС является большой проблемой для устройств данного типа. Отвод выхлопных газов и приобретение топлива, при использовании двигателей данного типа порой становиться непреодолимой проблемой, не говоря уже об уровне шума, издаваемого такими устройствами.

Гипотеза: Для создания привода электрогенератора можно использовать гравитацию.

Цель: Создание привода, на основе гравитационных сил, для экологически чистого источника тока с высоким КПД. 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

Практическая часть

1. Выбор концепции привода

В ходе работы, я рассмотрел устройство маятниковых часов. Маятник, в таких часах, приводится в движение рычагом, висящим позади него, прикрепленным к анкерной детали «h» спускового механизма, называемой "костылем" «e», заканчивающейся "вилкой" «f», которая охватывает стержень маятника (приложение 1). При каждом качании маятника освобождается спусковое колесо, и зуб колеса прижимается к одному из поддонов, оказывая короткое давление через костыль и вилку на стержне маятника, чтобы он продолжал качаться. В тоже время спусковое колесо совершает круговое движение. Вал, на котором крепиться спусковое колесо, послужит ведущим валом для повышающего редуктора, через который можно передать вращение на ротор генератора электрического тока.

Есть и минусы, движение маятника по определению затухающие колебания, для решения этой проблемы я решил установить на маятник природные магниты, таким образом, чтобы, когда он приближался к своей крайней точке он отталкивался однополюсным магнитом, создавая импульс для вынужденных колебаний (Приложение 2).

Для создания переменного тока я решил использовать индукционный электрогенератор. Генераторы такого типа можно свободно приобрести по довольно невысокой цене и с широким выбором моделей. Чтобы генератор выдавал напряжение 220 вольт, вал прикреплённый к ротору должен вращать с частотой от 3000 до 3600 оборотов в минуту (приложение 3). Вал привода вращается с примерной частотой 1 оборот в минуту, для увеличения частоты я решил использовать редуктор. (приложение 4).

2. Проектирование конструкции привода генератора При выборе конкретной модели мотор-редуктора учитываются 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 этих характеристик. (Приложение 5)

➢ ТИП РЕДУКТОРА

(Приложение 5, таблица 1)

Редуктора червячного типа

Червячный одноступенчатый со скрещенным расположением входного/выходного вала (угол 90 градусов).

Червячный двухступенчатый с перпендикулярным или параллельным расположением осей входного/выходного вала. Соответственно, оси могут располагаться в разных горизонтальных и вертикальных плоскостях.

Редуктора цилиндрического типа

Цилиндрический горизонтальный с параллельным расположением входного/выходного валов.

Оси находятся в одной горизонтальной плоскости.

Цилиндрический соосный под любым углом. Оси валов располагаются в одной плоскости. Редуктора конического типа

В коническо-цилиндрическом редукторе оси входного/выходного валов пересекаются под углом

90 градусов.

Важно отметить что, расположение выходного вала в пространстве имеет определяющее значение для ряда промышленных применений.

•       Конструкция червячных редукторов позволяет использовать их при любом положении выходного вала.

•       Применение цилиндрических и конических моделей чаще возможно в горизонтальной плоскости.

При одинаковых с червячными редукторами массогабаритных характеристиках эксплуатация цилиндрических агрегатов экономически целесообразней за счет увеличения передаваемой нагрузки в 1,5-2 раза и высокого КПД.

Передаточное число

(Приложение 5, таблица 2)

Передаточное число редуктора рассчитывается по формуле: I = N1/N2 где

N1 – скорость вращения вала (количество об/мин) на входе; N2 – скорость вращения вала (количество об/мин) на выходе.

Полученное при расчетах значение округляется до значения, указанного в технических характеристиках конкретного типа редукторов.

Необходимо учитывать что, скорость вращения вала электродвигателя и, соответственно, входного вала редуктора не может превышать 1500 об/мин. Правило действует для любых типов редукторов, кроме цилиндрических соосных со скоростью вращения до 3000 об/мин. Этот технический параметр производители указывают в сводных характеристиках электрических двигателей.

Крутящий момент редуктора

Расчетный крутящий момент [Mc2] – значение, необходимое для выбора редуктора. Расчетное значение вычисляется по следующей формуле: 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 экспериментальным методом. В расчет принимаются тип нагрузки, суточная продолжительность работы, количество пусков/остановок за час эксплуатации мотор-редуктора. Определить эксплуатационный коэффициент можно, используя данные таблицы 3.

Мощность привода

Правильно рассчитанная мощность привода помогает преодолевать механическое сопротивление трения, возникающее при прямолинейных и вращательных движениях. Элементарная формула расчета мощности [Р] – вычисление соотношения силы к скорости. При вращательных движениях мощность вычисляется как соотношение крутящего момента к числу оборотов в минуту: P = (MxN)/9550

где

M   – крутящий момент;

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 быть выше 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 червячного редуктора. Он будет равен отношению механической выходной мощности и входной мощности:

ñ [%] = (P2/P1) x 100 где

P2 – выходная мощность; P1 – входная мощность.

ВАЖНО!

В червячных редукторах P2 < P1 всегда, так как в результате трения между червячным колесом и червяком, в уплотнениях и подшипниках часть передаваемой мощности расходуется.

Чем выше передаточное отношение, тем ниже КПД.

На КПД влияет продолжительность эксплуатации и качество смазочных материалов, используемых для профилактического обслуживания мотор-редуктора.

Показатели надежности

(Приложение 5, таблица 7)

Показатели надежности мотор-редукторов приведены в таблице 7. Все значения приведены для длительного режима эксплуатации при постоянной номинальной нагрузке. Мотор-редуктор должен обеспечить 90% указанного в таблице ресурса и в режиме кратковременных перегрузок. Они возникают при пуске оборудования и превышении номинального момента в два раза, как минимум.

Сопоставив результаты проведённых исследований с техническим заданием проекта, я решил, выбрать редуктор цилиндрического типа с передаточным числом, равным «5». Для увеличения частоты вращения вала привода с 1 оборота в минуту до 3000 мне потребуется цепь, состоящая из 5 цилиндрических редукторов.

Осталось определиться из каких материалов будут выполнены редукторы. Изготовление деталей из метала имеет свои минусы. Из-за высокой плотности металла и возникающей в следствие этого силы трения метал будет быстро и сильно нагреваться, что будет приводить к быстрому износу деталей и увеличению пожарной опасности устройства. Для решения этой проблемы, необходимо использовать смазочные материалы, что приведёт к уменьшению экологической безопасности устройства, усложнению конструкции и, как следствие, удорожанию производства и сервисного обслуживания. В тоже время, из-за большого веса деталей, возникнет потеря мощности, что приведёт к снижению КПД устройства. Детали, изготовленные из пластика PLA, легко подаются обработке, также из-за низкой

теплопроводности, детали, при высокой частоте вращения, будут нагреваться гораздо меньше чем металлические. Пластик имеет меньшую прочность чем метал, но более дешёвую цену и соответственно легкодоступность. Поэтому было принято решение изготовить детали из пластика PLA.

3. Изготовление прототипа

В данный момент я нахожусь на этапе создание частей привода индукционного электрогенератора и сборки прототипа.

4. План проведения испытаний:

А) Запуск привода электрогенератора, визуальный осмотр его работоспособности(при необходимости внесение изменений в конструкцию)

Б) Замер выходных характеристик электрического тока и сравнение с заданными параметрами (50 герц, 220 вольт, 16-25 ампер)

В) Замер уровня шума и сравнение с заданными параметрами (не выше 44 дБ) Г) Расчёт эксплуатационного коэффициента (Приложение 5, таблица 3)

Вывод

Опираясь на теоретические данные и расчёты получение мной в ходе проведённых исследований можно с высокой долей вероятности утверждать, что для создания привода электрогенератора можно использовать гравитационные силы, что подтверждает выдвинутую мною гипотезу. Конечно создание прототипа и проведение практических испытаний внесут в спроектированное мною, устройство конструктивные изменения, но не повлияют на концепцию этого устройства. Поэтому считаю, что основная цель моего проекта достигнута.

Литература

ru.wikipedia.org  tehprivod.su

Учебник Физика. 9кл. для общеобразовательных учреждений / А.В.перышкин, Е.М. Гутник/ Дрофа, 2010.

Приложения.

Приложение 1

 

Приложение 2

 

Приложение 3

 

Приложение 4