Природная энергия — возобновляемое будущее



В статье автор анализирует возможность в домашних условиях накопить электроэнергию от возобновляемых природных источников, полезно применить наколенную энергию на модели условного домашнего хозяйства и на реальные приборы и устройства, используемые в жизни.

Наш класс участвовал в экологическом проекте «Земля-наш дом». В ходе проекта я узнал, что одной из опасностей для планеты является то, что человек неразумно использует богатства природы, ее ресурсы, для получения электрической энергии. Природные вещества и материалы исчерпаемы, но и электроэнергия нам необходима, без нее наша жизнь невозможна. Тогда я задумался, есть ли способ получить энергию, необходимую в нашей жизни, без причинения вреда природе?

Я изучил материалы Международной выставки RENWEX 2022 «Возобновляемая энергетика», посетил Музей Энергии в павильоне «Электрификация» на ВВЦ. Изучил литературу по теме «Альтернативные источники энергии».

Я узнал, что в настоящее время во всем мире активно развивается направление получения электроэнергии из экологически чистых источников энергии: солнце, ветер, вода.

Я решил подробнее узнать, что такое альтернативная энергетика и опытным путем проверить, как она работает, как можно получить экологически чистую энергию, и как можно использовать эту энергию с наибольшей пользой.

Цель исследования: Оценить возможность и эффективность получения и использования электрической энергии из возобновляемых источников в домашних условиях.

Задачи:

– Изучение и систематизация теоретических сведений об изучаемой теме.

– Построение упрощённой модели домашнего хозяйства с использованием портативных электростанций, способных накапливать определенное количество электроэнергии, и расходовать накопленную энергию на полезные нужды данного хозяйства.

– Проведение экспериментов с накоплением электрической энергии от возобновляемых природных источников, и расходом наколенной энергии на полезные нужды условного домашнего хозяйства.

– Анализ полученных результатов и сравнение их с характеристиками реальных приборов и механизмов, которые применяются в повседневной жизни в настоящее время.

– Оценка возможности применения альтернативных источников энергии в реальном домашнем хозяйстве.

Объект исследования: электрическая энергия, накопленная с помощью возобновляемых природных источников.

Предмет: условная модель домашнего хозяйства, обладающая возможностью накапливать электроэнергию от природных источников и впоследствии расходовать ее на собственные нужды.

Гипотеза: Электрическую энергию можно получить из возобновляемых источников в домашних условиях и использовать её для практических целей, при этом снизив загрязнение окружающей среды, и сократив затраты на получение энергии.

Актуальность работы: в ходе работы над проектом я планирую разобраться в принципах работы альтернативных источников энергии, чтобы в будущем иметь возможность работать над проблемой сохранности природы. Понять, насколько существующие в настоящее время пути развития альтернативной энергетики актуальны, и выяснить, есть ли польза в применении природных источников, или стоит искать совершенно новые направления получения энергии, которые безопасны для окружающей среды.

Методы: анализ литературы, моделирование, эксперимент, наблюдение, сравнение, беседа со специалистом.

Историческая справка

Возобновляемая энергетика — самый древний и безопасный способ получения энергии.

Люди использовали солнечный свет для нагревания пищи, отопления домов и розжига. Парусные суда Древнего Египта, Греции и других цивилизаций ещё 5 с половиной тысяч лет назад. Около I века до нашей эры древние греки начали использовать первое водяное колесо, чтобы молоть пшеницу. [1]

С развитием цивилизации люди учились применять более совершенные источники энергии. В целом, переходы от одного источника энергии к другому произошли два раза за всю историю человечества: переход от дерева к бурому углю и от китового жира к нефти. Эти изменения были вызваны истощением основного источника топлива.

Началом использования нефти принято считать конец VIII — начало XIX века, когда человек впервые обнаружил ископаемое топливо. С этого момента началось разделение мира на страны, владеющие природными богатствами и бедные страны. Это привело к осложнению политических и экономических отношений между государствами и к ухудшению экологической обстановки. [2]

Ископаемые источники оказались выгоднее на определённом этапе развития цивилизации. В то время никто не предполагал, что уголь, нефть, а затем и газ нанесут непоправимый урон климату планеты буквально за какую-то сотню лет. Сейчас человечество вынуждено искать аналоги ископаемому топливу.

Альтернативные источники энергии в наше время

Сегодня тема возобновляемых источников энергии интересует не только профессионалов, но и обычных людей. О ней много говорят в новостях, а экологи призывают в кратчайшие сроки перейти на зелёные технологии, чтобы приостановить климатический кризис. Многие страны уже начали реализовывать собственные программы зелёного курса.

В настоящее время опубликовано достаточное количество исследований возобновляемой энергетики. Процесс использования альтернативных источников энергии многогранная проблема, включающая в себя роль государства, особенности и технологии его деятельности в данной сфере. [3] Для государства переход на альтернативные источники позволит сберечь ископаемые источники, повысить научный потенциал при изучении темы, повысить экономическую целесообразность в труднодоступных районах, создать рабочие места. Однако вследствие того, что альтернативные источники получили относительно позднее распространение, они требуют больших капиталовложений. Трудности с налаживанием серийного производства требуемых компонентов оборудования, низкий КПД установок, необходимость профильного обучения кадров — главные проблемы альтернативной энергетики в настоящее время. [4] В настоящее время тема возобновляемой энергетики достаточно изучена, тем не менее, пока альтернативная энергетика даже в половину не может заменить собой традиционные источники. Это делает актуальным дальнейшее изучение темы, открытие новых направлений и развитие существующих.

Основные теоретические понятия

Для проведения исследования мне нужно было получить начальные знания по физике, чтобы понять связь между явлениями и их характеристиками.

Я изучил теорию, узнал, все вещества состоят из молекул, узнал их свойства и варианты взаимодействия, разобрался, что Энергия — это мера для оценки способности тела совершить работу. Работу совершают любые тела, в том числе молекулы, взаимодействуя между собой, в том числе во время движений тел, систем тел и их частей.

Я провел несколько опытов, в ходе которых наглядно увидел принципы совершения работы превращения энергии из одних видов в другие, и как эти явления связаны с внутренним строением тел. Я узнал, что все явления в физике взаимосвязаны, механическая энергия переходит в тепловую, тепловая и механическая энергия переходят в электрическую. Я понял, что электрический ток не возникает из ниоткуда, а появляется как результат произведенной работы.

Основными характеристиками электрической энергии, которые понадобятся в моей работе, являются:

Напряжение : это сила, которая толкает электроны по проводнику, заставляет их двигаться. Измеряется в Вольтах, сокращенно В (на импортных приборах помечено как V).

Сопротивление : это то, как проводник, по которому идет ток, сопротивляется тому, чтобы по нему двигались электроны.

Сила тока : это оценка потока зарядов за какое-то время, то есть количество электронов, прошедшие за единицу времени (секунду) через провод. Сила тока измеряется в Амперах (А).

Мощность : Энергия в единицу времени (секунду). Измеряется в Ваттах (W)

Энергия позволяет оценить как много работы может совершить тело. Измеряется в Дж (в зарубежных приборах J): единица измерения работы, энергии. В моей работе все опыты, связанные с накоплением энергии, ограничены объемом демонстрационной модели Лего-мультиметра в 100 J энергии.

Также в работе я буду использовать понятие Потери энергии . Я обозначу их как количество энергии, которая при накоплении и потреблении вместо полезного использования тратится на нагрев проводов и контактов и иные вредные явления (трение, плохие контакты, сопротивление воздуха).

Кроме того, я анализирую потери энергии с использованием такой физической величины, как КПД — коэффициент полезного действия . Показывает, сколько пользы мы можем получить от накопленной энергии (в рамках моей работы, доля от потраченной на выполнение работы имеющейся энергии).

Емкость аккумулятора. Показывает, сколько тока может отдать данный аккумулятор за какое время. Измеряется в милиамперчасах (мАч) (mAh).

Эксперимент

В качестве модели для эксперимента я использую условное домашнее хозяйство, то есть модель, внутри которой пропорционально рассчитаю возможность накопления и потребления энергии, и узнаю, возможно ли существование домашнего хозяйства с применением самостоятельно полученной электроэнергии.

Для исследования мне понадобилось оборудование, которое может накапливать энергию из природных источников, и расходовать ее на полезные для жизни человека нужды. Я решил использовать демонстрационный набор Лего «Возобновляемые источники энергии». В наборе четко зафиксированы функции его использования, это демонстрационная модель. Использование этого оборудования даст мне возможность на примере модели оценить, насколько реально накопить энергию возобновляемых источников и хватит ли этой энергии для обеспечения необходимых нужд на модели потребления (перевозка груза, освещение и т. д.)

Рис. 1. Демонстрационный набор Лего «Возобновляемые источники энергии»

Для целей моего исследования я расширил функции, добавив несколько других, не предусмотренных инструкцией, о чем расскажу в ходе проведения опытов.

В качестве основного оборудования использован Лего-мультиметр с аккумулятором энергии. Устройство способно накапливать энергию от использования различных природных источников, максимальная величина накопленной энергии составляет 100J. На дисплее устройства отображаются показатели входящей (накапливаемой) и потраченной энергии (напряжение, сила тока и мощность (т. е. скорость передачи и потребления энергии), а также общий объём энергии, накопленной аккумулятором.

Устройство-преобразователь для совмещения демо-модели Лего, Лего-мультиметра и реального прибора.

Рис. 2. Устройство-преобразователь для совмещения демо-модели Лего, Лего-мультиметра и реального прибора

Чтобы иметь возможность заряжать от модели Лего реальные приборы, я соединил часть провода с разъемом Лего для питания от Лего-мультиметра или Лего-генератора с Адаптером для USB-зарядки реальных устройств. Максимально он может питаться от 5 вольт, выдавая определенный ток. Устройство, использованное мною, демонстрационное, оно ограничивает напряжение, содержит преобразователь, который гасит излишки энергии за счет потерь, скорее всего тепловых. Это нужно для того, чтобы не сжечь устройство-потребитель и предотвратить его питание/зарядку большим током и напряжением.

Лего-мотор, набор светодиодов, соединительные провода и пластиковые детали моделей.

Рис. 3 Батарейный блок Лего «Возобновляемые источники энергии»

В составе набора содержится батарейный блок, имеющий 6 элементов питания — батареек типа АА напряжением по 1,5V, общим напряжением 9V. От этой системы батареек можно достаточно быстро зарядить аккумулятор Лего-мультиметра. Для своей модели в самом начале я принял это значение за максимальное.

Рис. 4. Солнечная батарея Лего «Возобновляемые источники энергии»

Солнечная батарея должна быть расположена с солнечной стороны в ясный день, чтобы поступление света было максимально. Ее нужно ставить перпендикулярно солнечным лучам и перемещать вслед за движением солнца.

Рис. 5. Механический генератор энергии (Динамо-машина)

Поскольку в нашем климате не всегда бывает много солнца или ветра с силой, достаточной для быстрого заряда аккумулятора, я решил провести эксперимент с накоплением энергии от механической силы.

Динамо-машина — прибор, который вырабатывает электрическое напряжение в результате вращения механизма генератора. Мощность устройства зависит от скорости вращения ручки — чем она выше, тем большее напряжение и силу тока можно получить. Динамо-машины активно применялись в производстве с начала 19 века, но в начале 20-го века их заменили на гидро- и тепловые электростанции.

Тем не менее, в моем предполагаемом домашнем хозяйстве я могу их активно использовать, причем не только для накопления электричества, а одновременно для поддержания здорового образа жизни. Я предполагаю, что возможно соединить компоненты велотренажера и динамо-машины. С помощью подобного устройства можно превращать свою мускульную силу в электричество, накапливать его в аккумуляторе, и использовать для нужд домашнего хозяйства. Занятия на велотренажере рекомендованы ежедневно, от 40 минут до часа. Во время езды на велосипеде человек развивает мощность 100–150 Вт. Так что, подобное устройство позволит выработать энергию, достаточную, например, для освещения помещения площадью 10 м2 в течение суток.

Например, светодиодная «умная» лампа имеет мощность 8,5 ватт. За час работы на велотренажере человек может сгенерировать и запасти 150 ватт*час энергии. При такой работе за 1 секунду накопится энергии столько, что лампочке хватит гореть 17 секунд (150/8,5). А поработав час накопится энергия, которая даст возможность лампе работать 17 часов, как раз то время, когда на улице темно и требуется электрическое освещение. Этот расчет при 100 % КПД, не учитывая потери энергии.

При постройке динамо-машины я использовал редукторы — преобразователи вращения (зубчатые колеса) и плечо рычага (принцип ворота, похож на тот, что используется при вытаскивании воды из колодца). Это позволило ускорить поступление энергии. Плечо рычага вращает большую шестерню, на которой 40 зубцов, а двигатель (в данном случае его роль — генератор) присоединен к маленькой шестерёнке, на которой 8 зубцов. Маленькая шестерня крутилась в пять раз быстрее (40/8 = 5), и за счет оборота одной большой шестерни достигалось 5 оборотов маленькой, поэтому скорость поступление энергии в аккумулятор от генератора увеличилась по сравнению с тем, что было бы, если бы просто крутить ось генератора. За счет этого мне удалось накопить энергию с помощью динамо-машины почти с такой же скоростью, как при помощи батарейного блока, значительно быстрее ветряной и солнечной станции.

В ходе эксперимента я отметил, что в некоторые моменты, при равномерном и быстром кручении рычага динамо-машины показатели входящего заряда (напряжение и мощность) аккумулятора в Лего-мультиметре были выше, чем при заряде батарейным блоком, которые принял за максимальные. Поскольку моя модель является демонстрационной, и детали Лего в конструкции хрупкие и неустойчивые, их соединение их в механизме непрочное, мне не удалось собрать из деталей Лего достаточно устойчивую конструкцию, которая позволит крутить рычаг с большим усилием и одинаковой скоростью в течение всего времени до полного заряда аккумулятора. Но полученные в ходе опыта измерения напряжения и мощности за более короткий промежуток времени подтверждают, что в случае равномерной работы с максимальным усилием я смогл бы достигнуть максимума запасённой энергии в 100J за 100 секунд, что составило бы 1 Вт мощности.

Это говорит о том, что при равномерном быстром вращении аккумулятор можно зарядить быстрее, чем от батарейного блока. Причина в том, что батарейка — это химический источник энергии, он выдает ток строго в определенном размере (электроны «появляются» внутри батарейки с определенной скоростью, батарея разряжается с определенной скоростью, дает определенный ток (количество зарядов, которые «пролетают» через наш проводник в единицу времени). То есть, батарейка совершает работу в строго определенном размере. Динамо-машина в этом отношении гораздо практичнее — если ее крутить быстрее — работа совершается большая, по проводу (как трубе) электроны бегут с большей энергией, вырастает напряжение, а от этого и мощность станет больше, что подтверждают опыты и измерения.

Эксперимент состоит из 3 частей: Накопление в аккумуляторе энергии, полученной от природных источников, расход накопленной энергии на потребители-модели, расход накопленной энергии на реальные (используемые в жизни) приборы.

Накопление энергии от различных источников

Заряд аккумулятора батарейным блоком

В составе набора содержится батарейный блок, имеющий 6 элементов питания — батареек типа АА напряжением по 1,5V, общим напряжением 9V. Батарейка — химический источник энергии, и в модели экологически чистых электростанций используется только в качестве эталона, показывающего максимально быстрый заряд аккумулятора.

Таблица 1

Входящие показатели заряда при зарядке аккумулятора от батареек

Напряжение	Сила тока	Мощность по показаниям прибора	Время полного заряда	Расчетная мощность (V*A)	Расчетное накопление энергии ( W *сек)	Потери энергии
5,2V	0,205А	1,084W	140 секунд	1.066W	140,92J	40.92J

Заряд аккумулятора солнечной энергией

Рис. 6. Заряд аккумулятора солнечной батареей

Я поставил аккумулятор на зарядку от солнечной батареи, источником света для которой было солнце на подоконнике. Солнечную батарею расположил с солнечной стороны в ясный день, перпендикулярно солнечным лучам и перемещал вслед за движением солнца. Поэтому поступление света было максимально.

Я поставил солнечную батарею на заряд то света электролампы. В рамках данной работы практической этот эксперимент значимости не имеет, но в качестве перспективы для будущих исследований я предположил, что при использовании в домашних условиях светильников, можно разместить в зоне досягаемости света солнечные батареи, и таким образом накапливать электричество от света ламп. В расчетах и выводах показатели этой части эксперимента не учитываются.

Таблица 2

Входящие показатели заряда при зарядке аккумулятора от солнечной батареи

Напряжение	Сила тока	Мощность по показаниям прибора	Время полного заряда	Расчетная мощность (V*A)	Расчетное накопление энергии ( W *сек)	Потери энергии
4,2V	0,022А	0,087W	1800 секунд	0,092W	156,6J	56,6J

Таблица 3

Входящие показатели заряда при зарядке аккумулятора от электролампы

Напряжение	Сила тока	Мощность по показаниям прибора	Время полного заряда	Расчетная мощность ( V*A)	Расчетное накопление энергии ( W *сек)	Потери энергии
2,8V	0,012А	0,028W	Примерно 4800 секунд	0,033W	134,4J	34,4J

Рис. 7. Заряд аккумулятора от электролампы

Заряд аккумулятора ветрогенератором

Рис. 8. Заряд аккумулятора ветрогенератором

В качестве источника ветра я использовал вентилятор мощностью 60Вт, как рекомендовано производителем набора «Лего». Диаметр лопастей вентилятора был почти такой, как у пропеллера ветрогенератора.

При использовании солнечной энергии для полного заряда аккумулятора понадобится длительное время. При использовании энергии ветра время зарядки сокращается, но необходим сильный поток воздуха.

Таблица 4

Входящие показатели заряда при зарядке аккумулятора от ветрогенератора

Напряжение	Сила тока	Мощность по показаниям прибора	Время полного заряда	Расчетная мощность (V*A)	Расчетное накопление энергии ( W *сек)	Потери энергии
3,2V	0,086А	0,215W	720 секунд	0,275W	154,8J	54,8J

Заряд аккумулятора механическим генератором энергии (Динамо-машиной)

Рис. 9. Заряд аккумулятора Динамо-машиной

Поскольку в нашем климате не всегда бывает много солнца или ветра с силой, достаточной для быстрого заряда аккумулятора, я решил провести эксперимент с накоплением энергии от механической силы. Это не предусмотрено инструкцией Лего-набора, поэтому я расширил функции модели в качестве очередного эксперимента в рамках своего проекта.

При равномерном быстром вращении аккумулятор можно зарядить быстрее, чем от батарейного блока. Причина в том, что батарейка — это химический источник энергии, он выдает ток строго в определенном размере. То есть, батарейка совершает работу в строго определенном размере. Динамо-машина в этом отношении гораздо практичнее — если ее крутить быстрее — работа совершается большая, вырастает напряжение, а от этого и мощность станет больше, что подтверждают опыты и измерения.

Таблица 5

Входящие показатели заряда при зарядке аккумулятора от механического генератора.

Напряжение	Сила тока	Мощность по показаниям прибора	Время полного заряда	Расчетная мощность (V*A)	Расчетное накопление энергии ( W *сек)	Потери энергии
7,2V	0,139А	0,993W	120 секунд	1,000W	119,1J	19,1J

Заряд аккумулятора гидроэлектростанцией

Рис. 10. Заряд аккумулятора гидроэлектростанцией

Я собрал гидростанцию по инструкции набора, но с работой модели возникли сложности. При большом напоре воды, поступающей на лопасти, входящие показатели энергии были не стабильными (постоянно менялись), а при уменьшении напора воды мощности потока не хватало для заряда. Я добавил в стандартную конструкцию редукторы (зубчатые колеса), чтобы увеличить скорость движения мотора. После изменения конструкции удалось зарядить Лего-мультиметр.

Итоги первой части эксперимента

За условный рабочий день в 10 часов (средняя продолжительность светового дня в Москве), в условной модели домашнего хозяйства мы имеем возможность гарантированно накопить 31 000J энергии. В случае, если не будет солнечного света или ветра, эти 31 000J я имею возможность накопить динамо-машиной, поэтому это количество можно учитывать при расчете потребления энергии.

Таблица 6

Итоговые показатели заряда аккумулятора за условный рабочий день 10 часов

	Напряжение V	Сила тока А	Мощность W	Время полного заряда 100 J минут	Потери энергии J	Накоплено за 10 часов, J
Батарейный блок	5,2	0,205	1,084	2,33	40,92
Солнечная энергия	4,2	0,022	0,087	30,0	56,60	2000
Свет электрической лампы	2,8	0,012	0,028	80,0	34,40
Ветрогенератор	3,2	0,086	0,215	12,0	54,80	5000
Динамо-машина	7,2	0,139	0,993	2,0	19,16	6000
Гидростанция	4,96	0,152	0,729	3,50	45,80	18000
ИТОГО накопление за условный рабочий день						31000

Для выводов эксперимента я не буду сравнивать показатели заряда батарейного блока и электрической лампы, поскольку цель исследования — получение экологически чистой энергии. Эти показатели я получил только в демонстрационных целях. Быстрее всего аккумулятор зарядился с помощью батарейного блока. Батарейка — это химический источник энергии, удобный и быстрый. Но использовать его неэкологично, поскольку батарейки надо утилизировать после использования. В процессе работы я нашел аналог заряду от батареек — заряд аккумулятора с помощью мускульной силы (динамо-машины). Время заряда почти такое же, но при этом соблюдается главный принцип моей работы — получение энергии без вреда окружающей среде.

Возможности конструктора предусматривают быстрое накопление энергии от батареек, я нашел новый непредусмотренный конструктором способ быстрого накопления энергии. Так же способ накопления энергии динамо-машиной может гарантировать, что если природные (погодные) условия не позволят воспользоваться энергией ветра, воды и солнца, то с помощью мускульной силы можно гарантированно выработать хотя бы минимально необходимое количество энергии для домашнего хозяйства.

Я вижу, что для целей моего исследования быстрее всего можно накопить энергию с помощью гидроэлектростанции и механического генератора. Их плюс еще в том, что при накоплении этих видов энергии потери электричества были наименьшими. Но эти виды энергии в домашнем хозяйстве накопить труднее, поскольку не всегда доступен источник воды с достаточным напором, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии, а механическая энергия ограничена силами человека и возможностью уделить время на выработку энергии.

Я могу сделать вывод, что для целей домашнего хозяйства оптимальным будет накопление в аккумуляторе всех четырех видов экологически чистой энергии в то время, когда эта энергия доступна (в солнечный, ветреный день, мускульной силы во время занятий спортом, гидроэнергии при достаточном напоре воды), для того, чтобы в последующем использовать эту энергию на нужны домашнего хозяйства.

За условный рабочий день в 10 часов (средняя продолжительность светового дня в Москве), в условной модели домашнего хозяйства мы имеем возможность гарантированно накопить 31 000J энергии. В случае, если не будет солнечного света или ветра, эти 31 000J мы имеем возможность накопить динамо-машиной, поэтому это количество можно учитывать при расчете потребления энергии.

Расход накопленной энергии на потребители-модели

В первой части эксперимента я выяснил, что для модели домашнего хозяйства имеется возможность накопить электрическую энергию в размере 31 000J за условный рабочий день.

Следующий шаг — понять, насколько эффективно, то есть полезно, ее можно использовать. Для этого я возьму самые необходимые потребители энергии в условном домашнем хозяйстве, и посчитаю, хватит ли накопленной энергии на их работу.

При потреблении энергии так же, как и при накоплении, происходят ее потери. В случае моей модели потери энергии уходят на нагрев проводов и контактов. Потери можно посчитать так: Энергия накопленная (Енак.) минус Энергия полезная, т. е. потраченная на пользу (Епол).

Важно понимать пользу, которую принесет накопленная энергия. То есть, насколько выгодно использовать приборы, с учетом накопления и потерь энергии. Я решил посчитать КПД по каждому потребителю энергии. Сколько пользы можно получить от использования каждого прибора, а какая часть энергии потеряется в результате рассеивания энергии. Посчитаю его по формуле: КПД = Энергия полезная (Е пол) / Энергию накопленную и затраченную (Е нак.)

Расход энергии на модель прибора освещения

Рис. 11. Расход энергии на модель прибора освещения

Подключили к полностью заряженной батарее (100J) светодиодные лампы Лего. Горение светодиодов длилось 10 минут (600 сек). То есть, при работе прибора освещения мы потеряли 5,12J энергии, а КПД (польза от работы прибора освещения) составила 94 %.

Освещение в домашнем хозяйстве необходимо использовать в течение примерно 6 часов, потратим на освещение 600J в час, 3600J в день.

Таблица 7

Показатели расхода энергии в модели прибора освещения

Напряжение	Сила тока	Мощность	Время полного разряда (потребление 100 J )	Расчетное потребление энергии ( V * A *время)	Потери энергии	КПД
9,3V	0,017А	0,157W	600 секунд	94,86J	5,14J	(94,2J/100J)*100 % = 94,2 %

Расход энергии на модель легкового автомобиля

Рис. 12. Модель легкового автомобиля

В конструкции автомобиля я использовал светодиоды Лего в качестве фар автомобиля. Автомобиль условно взят без груза, поскольку нагрузка на него была от батарейного блока массой 150 грамм.

Автомобиль в хозяйстве используется в течение четырех часов, 1714J в час, затраты энергии 6856J в день.

Строка 1 — показания работы с фарами, строка 2 — показания без фар.

Таблица 8

Показатели расхода энергии в модели легкового автомобиля

Напряжение	Сила тока	Мощность	Время полного разряда (потребление 100 J )	Расчетное потребление энергии ( V * A *время)	Потери энергии	КПД
8,3V	0,070А	0,572W	160 секунд	92,96J	7,04J	92,96J/100J*100 % = 93 %
8,8V	0,053А	0,423W	210 секунд	97,95J	2,05J	97,95J/100J*100 % = 98 %

Расход энергии на модель грузового автомобиля

Рис. 13. Модель грузового автомобиля

Конструкцию легкового автомобиля я дополнил грузовой тележкой, на которую можно устанавливать груз. Сама конструкция автомобиля не изменилась, передача вращения в грузовике и в легковом автомобиле одинаковые. Машина стала тяжелее на 110 грамм, ее длина увеличилась на 27 сантиметров. Я добавил к машине груз весом 215 грамм (йогурт+яйцо), в целом масса машины с грузом стала больше на 325 грамм.

Грузовой автомобиль в хозяйстве используется примерно 4 часа в день, 2250J в день.

Таблица 9

Показатели расхода энергии в модели грузового автомобиля.

Напряжение	Сила тока	Мощность	Время полного разряда (потребление 100 J )	Расчетное потребление энергии ( V * A *время)	Потери энергии	КПД
8,3V	0,061А	0,494W	175 секунд	88,60J	11,40J	88.6J/100J*100 % = 89 %
8,1V	0,058А	0,498W	160 секунд	75,15J	24,83J	75,15J/100J*100 % = 75 %

Расход энергии на модель грузового подъемника

Рис. 14. Модель грузового подъемника

Для достоверности измерений я взял тот же самый груз, который использовал в измерениях с грузовым автомобилем, йогурт+яйцо массой 215 грамм.

Подъемный кран в хозяйстве используется примерно 2 часа в день, 4000J в день.

Аналогично модели грузового крана можно построить модель пассажирского лифта. И показатели расхода энергии у него будут аналогичные. В хозяйстве лифт можно использовать в течение 3 часов, 5000J в день.

Таблица 10

Показатели расхода энергии в модели грузового подъемника.

Напряжение	Сила тока	Мощность	Время полного разряда (потребление 100 J )	Расчетное потребление энергии ( V * A *время)	Потери энергии	КПД
8,6V	0,063А	0,563W	180 секунд	97,52J	2,47J	97,52J/100J*100 % = 98 %

Итоги второй части эксперимента

Накопленную энергию в размере 31000J можно полезно использовать, потратив ее на потребление моделей самых необходимых нужд: освещение, легковой автомобиль для поездок, перевозка и подъем груза. Размер потребленной энергии 28456J.

Таблица 11

Итоговое потребление энергии моделями за условный рабочий день 10 часов

Виды расходования энергии	Потери энергии J	КПД	Потрачено J в условный рабочий день 10 часов
Освещение	5,14	95 %	3600
Передвижение	7,04	93 %	6856
Грузоперевозка	24,85	75 %	9000
Подъем груза	2,48	98 %	4000
Лифт	2,48	98 %	5000
ВСЕГО			28456

За световой день с помощью модели альтернативных источников энергии в предполагаемом домашнем хозяйстве нам удалось накопить 31000J электроэнергии. Накопленную энергию можно полезно использовать, потратив ее на потребление моделей самых необходимых нужд: освещение, легковой автомобиль для поездок, перевозка и подъем груза. Размер потребленной энергии 28456J.

Не вся накопленная энергию потрачена с пользой. Не вся накопленная энергию потрачена с пользой. Часть энергии ушла на нагрев проводов, контактов, трение в деталях механизмов. Самый низкий КПД оказался у грузового автомобиля. Это связано с тем, что в его конструкции используются провода и контакты, на нагрев которых тратится электричество, в нем много механизмов, при работе которых возникает трение, на преодоление которого так же уходит некоторое количество энергии. В приборе освещения КПД выше, потому что в нем нет механических деталей, и трение отсутствует. В механизмах подъема груза и лифта трение минимально, поскольку груз поднимается за счет веревки, а не сцепленных деталей, и их КПД значительно выше остальных.

На примере демонстрационной модели можно видеть, что накопленной от природных источников энергии хватит, чтобы обеспечить условное хозяйство энергией, достаточной для удовлетворения некоторых бытовых потребностей.

Применение накопленной энергии в реальной жизни.

В ходе работы над проектом я научился получать энергию из природных источников. Чтобы оценить возможность её применения в реальной жизни, посчитал общую мощность реальных приборов, аналогичных тем, которые я использовал в модели.

Я оценил коэффициент масштаба на примере моей модели электромобиля и электромобиля Тесла. Я понял, что моя машина потребляет энергии меньше в 500 000 раз. Это число настолько меньше ёмкостей реальных электромобилей, и коэффициент масштаба настолько мал, что считать его не имеет смысла.

Я решил попробовать потратить накопленную мною в результате эксперимента энергию на реальные потребители, используемые моей семьей в жизни.

Таблица 12

Показатели расхода энергии в модели грузового подъемника

Освещение	1 кВт*ч в сутки. Дом в 100 кв.м., в котором вы имеете примерно 20 ламп мощностью 7 ватт. Это всего 140 ватт в час. При среднем времени освещения в 6 часов (и зимой, и летом) — это всего около 0.84 киловатта часа в сутки или 25 киловатт-часов в месяц.
Передвижение	Потребление электромобиля Tesla 245 кВт. 15 кВт на 100 км, четыре часа в день. Tesla Model S 75D, емкость батареи составляет 75 кВт*ч. Зарядка от стандартной бытовой розетки за ≈26 час (напряжение 220 вольт и сила тока 16 ампер). Запас хода 450 км. За день потратит 40 кВт*ч
Грузоперевозки	46 кВт в сутки. Марка: LDV фургон Батареи емкостью 75 кВт*ч хватает на 340 км пути, за три часа пока будет развозить груз проедет 210 км, потратит 46кВт
Подъем грузов (Лифт и Кран подъемный)	1 кВт в сутки.
ИТОГО	70 Квт в сутки

Адаптер для USB-зарядки реальных устройств от Лего-мультиметра

Поскольку сравнить мою модель домашнего хозяйства с реальными потребителями энергии по техническим показателям не получилось, я решил попробовать зарядить несколько доступных устройств с помощью имеющейся модели, то есть объединить в одну систему реальный потребитель энергии и модель-накопитель. Разъемы Лего и домашних приборов отличаются.

Рис. 15. Адаптер для USB-зарядки реальных устройств от Лего-мультиметра

Из экспериментов части по накоплению энергии я выяснил, что наиболее быстрым в домашних условиях является накопление энергии с помощью мускульной силы. Этот накопитель требует трудозатрат, и не очень удобен в повседневной жизни, но для проведения опытов он подойдет больше других. Поэтому в этой части для исследования потребления энергии я использую динамо-машину как источник энергии.

При исследовании одновременного генерирования энергии и ее потребления используется такая цепь:

1. Динамо-машина для выработки энергии.
2. Лего-мультиметр для накопления и передачи энергии
3. Устройство-преобразователь для совмещения демо-модели Лего, Лего-мультиметра и реального прибора.
4. USB-тестер для контроля заряда внешних устройств и количества накопленной энергии.
5. Реальный прибор-потребитель энергии.

При таком методе цепь выполняет двойное преобразование энергии, содержит множество элементов, на каждом этапе которой происходят потери энергии за счет сопротивления. Демонстрационное устройство дает возможность оценить возможность применения альтернативной энергии для реальных приборов в домашних условиях.

В качестве потребителей для опыта взяты устройства, имеющие практическую значимость в условиях, когда под рукой отсутствует постоянный источник электричества (например, похода): вентилятор, светильник, сотовый телефон, часы с сим-картой для связи.

Потребитель энергии Светильник.

Рис. 16. Потребление накопленной энергии светильником

Светильник без аккумулятора, работает от сети. Горел от полностью заряженного Лего-мультиметра (потратил 100 J энергии) за 02 мин 22 сек, т. е. 144 сек.

Проверяем другим прибором. Зеркало с подсветкой, без аккумулятора, работает от сети. От полностью заряженного мультиметра (100J энергии) работает 4 мин 50 секунд. Из 100J получил полезной энергии только 27J. То есть, потери во всей схеме составили 73J. Данные предыдущего опыта подтверждаются.

В двух опытах полезная работа составила 28 джоулей. Потери во всей схеме составили 72 джоуля. КПД 28 %.

При постоянном кручении динамомашины светильники работают без перебоев. То есть, при наличии динамомашины, в условиях похода можно использовать как минимум два светильника в двух режимах яркости.

Потребитель энергии Шар с пропеллером (вентилятор)

Рисунок 17 Заряд шара- вентилятора

По техническим характеристикам устройство имеет аккумулятор = 75 мАч.

Шар заряжаем от розетки через USB тестер, шар набрал емкость в 103 мАч (0,103 Аh = 103 мАч). Это реальная емкость аккумулятора, сколько он потребил энергии. Полный заряд за 26 минут.

Шар снова разрядили полностью до выключения, присоединили к динамо-машине, стараясь обеспечить те же показатели заряда. Зарядили до 20 мАч, потратив на это 10 минут. За 20 минут шар заряжен до 42 мАч. То есть, для полного заряда устройства в 103 мАч понадобится 50 минут.

Реальный прибор заряжается от моей модели в два раза медленнее, чем от розетки.

Из этого опыта можно сделать вывод, что возможно прямое преобразование энергии, то есть, не накапливая ее, мы можем заряжать реальные устройства. При отсутствии постоянного источника тока мы имеем возможность с помощью мускульной силы накопить 102 мАч энергии и использовать ее для охлаждения себя вентилятором.

Потребитель энергии Внешний аккумулятор (Power-bank)

Рис.18. Заряд Power-bank

От полностью заряженного мультиметра (100J энергии) заряжался 1 мин 04 сек. Емкость аккумулятора определили с помощью USB-тестера, составила 3736 мАч. Зарядился от розетки за 4 часа. От динамо-машины через мою модель заряда за 20 минут зарядился на 23 мАч. Значит, полный заряд аккумулятора возможен за 55 часов.

Потребитель энергии сотовый телефон Samsung Galaxy A3.

Рис. 19. Заряд сотового телефона Samsung Galaxy A3

Полный заряд мультиметра (100J) потрачен за 17 секунд.

При зарядке телефона от наколенной в Лего-мультиметре энергии идет слишком большое потребление, 100J на 1 % заряда телефона. При кручении динамо-машины телефон заряжается на 1 % в 3 минуты (от обычной розетки на 1 % за полторы минуты). То есть, телефон от моего демо-устройства заряжается в два раза медленнее, чем от розетки.

Емкость аккумулятора определили с помощью USB-тестера, составила 1762 мАч. Зарядился от розетки за 2,5 часа. От динамо-машины через мою модель заряда за 20 минут зарядился на 118 мАч. Значит, полный заряд аккумулятора возможен за 5 часов.

Можно сказать, что при бесперебойном кручении динамо-машины я имеею возможность за 5 часов полностью зарядить сотовый телефон.

Потребитель энергии Smart -часы Smart Baby Watch .

За 30 минут работы динамо-машины часы заряжены на 1/4 шкалы- показателя заряда (состоит из 4 делений). По техническим характеристикам полного заряда хватает на 1 сутки работы. Можно сделать вывод, что при бесперебойном кручении динамо-машины мы имеем возможность за 2 часа зарядить часы полностью.

Рис. 20. Заряд Smart-часы Smart Baby Watch

Емкость аккумулятора определили с помощью USB-тестера, составила 310 мАч. Зарядился от розетки за 1 час. От динамо-машины через мою модель заряда за 20 минут зарядился на 52 мАч. Значит, полный заряд аккумулятора возможен за 2 часа.

В случае с этим устройством можно говорить не только об экстренном использовании при применении альтернативных источников. Можно в обычной жизни использовать для заряда этих часов солнечную энергию, чтобы экономить электричество.

Итоги третьей части эксперимента.

Получается, что в условиях отсутствия постоянного источника тока (например, в походе), я имею возможность накопить определенное количество энергии, необходимое для экстренных нужд (зарядить фонарь, телефон). Конечно, нужно длительное время для механической работы. Но из экспериментов по накоплению энергии я выяснил, что можно заменить мускульную силу одним из альтернативных источников, или их комбинацией (солнцем или ветром, водным источником), таким образом обеспечив заряд в течение более длительного времени. Учтем, что в экстренной ситуации не всегда необходим полный заряд телефона, иногда достаточно частичной зарядки, чтобы совершить звонок. Можно использовать не сенсорный смартфон, а простую кнопочную «звонилку», но такой не было в наличии.

Таблица 13

Итоговые показатели потребления энергии реальными приборами, используемыми в жизни

	Емкость аккумулятора (мАч)	Время полного заряда от розетки (мин)	Время потребления 100 J энергии (секунд)	Заряд за 15 минут от динамо-машины (мАч)	Время полного заряда от динамо-машины мин)
Светильник	нет	нет	142	нет	нет
Зеркало с подсветкой	нет	нет	290	нет	нет
Шар с пропеллером (вентилятор)	103	26		42	50
Внешний аккумулятор (Power-bank)	3 736	240	64	23	3300
Сотовый телефон Samsung Galaxy A3	1 762	150	17	118	300
Smart-часы Smart Baby Watch	516	120	-	86	60

Выводы

После проведения измерений я могу сделать следующие выводы:

– Я изучил и систематизировал теоретические сведения. Получил знания о том, что такое энергия, о принципах протекания электрического тока и накопления энергии, разобрался в принципах работы альтернативных источников энергии.

– Построил упрощённую модель домашнего хозяйства с использованием портативных электростанций, способных накапливать определенное количество электроэнергии, и расходовать накопленную энергию на полезные нужды данного хозяйства. Научился конструировать модели электрогенераторов, работающих на возобновляемых источниках энергии.

– Провел эксперименты с накоплением электрической энергии от возобновляемых природных источников, и расходом наколенной энергии на полезные нужды условного домашнего хозяйства. Научился накапливать 100 джоулей энергии за разное время, в том числе рекордные 2 минуты с помощью мускульной силы, и делать это быстрее в отличие от энергии ветра и солнца. Анализировал потери энергии и сделал выводы о более совершенных способах накопления энергии.

– Анализировал полученные результаты, сравнил их с характеристиками реальных приборов и механизмов, которые применяются в повседневной жизни в настоящее время. Смог использовать энергию, накопленную с помощью модели, в реальных потребителях домашнего хозяйства.

– Оценил возможность применения альтернативных источников энергии в реальном домашнем хозяйстве. Рассчитал коэффициент пропорциональности зарядки, с помощью которого смог сделать вывод о возможности получения энергии в аварийной ситуации.

Я понял, что существующие в настоящее время пути развития альтернативной энергетики актуальны, применение природных источников энергии уже сейчас приносит большую пользу в части охраны окружающей среды и экономии затрат на электроэнергию. Но применяемые в настоящее время методы не совершенны, и в будущем стоит искать совершенно новые направления получения энергии, которая безопасна для окружающей среды.

Заключение

В результате работы над проектом я:

– Получил знания о том, что такое энергия и о принципах протекания электрического тока и накопления энергии, разобрался в принципах работы альтернативных источников энергии.

– Научился конструировать модели электрогенераторов, работающих на возобновляемых источниках энергии.

– Научился измерять емкость электроприборов с помощью мультиметра и USB-тестера.

– Научился накапливать 100 джоулей энергии за разное время, в том числе рекордные 2 минуты с помощью мускульной силы, и делать это быстрее в отличие от энергии ветра и солнца.

– Анализировать потери энергии и делать выводы о более совершенных способах накопления энергии.

– Смог использовать энергию, накопленную с помощью модели, в реальных потребителях домашнего хозяйства.

– Узнал, что для стабильного потребления накопленной энергии в хозяйстве надо либо накапливать энергию в аккумуляторах для будущего потребления, либо применять преобразователи/стабилизаторы — устройства, выравнивающие выработку энергии, позволяющие потреблять ее равномерно, чтобы приборы не сгорели. Научился анализировать КПД и потери энергии при использовании преобразователей.

– Рассчитал коэффициент преобразования энергии, в моём случае он показывает, как много из генерируемой энергии можно использовать для производства полезной работы. Эта величина является аналогом КПД. Я выяснил, что меньше всего потерь наблюдается при минимальном числе соединений электроприборов и максимально возможной мощности. Идеально сразу при вращении динамо-машины эту энергию запасать в аккумуляторе заряжаемого устройства (светильнике, смарт-часах).

– Научился конструировать из подручных материалов прибор, который в экстренной ситуации позволит выработать минимум энергии для необходимых нужд.

Я понял, что существующие в настоящее время пути развития альтернативной энергетики актуальны, применение природных источников энергии уже сейчас приносит большую пользу в части охраны окружающей среды и экономии затрат на электроэнергию.

В то же время, мои демонстрационные модели показали, чтобы сделать реальный проект, нужны в 100–1000 раз более мощные приборы и механизмы накопления энергии. Я добился главного — узнал, что устройства альтернативной энергетики полезны, я могу это продемонстрировать в домашних условиях. Коэффициент масштабируемости зависит только от вложенных затрат времени и денег. Рынок современных устройств по альтернативным источникам настолько объемный, и так активно развивается, что анализировать его в рамках данной работы не имеет смысла. Я узнал главное — с развитием направления альтернативной энергетики каждый шаг открывает новые, казалось бы, немыслимые еще вчера горизонты, но одновременно показывает человечеству, насколько далек день, когда альтернативная энергия сможет хотя бы в половину заменить собой традиционные источники энергии.

В ходе исследования я изучил литературу, посетил выставки и получил знания о том, какие источники энергии, безвредные для окружающей среды, могут заменить традиционные электростанции. В ходе исследования я создал модель, на примере которой проверил предположение, что электрическую энергию можно получить из возобновляемых источников в домашних условиях и использовать её для практических целей.

Цель работы оценить возможность и эффективность получения и использования электрической энергии из возобновляемых источников в домашних условиях выполнена.

Я доказал, что в домашних условиях получать электрическую энергию из возобновляемых источников и применять ее — эффективно и экологично.

Гипотеза подтвердилась, я получил электрическую энергию из возобновляемых источников в домашних условиях и использовал её для практических целей, при этом по снизив загрязнение окружающей среды, и сократив затраты на получение энергии.

Я планирую заниматься этой темой, и когда мне будут доступны реальные приборы для исследования, я повторю эксперимент и создам настоящее хозяйство, которое сможет работать на экологически чистой энергии.

Литература:

1. Рылев, Ю. 6000 изобретений XX и XXI веков, изменившие мир / Ю.Рылев. — М.: Эксмо, 2013. — 880 с.
2. Мирошниченко А. А., Кулганатов А. З., Ковалев А. А., Внедрение возобновляемых источников энергии: Исторический аспект./ ЖУРНАЛ Вопросы развития современной науки и техники, 2020г. [Электронный ресурс] Режим доступа https://cyberleninka.ru/article/n/vnedrenie-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-istoricheskiy-aspekt/viewer
3. Савченков С. Н., кандидат экономических наук. Управление использованием альтернативных источников энергии 2009, Москва [Электронный ресурс] Режим доступа https://www.dissercat.com/content/upravlenie-ispolzovaniem-alternativnykh-istochnikov-energii
4. Сайфудинова Н. З., Мамалимов К. М., Сабирзянов А.И, Петрунин Е. И. Влияние альтернативной энергетики на развитие экономики государства и окружающую среду/ Московский экономический журнал № 6 2020г. [Электронный ресурс] Режим доступа https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-alternativnoy-energetiki-na-razvitie-ekonomiki-gosudarstva-i-okruzhayuschuyu-sredu/viewer