Размещено на http://www.allbest.ru/

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ №3»

Научно-исследовательская работа на тему:

Новый мост в новом свете

Выполнили:

Самшеев Михаил 10 «Б» класс

Жаботенко Анна 11 «Б» класс

Научный руководитель:

Кузьмина А.Н.

Астрахань 2012



Введение

XXI век характеризуется обострением экологических проблем, поисками их решений по сохранению условий жизни на Земле. Если еще 20-30 лет тому назад большей части населения нашей планеты были непонятны постоянные призывы ученых к сохранению природных объектов: редких видов животных, неповторимых уголков природы, рек, озер, лесов, то современные проблемы обрушились прямо или косвенно на каждого жителя Земли.

Последствия влияния энергетики на экологию Земли носит глобальный характер. Воздействие энергетики на окружающую среду разнообразно и определяется видом энергоресурсов и типом энергоустановок. Приблизительно 1/4 всех потребляемых энергоресурсов приходится на долю электроэнергетики. Остальные 3/4 приходятся на промышленное и бытовое тепло, на транспорт, металлургические и химические процессы. Ежегодное потребление энергии в мире приближается к 15 млн. кВт/ч.

В нашем регионе действует восемь стационарных постов наблюдения за состоянием окружающей среды, которые расположены как в городе, так и по области, прежде всего в районе влияния Астраханского газового комплекса, в г. Нариманове, п. Досанг и п. Аксарайский. Ежедневно лабораторией исследуется 10 вредных веществ, а также отбираются пробы на тяжелые металлы и, которые отправляются в НПО «Тайфун», г. Обнинск. Приоритетными веществами, загрязняющими воздух на территории Астраханской области, являются: диоксид азота, диоксид серы, формальдегид, окись углерода, пыль, сажа, ароматические углеводороды. Ни по одному из этих компонентов высокого загрязнения, т.е. более 5 ПДК, по Астрахани и области не наблюдается уже много лет. В атмосферу выбрасывается множество различных вредных веществ, поэтому необходим обобщающий показатель загрязнения воздуха несколькими веществами. Это индекс загрязнения атмосферы воздуха (ИЗА). В течение пяти лет ИЗА в Астрахани колеблется от 1 до 7 (причем показатель менее 5 считается низким, а с 5 до 7 - повышенным). Но он все еще остается низким. Сокращению объемов выбросов способствовали благоприятные метеорологические условия и проведение активных природоохранных мероприятий. Наряду с ООО «Астраханьгазпром» наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия теплоэнергетики (в частности, ТЭЦ-2), топливной промышленности, производства строительных материалов, а также автомобильный, железнодорожный и водный транспорт. Одну из этих проблем можно решить снизив затраты на освещении улиц, например изменив источник электрической энергии для освещения «нового» моста через реку Волга. Изменить источник электрической энергии - это значит, во-первых, установить новейшие экономические и яркие лампы, во-вторых, установить под мостом экологически чистые источники энергии, такие как ветрогенераторы.

Сегодня более 28% электроэнергии Астраханская область вынуждена экспортировать по линиям электропередачи из Волгоградской энергосистемы. Цена энергозависимоти не была бы столь высока, если бы не ограничения потребителей длительностью от 2 до 6 часов в сутки в моменты пиковой нагрузки. Потребление электроэнергии в регионе растет, однако дефицит мощности не уменьшается и, по прогнозам региональных чиновников, увеличится к 2015 г. почти в 3 раза, до 480 МВт. Износ основных фондов в электроэнергетике достигает критических значений: полностью отработали срок эксплуатации 20% воздушных и 15% кабельных ЛЭП и более половины трансформаторов. Все это рано или поздно приведет к еще большему удорожанию тарифов на электроэнергию и мощность, а цена присоединения возрастет до заоблачных высот.

Одним из наиболее дальновидных способов преодоления этой сложной ситуации (помимо реконструкции уже имеющейся энергетической инфраструктуры и повышения энергоэффективности) является внедрение возобновляемых источников энергии. Генерация на их основе перспективна здесь еще и в силу того, что в Астраханской области существует широкий круг потенциальных потребителей “зеленой” электроэнергии - фермерские хозяйства и туристические базы.

Министерство по топливно-энергетическому комплексу и природным ресурсам Астраханской области, на основании экспертной оценки комплекса критериев, выделило следующие наиболее перспективные направления развития возобновляемой энергетики в регионе:

* Солнечная энергетика

Средняя продолжительность солнечного сияния на территории области составляет 2441 ч/год, а среднее суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность за год достигает почти 5000 МДж. По значениям этих показателей область сопоставима с Калмыкией и Краснодарским краем, лидерам в РФ по потенциалу использования солнечной энергии.

* Ветровая энергетика

Средние скорости ветра имеют тенденцию к росту с юга на север области и меняются в пределах от 3 до 4 м/c. Эти показатели являются достаточными для реализации экономически эффективных проектов автономных ветроэлектростанций мощностью от 4 кВт и выше, а также ветронасосных установок небольшой мощности.

Для нашего исследования мы предпочли ветровую энергетическую направленность, в связи с тем, что эта энергия наиболее постоянна, в отличие от солнечной (она зависит от времени года и суток).

Так как мы проживаем в регионе, где среднегодовая скорость ветра от 3 до 5 м/с, то рассмотреть возможность использования энергии ветра для получения электрической энергии мы считаем целесообразным и очень актуальным. Объектом исследования является электроэнергетика Астраханской области.

Проблема исследования: «Целесообразность размещения ветрогенераторов и LED ламп на улицах и мостах города Астрахани».

Основополагающий вопрос исследования: «Найти реальные пути решения экологических проблем Астраханского региона»

Цель нашего исследования: Исследовать пути улучшения экологической обстановки в Астраханском регионе.

Для достижения цели поставлены задачи:

- Исследовать литературу о конструкции и практическом использовании ветряков и LED ламп на Земле.

- Исследовать информационные источники о практическом использовании ветрогенераторов и LED ламп для экономии природных ресурсов, финансов и улучшения экологической обстановки окружающего мира.

-Провести сравнительный анализ высокотехнологичных LED светильников и ламп накаливания.

-Рассчитать оптимальное количество ветрогенераторов для получения электрической энергии достаточной для освещения экономичными и яркими LED лампами «нового» моста через реку Волга в городе Астрахань.

- Создание проекта по усовершенствованию освещения «нового» моста через реку Волга в городе Астрахань.

В ходе исследования использовались методы:

· Сбора информации,

· Анализа и систематизации собранной информации,

· Наблюдения, базирующиеся на фиксации и регистрации свойств различных конструкций ветрогенераторов и LED ламп,

· Статистических расчетов,

· Анализа и сравнения, позволяющие определить наиболее оптимальные варианты освещения и подачи энергии для максимального удобства и экономии.



1. Основная часть

ветрогенератор астрахань освещение мост

1.1 Ветрогенераторы

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) -- устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) -- полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС -- высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 7,5 МВт[7].

Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра и ометаемой площади

,

где -  скорость ветра,  - плотность воздуха,  - ометаемая площадь.

Строение малой ветряной установки

Некоторые современные бытовые ИБП имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с солнечными батареями или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.



Строение промышленной ветряной установки

1.Фундамент

2.Силовой шкаф, включающий силовые

контакторы и цепи управления

3.Башня

4.Лестница

5.Поворотный механизм

6.Гондола

7.Электрический генератор

8.Система слежения за направлением и

скоростью ветра (анемометр)

9.Тормозная система

10.Трансмиссия

11.Лопасти

12.Система изменения угла атаки лопасти

13.Колпак ротора



§ Система пожаротушения

§ Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора

§ Система молниезащиты

Типы ветрогенераторов

Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:

1. Крыльчатыеветрогенераторы имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру

Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает о= 0,42.

2. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра; ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (Рисунок 1,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.

3. Барабанные ветрогенераторы имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (Рисунок 1, г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.

Так как крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных и роторных, то в дальнейшем изложении мы будем говорить только о крыльчатых ветродвигателях.

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов

1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей.

Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными; если у ветроколеса более



2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).

3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.

4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.

5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.

6.Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.



1.2 Светодиодные и галогенные лампы

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emittingdiode) -- полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд -- стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение -- электролюминесценцию полупроводникового перехода.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда -- электроны и дырки -- рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например: кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связывают с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Цвета и материалы полупроводника

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:

Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
Инфракрасный	л > 760	ДU < 1.9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
Красный	610 < л < 760	1.63 < ДU < 2.03	Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый	590 < л < 610	2.03 < ДU < 2.10	Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый	570 < л < 590	2.10 < ДU < 2.18	Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Зелёный	500 < л < 570	1.9[3] < ДU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Голубой	450 < л < 500	2.48 < ДU < 3.7	Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата -- (в разработке)
Фиолетовый	400 < л < 450	2.76 < ДU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный	Смесь нескольких спектров	2.48 < ДU < 3.7	Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый	л < 400	3.1 < ДU < 4.4	Алмаз (235 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6] Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)[7] Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) -- (downto 210 nm)[8]
Белый	Широкий спектр	ДU ? 3.5	Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором;

Галогенные лампы.

Галогемнная ламмпа -- лампа накаливания, в баллон которой добавлен буферный газ: парыгалогенов (брома или йода). Это повышает время жизни лампы до 2000--4000 часов, и позволяет повысить температуру спирали. При этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000К. Эффективность массово производимых галогенных ламп пока (январь 2012) не может достигать 28 лм/Вт, большинство производимых 15-22 лм/Вт.

Принцип действия. Электрический ток, проходя через тело накала (обычно -- вольфрамовую спираль), нагревает его до высокой температуры. Нагреваясь, тело накала начинает светиться. Однако из-за высокой рабочей температуры атомы вольфрама испаряются с поверхности тела накала (вольфрамовой спирали) и осаждаются (конденсируются) на менее горячих поверхностях колбы, ограничивая срок службы лампы.

В галогенной лампе окружающий тело накала йод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама, препятствуя осаждению последних на колбе. Этот процесс является обратимым -- при высоких температурах вблизи тела накала соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё. В результате атомы вольфрама возвращаются на тело накала, что позволяет повысить рабочую температуру спирали (для получения более яркого света), продлить срок службы лампы, а также уменьшить габариты по сравнению с обычными лампами накаливания той же мощности.

Галогенные лампы одинаково хорошо работают на переменном и постоянном токе. При применении плавного включения срок службы может быть повышен до 8000-12 000 часов.

Цветопередача. Галогенные лампы обладают очень хорошей цветопередачей (Ra 99-100), поскольку их непрерывный спектр близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой 2800-3000K. Их свет подчёркивает тёплые тона, но в меньшей степени, чем свет обычных ламп накаливания.

Применение. Мощные галогенные лампы используются в прожекторах, рампах, а также для освещения при фото-, кино- и видеосъёмке, в кинопроекционной аппаратуре.

Галогенные лампы с небольшой температурой тела накаливания являются источниками инфракрасного излучения и используются в качестве нагревательных элементов, к примеру в электроплитах, микроволновках (гриль), паяльниках (спайка ИК-излучением термопластов).

1.3 Сравнительный анализ светодиодных и галогенных ламп

	Для светодиодов	Для галогенных ламп
Стоимость 1-го фонаря (без лампы)	5000	2570
Виды ламп	Светодиодная лампа	Галогенная лампа
Стоимость 1-ой лампы	549р	642р
Потребуется поменять ламп за 20 лет	1	5
Затраты на 1столб за 20 лет	549р	3210
Общая стоимость работ за 20 лет	776860р	449400р

На данном фото вы можете наблюдать явное отличие света испускаемого галогеновыми лампами от светодиодных ламп.



1.4 Проект изменения системы освещения «Нового моста» через Волгу в городе Астрахань

Наш проект состоит из 2-х этапов преобразования системы освещения «Нового моста» через реку Волга в городе Астрахань:

1. Подбор и замена светильников.

2. Подбор и установка наиболее рентабельных ветрогенераторов.

1 этап.

Проанализировав информацию мы сделали вывод, что светодиодные фонари более выгодны, чем все остальные (см. выше). Далее, проанализировав рынок сбыта уличных светильников, мы выбрали самый оптимальный вариант для установки вдоль дороги на «Новом мосту».



2 этап.

Согласно проделанным нами вычислениям, мы сумели установить, что в сутки нам требуется 4.2 кВт энергии для освещения моста. В связи с этим мы решили поставить два ветрогенератора мощностью по 3 кВт на каждую часть моста. Изучив конструкцию «Нового моста», мы пришли к выводу, что крепить ветрогенераторы наиболее целесообразно под мостом, как показано на картинке.



Данное расположение обусловлено тем, что разница температур в течение суток на границе суши и воды создает практически круглосуточный, достаточно мощный поток ветра + это защита от вандализма.

Анализ существующих моделей ветрогенераторов показал отсутствие моделей с расположением лопастей ветрогенератора вертикально вниз. Поэтому мы предлагаем собственную конструкцию ветрогенератора, состоящую из 1) контроллера заряда батареи; 2) аккумулятора; 3)инвертора; 4) стойки; 5) 3 лопастей.

В данных таблицах приведены расчеты по обоснованию экономической выгоды использования LED ламп для освещения «Нового моста» через реку Волга.

Период первых 20ти лет.

	Мы предлагаем	На данный момент
Затраты государства на освещение моста за 20 лет	1496860руб.	5912800 руб.
Выгода	4415940руб.



В связи с тем, что по истечению 20-ти лет не придется покупать светильники, мы получаем такое соотношение:

Период следующих 20ти лет.

Затраты государства на освещение моста за 20 лет	796860 руб.	5912800 руб.
Выгода	5115940 руб.



Заключение

Быстрый рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей технической деятельности человека в XXI. Развитие энергетики до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти и газа, наиболее удобных в потреблении. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. В начале 70-ых годов энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность энергетических ресурсов. Кроме того нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьём для интенсивно развивающейся химической промышленности. По этому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии. А также использование солнечной энергии в промышленности не окажет пагубного влияния на экологию нашей страны в будущем.

В ходе нашего исследования мы достигли поставленной цели, выполнили все задачи. При работе над проектом мы наиболее глубоко изучили темы «Электродинамика» и «Оптика». Мы познакомились с различными видами получения электрического тока. Мы пришли к выводу, что не ошиблись с выбором темы исследования, т.к. она актуальна не только в мировом масштабе, но и для нашего города.



Информационные источники

1. Кашкаров А. П.«Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции». Издательство: ДМК Пресс

2. Я.И.ШефтерИ.В.Рождественский «Изобретателю о ветрогенераторах и ветроустановках». Издательство: Министерство сельского хозяйства СССР. Год выпуска: 1957

3. Энциклопедия для детей «Аванта + Физика»

4. Г.Я. Мякишев, Буховцев. Физика 11 класс.

5. А.В. Пёрышкин, Физика 8 класс.

6. А.В. Пёрышкин, Физика 9 класс.

7. М.И. Аркуша. «Энергетика и окружающая среда»

8. Компьютерная энциклопедия «Кругосвет»



Приложение 1



Приложение 2



Приложение 3



Приложение 4

Солнечная батарея



Приложение 5

Ветрогенератор



Приложение 6

Виды светодиодов



Приложение 7

Применение светодиодов



Приложение 8

Выбранная ветроустановка



Приложение 9

Тарифы на электроэнергию в г. Астрахани.



Приложение 10



Приложение 11

Размещено на Allbest.ru