Статья содержит научные результаты участия автора в школьном этапе Всероссийского конкурса исследовательских работ и рефератов «Я — исследователь» 2022 года.
В статье автор анализирует возможность получения электрической энергии из ветроэнергетической установки, сконструированной своими руками из подручных материалов, а также возможность применения полученной энергии для зарядки небольших аккумуляторных устройств.
Цивилизация на нашей планете потребляет всё больше и больше самых разных природных ресурсов, и среди них главное место занимают ресурсы энергетические . Основную их часть (более 80 %) составляет ископаемое топливо: уголь, нефть и газ. Проблема состоит в том, что, с одной стороны, их запасы конечны (невозобновляемы), а с другой, при их сжигании выделяется углекислый газ , который, по мнению ряда учёных, увеличивает на планете «парниковый эффект» и напрямую влияет на климат планеты. В этой связи особую значимость приобретает использование возобновляемых источников энергии(ВИЭ), которые в основном относятся к «зелёной энергетике». Зелёная энергетика — это энергия, получаемая из тех природных ресурсов, которые возобновляются естественным путём.
ВИЭ — это такие природные процессы, которые, с одной стороны, являются относительно устойчивыми во времени , а с другой, — регулярновозобновляемыми . Истинным источником всех ВИЭ является Солнце, поэтому, пока оно светит, ВИЭ можно считать «условно бесконечными». К ним относят следующие виды:
- энергия ветра;
- энергия воды (реки, приливы, отливы);
- солнечная энергия;
- геотермальная энергия;
- энергия биомассы (растительное масло, древесина, этанол).
Из перечисленных ВИЭ наиболее удобными и универсальными для использования в любой местности являются только ветровая и солнечная энергетика.
Основным объектом моего исследования я выбрал ветровую энергетику, а предметом — малую ветровую энергетическую установку (ВЭУ). От исследования солнечной энергетики пришлось отказаться, поскольку в Москве в среднем только 60 солнечных дней в году, при этом солнечные панели занимают много места и стоят дорого. С другой стороны, ветровая энергетическая установка является относительно небольшим сооружением, и собрать её можно из подручных материалов.
Есть две причины, по которым я выбрал эту тему. С одной стороны, моё исследование внесёт, пусть и небольшой, но вклад в общее дело повсеместного развития зелёной энергетики (и покажет, что это не так уж сложно).
С другой стороны, далеко не во всех регионах планеты электричество подают 24 часа в сутки. Бывают неожиданные отключения, связанные как с погодными условиями (например, жара в августе 2020 г. обрушила энергосистему Калифорнии [5]), так и с проблемами экономики в целом (отключение света в Китае [6]). В таких случаях наличие независимой от центральной сети возможности зарядить мобильный телефон или планшет позволит семье быть на связи и пользоваться Интернетом. В России периодические отключения электричества также не являются редкостью, особенно в отдалённых регионах страны.
Общая цель проекта формулируется следующим образом: доказать, что с помощью небольшой ветровой энергетической установки (микро-ВЭУ) за окном городской квартиры вполне возможно регулярно заряжать небольшое аккумуляторное устройство: мобильный телефон, планшет или ноутбук.
Для достижения этой цели необходимо решить следующий ряд задач:
– выбрать тип ветрового колеса, изучив литературные источники;
– собрать его из подручных материалов и разместить за окном;
– выбрать и разместить генератор тока;
– сделать выводы о возможности заряжать малые аккумуляторные устройства с помощью такой установки.
Ветровая обстановка конкретной квартиры сильно зависит от окружающего её ландшафта. Но в целом для города характерны собственные циркуляции воздуха , вызванные сквозняком между домами, неравномерным нагревом улиц, домов, дорожного асфальта и т. д. Поэтому каждая квартира за своим окном будет иметь свою собственную ветровую обстановку.
На равнинной местности ВЭУ обычно поднимают минимум на 6–7 метров над поверхностью земли, а когда квартира находится, например, на третьем этаже, это уже составляет около 9 метров высоты. Этого должно быть достаточно для регулярных ветровых явлений.
Гипотеза моего исследования состоит в том, что заряжать небольшие устройства с помощью микро-ВЭУ за окном возможно .
Моё небольшое исследование вполне актуально как с практической точки зрения (независимая возможность заряжать мобильные устройства), так и в целях повсеместного развития зелёной энергетики (использование ветра не выделяет углекислый газ).
При выполнении своей работы я использовал теоретические (анализ литературных данных) и эмпирические методы (конструирование и наблюдение).
Литературный обзор
Тема малых ветроэнергетических установок ещё недостаточно глубоко исследована в научной литературе. Поэтому в своей работе я опирался не на популярные книги, а на отдельные статьи в научных журналах. В частности, на статью «Исследование аэродинамических характеристик микро-ВЭУ» журнала «Электротехнические системы и комплексы» (№ 1(34), 2017 г) [3].
В этой статье авторы указывают, что малые и микро ВЭУ (мощностью до 10 кВт) не имеют широкого применения ни в России, ни в мире и используются в основном для энергоснабжения маломощных объектов (обычно питаемых постоянным током небольшого напряжения), например, автономных систем освещения. Это вызвано высокой стоимостью комплектующих, которые обычно производятся штучно, а значит, довольно дороги.
Между тем, авторы указывают на ошибочность мнения о том, что экономическая эффективность малых ВЭУ ниже, чем крупных. Сравнивая мощность одной крупной установки и ряда небольших, но сравнимых по диаметру ометаемой площади , авторы указывают, что материалоёмкость конструкции ротора имеет кубическую зависимость от диаметра ветрового колеса. Это значит, что крупная установка экономически проигрывает, т. к. её масса с ростом площади ветроколеса будет расти сильно быстрее (в кубе), чем масса малых ВЭУ.
Из этого факта авторы делают вывод, что малые и микро ВЭУ имеют серьёзные экономические преимущества перед большими установками, несмотря на то, что пока стоимость их комплектующих, производимых как правило штучно, слишком велика и в целом не отражает их возможную эффективность. Подобный довод мы находим и в третьей главе книги Войцеховского Б. В. «Микромодульная ветроэнергетика»: «При геометрически подобном уменьшении размеров ветротурбин они имеют проактически одинаковый коэффициент использования энергии ветра. Их удельная материалоёмкость, отнесённая к единице ометаемой воздушным потоком площади, снижается пропорционально диаметру» [4].
В статье «ВЭУ с вертикальной осью вращения» авторы указывают, что наибольшее распространение в наше время получили ветротурбины с горизонтальной осью вращения [2] ( рис 1 ). Но такие ВЭУ имеют существенный недостаток: им нужно время, прежде чем они развернут свои лопасти на ветер, а направление ветра может быстро меняться.
Рис. 1. Ветротурбины с горизонтальной осью вращения
Это напрямую влияет на выходную мощность ветровой установки, поскольку ометаемая площадь напрямую зависит от направления ветра по отношению к оси ротора и в некоторые моменты времени может быть значительно меньше площади ветроколеса. Следовательно, мощность такой ветроустановки также будет непостоянной. Этот недостаток не относится к установкам с вертикальной осью вращения : они могут ловить ветер с любого направления и в любой момент времени. Между тем, они имеют свои недостатки, которые следует преодолевать. Например, малую скорость вращения ротора.
Опираясь на рассмотренные выше научные статьи, я пришёл к выводу, что классическое горизонтальное трёхлопастное колесо в городских условиях не подходит. Потому что в городе ветер почти всегда дует вдоль стены дома , а она расположена вертикально, поэтому горизонтально-осевое колесо не будет улавливать ветер, который дует снизу или сверху.
Поэтому я выбрал ВЭУ вертикального типа , которая на стене дома располагается горизонтально. Такое решение позволило одновременно и улавливать ветер с любого направления (кроме встречного, но ветер почти всегда дует вдоль стены, а не в стену), и при этом избежать сложностей с изготовлением лопастей высокого аэродинамического качества. ВЭУ вертикального типа также бывают со сложными лопастями, но я выбрал наиболее простой вариант, когда вокруг подвижного ротора с прямыми лопастями располагаются неподвижные лопасти, которые направляют ветровой поток на лопасти ротора. Ниже представлена принципиальная схема такой ВЭУ (рис.2).
Рис. 2. Схема простой ВЭУ вертикального типа
В качестве генератора электричества лучше использовать самодельный генератор постоянного тока на ферритовых магнитах. Конструирование таких генераторов для ВЭУ небольшой мощности представляет отдельную научную проблему, которая активно обсуждается в научной литературе, и окончательного решения по этой теме ещё не выработано. Так, в статье Бубенчикова А. А. «Применение ветроколёс и генераторов для ВЭУ малой мощности» отмечается, что «генератор является важнейшим элементом электрооборудования автономной энергоустановки. Кроме основного назначения генератор должен выполнять определённые функции по стабилизации и регулированию параметров, характеризующих качество вырабатываемой электроэнергии» [1].
В связи со сложностью изготовления генератора постоянного тока я использовал электродвигатель от принтера, который может вырабатывать небольшой переменный ток. Именно по значениям переменного тока я оценивал возможность получения нужной мощности для зарядки мобильных устройств.
Экспериментальное исследование
Своё экспериментальное исследование я проводил способом конструирования и наблюдения.
Конструировать ветроколесо мне помог папа. Для изготовления основного корпуса ВЭУ мы использовали обыкновенную фанеру толщиной 10 мм. На ней отметили и вырезали круг диаметром 75 см (рис. 3), который станет задней стенкой ветроустановки. Затем мы изготовили ещё одну такую же круглую заготовку, внутри которой вырезали круг меньшего диаметра (45 см), который нужен для того, чтобы поместить внутрь ротор с лопастями. На фото ниже представлены обе заготовки (рис. 4).
Рис. 3. Диаметр будущего колеса
Рис. 4. Заготовки корпуса
Далее мы приклеили направляющие для неподвижных лопастей под углом 40 градусов на обеих заготовках корпуса зеркально друг к другу (рис. 5). По уже готовым направляющим мы приклеили неподвижные лопасти (рис.6), которые немного выходят за основной корпус (рис. 7) . Такое решение вызвано тем, что неподвижная лопасть должна перекрывать ровно половину ротора. Поэтому, чтобы не увеличивать и без того довольно габаритный корпус, лопасть немного выходит за него. Прочность корпуса при этом вполне достаточна, а ветровой поток с любого направления обдувает только половину ротора, что и приводит его во вращение.
Рис. 5. Направлющие для неподвижных лопастей
Рис. 6. Приклеивание неподвижных лопастей
Затем мы приклеили верхнюю часть корпуса (рис. 7) . В него потом будет вставлен ротор. Следующим этапом мы изготовили сам ротор. Валом послужил латунный прут диаметром 8 мм, а лопасти мы сделали из лёгкой трубы воздуховода, распилив его пополам (рис. 8). Вал вращается на двух подшипниках с внешним диаметром 20 мм и внутренним — 8 мм.
Рис. 7. Сборка корпуса
Рис. 8. Изготовление ротора
Далее мы покрасили корпус в серый цвет. Внутри корпуса поместили ротор с лопастями (рис. 9). На этом этапе ротор свободно вращается на ветру, но электричество не производит, так как не хватает генератора электрического тока, а также крепёжных приспособлений для крепления ВЭУ к стене дома.
Рис. 9. Окрашенное колесо
В качестве генератора мы использовали шаговый двигатель от принтера, который генерирует небольшой переменный ток (рис. 10). Небольшие генераторы постоянного тока имеют довольно сильное «залипание», из-за чего ротор мог бы вращаться только на сильном ветру.
Рис. 10. Установка генератора
Затем мой папа закрепил ветроколесо за балконом 11 этажа (рис. 11), и мы приступили к периодическим наблюдениям.
Рис. 11. Микро-ВЭУ за окном
На протяжении недели с 17-го по 23-е января мы в течение дня вели наблюдение за ветроустановкой и во время её вращения измеряли переменный ток и напряжение с помощью цифрового мультиметра (рис. 12–14) . Выяснилось, что ветровая обстановка за окном носит нерегулярный характер, и в безветренную погоду ротор оставался без движения, либо неожиданно раскручивался под сильными порывами ветра. Результаты наших наблюдений представлены в таблице 1 при скорости ветра от 3 до 5 метров в секунду.
Таблица 1
Наблюдения за током и напряжением, получаемыми от ВЭУ
|
Дата/показатель |
17.01.22 |
18.01.22 |
19.01.22 |
20.01.22 |
21.01.22 |
22.01.22 |
23.01.22 |
|
Напряжение, В |
1,2 |
1,0 |
0,9 |
1,4 |
1,1 |
0,8 |
1,5 |
|
Сила тока, мА |
11,0 |
11,0 |
10,0 |
12,0 |
10,0 |
9,0 |
13,0 |
|
Мощность, Вт |
0,0132 |
0,0110 |
0,0090 |
0,0168 |
0,0110 |
0,0072 |
0,0195 |
Мощность в данных таблицы — расчётная величина, полученная путём умножения значения напряжения на значение силы тока.
Для зарядки мобильного телефона большинство зарядных устройств рассчитано на напряжение 5 вольт постоянного тока и силу тока 1 ампер, что составляет 5 ватт. Это — минимальная сравнительная мощность, на которую нужно ориентироваться при создании микро ВЭУ.
Как видно из таблицы, оценочных значений мощности в ваттах не достаточно для зарядки мобильного устройства от данной модели ВЭУ.
Нужен более мощный генератор, который способен производить напряжение не ниже 5 вольт, что позволило бы заряжать мобильное устройство даже малым током.
Рис. 12. Наблюдение 17.01.22, (В)
Рис. 13. Наблюдение 20.01.22, (В)
Рис. 14. Наблюдение 21.01.22, (мА)
Лучшим решением в данном случае будет расчёт и изготовление генератора постоянного тока, который по параметрам будет соответствовать конкретно данной ветровой установке. Разработка таких маломощных генераторов представляет собой отдельную научную проблему и требует отдельного исследовательского проекта.
Заключение
Итак, в рамках данного проекта была поставлена проблема исследования возможностей ветроэнергетики в обычной городской квартире с целью заряжать небольшие мобильные устройства. Для этого из подручных материалов была изготовлена небольшая ветровая энергетическая установка (микро-ВЭУ) с маломощным генератором переменного тока и произведены регулярные наблюдения за значениями тока и напряжения, которые она производит при средней скорости ветра 3–5 м/с.
По результатам проведённого исследования было достоверно установлено, что регулярно заряжать мобильное устройство рассмотренным экземпляром ВЭУ не представляется возможным ввиду маломощности выбранной модели генератора. В ходе исследования стало очевидно, что выбранная схема ветроколеса является удачной, поскольку оно способно улавливать малейшие движения ветра на холостом ходу (без генератора). Но также стало понятно, что наиболее актуальной проблемой микро-ВЭУ является не ветроколесо само по себе, а расчёт и изготовление генератора постоянного тока , подходящего под конкретное ветровое колесо. Такой генератор должен вырабатывать напряжение не менее 5 вольт при минимальной силе ветра (около 2 м/с), что позволит заряжать мобильное устройство или аккумулятор даже при малой силе тока. Возможно ли построить такой генератор для ВЭУ небольшого размера — тема отдельного научного исследования.
Использование маломощных генераторов переменного тока (как в нашем случае) не является оптимальным выбором, поскольку выпрямление переменного тока приводит к потерям напряжения на диодах, поэтому в рамках настоящего исследования ток не выпрямлялся.
Стоит заметить, что исследование проводилось в регионе, где средняя скорость ветра зимой составляет всего 4,4 м/с. Логично допустить, что в регионах с более благоприятной для целей проекта ветровой обстановкой наблюдаемые показатели были бы выше.
Таким образом, можно заключить, что все поставленные задачи, которые были выделены в рамках исследования, выполнены. Однако гипотеза исследования, которая состояла в том, что возможно заряжать мобильные устройства с помощью микро=ВЭУ за окном, для данной конкретной ветровой установки не подтвердилась.
Тем не менее, выявленная проблема изготовления маломощных генераторов постоянного тока оставляет открытым поле для дальнейших исследований, так как изготовление небольшого генератора мощностью хотя бы в 5 ватт не выглядит нерешаемой научной проблемой.
Литература:
1. Применение ветроколёс и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности / А. А. Бубенчиков [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36).
2. Кирпичникова И. М. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения / И. М. Кирпичникова, Е. В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. — 2008. — № 26.
3. Исследование аэродинамических характеристик микроветроэнергетической установки / Д. В. Коробатов [и др.] // Журнал ЭСиК. — 2017. — № 1(34).
4. Войцеховский Б. В. Микромодульная ветроэнергетика / Б. В. Войцеховский, Ф. Ф. Войцеховская, М. Б. Войцеховский. — Новосибирск: Ин-т гидродинамики СО РАН. — 1995. — 71 с.: ил. — Библиогр.: с. 69–71.
5. Калифорнии не хватило солнца: «золотой штат погрузился во тьму». https://iz.ru/1051616/dmitrii-migunov/kalifornii-ne-khvatilo-solntca-zolotoi-shtat-pogruzilsia-vo-tmu
6. В Китае масштабные отключения электричества. https://www.bbc.com/russian/news-58685232
