Создание мобильного демонстрационного стенда "Возобновляемые источники энергии"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО НИУ "Московский энергетический институт"

Создание мобильного демонстрационного стенда "Возобновляемые источники энергии"

В.Д. Свистунов, М.С. Богомолова

Аннотация -- проблема выбора будущей профессии стоит перед каждым выпускником. Для проведения профориентации будущего поколения необходимо продемонстрировать и заинтересовать абитуриента в том, с чем он будет работать. Наиболее наглядно это показывает натурное оборудование, однако лабораторные стенды велики по размеру и негодны для показательной демонстрации работы возобновляемых источников энергии. Наличие портативного макета основных нетрадиционных источников энергии сильно упростит задачу демонстрации их работы.

Ключевые слова -- ветрогенератор, солнечная панель, автономное энергоснабжение, демонстрационный стенд.

CREATING THE MOBILE DEMONSTRATION STAND "RENEWABLE SOURCES OF ENERGY"

Vladomir Svistunov, Marija Bogomolova

Abstract --The problem of choosing a future profession is facing each graduate. To conduct vocational guidance for the future generation, it is necessary to demonstrate and interest the entrant in what he will work with. This is most clearly demonstrated by full-scale equipment, but laboratory stands are large and not suitable for demonstrating the work of renewable energy sources. The presence of a portable model of basic non-traditional energy sources will greatly simplify the task of demonstrating their work.

Key-words -- wind generator, solar panel, autonomous power supply, demonstration stand.

Назначение стенда

Возобновляемая энергетика - это будущее технологий человечества и знакомство людей с ней очень важно для современного общества.

Кафедра "Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии" (ГВИЭ) ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ" проводит активную проф.ориентационную работу среди учеников средних школ Москвы и других регионов России. В рамках этой работы часто возникает необходимость наглядно продемонстрировать принципы функционирования электроэнергетических установок на основе возобновляемых источников энергии. В случаях, когда профориентационные мероприятия проводятся вне МЭИ, сотрудникам кафедры ГВИЭ необходимо иметь при себе мобильную версию демонстрационного оборудования.

К разрабатываемому образцу мобильного демонстрационного стенда "ВИЭ" предъявляются следующие требования:

массогабаритные характеристики не должны превышать 3 кг и размеров переносимого чемодана;

стенд должен работать от сети 220 В переменного тока, при этом потребляемая мощность не должна превышать 25 Вт;

демонстрация принципов работы ветроэнергетической установки(ВЭУ), для этого следует использовать ветрогенератор и источник ветра (вентилятор);

демонстрация принципов работы солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), для этого следует использовать солнечную фотоэлектрическую панель и источник направленного света;

для наглядной демонстрации работы энергоустановок на основе ВИЭ предусмотрен набор потребителей энергии в составе светодиодной ленты и нескольких одиночных светодиодов.

демонстрационный стенд должен быть удобен в эксплуатации, понятен для человека, который использует данный макет и для людей, наблюдающих за работой макета

работа с макетом должна быть безопасной и эффективной, причем конструкция и принцип работы должен позволять эксплуатировать стенд пользователю без серьезной подготовки

На рисунке 1 представлена фотография работающего демонстрационного стенда, выполненного в деревянном чемодане.

Рис. 1Фотография демонстрационного стенда "ВИЭ"

Демонстрационные энергоустановки

Ветроэнергетическая установка

Ветроэнергетика - это способ получения различных видов энергии, основанный на использовании энергии, возникающей при движении воздушных масс, то есть, попросту говоря, на использовании энергии ветра.

Энергия ветра использовалась человечеством с давних пор. Именно энергия ветра столетия двигала парусные корабли, позволяя пересекать океаны, энергия ветра использовалась и в мельницах, она же применялась при орошении полей и осушении земель. И тогда, когда человечество открыло для себя пользу электричества, вновь внимание было обращено на энергию ветра: в XIX столетии активно строились ветряные электростанции для промышленного производства электроэнергии.

В России всплеск интереса к ветряным электростанциям пришелся на 20-е годы ХХ столетия. Установка "коммунизм есть советская власть плюс электрификация всей страны" потребовала не только модификации властных структур, но и обеспечения "лампочками Ильича" громадных территорий государства.

Были разработаны ветряные электростанции для сельского хозяйства, которые могли изготавливаться прямо на месте, а материалы для их производства были общедоступны. Эти установки использовались как для освещения, так и для хозяйственных нужд (например, для мельниц). Обычный "крестьянский ветряк" мог обеспечить освещение крупной деревни - до двухсот дворов. При этом не возникало никаких проблем с передачей электроэнергии. [4]

ВЭУ использует кинетическую энергию воздушного потока, рабочее колесо ВЭУ преобразует её в механическую энергию вращения, а электрогенератор производит дальнейшее преобразование в электромагнитную энергию. Электрическая мощность ВЭУ определяется соотношением [1, 3]:

(1)

где, - плотность воздуха (кг/м³); - ометаемая площадь ветроколеса (м²); - скорость ветра (м/с);

- коэффициент полезного действия ВЭУ (о.е.).

Основной особенностью ВЭУ является сильная зависимость от , которая сильно меняется в реальных условиях, что, например, видно на рисунке 2.

Для демонстрации указанной особенности в мобильном стенде "ВИЭ" в качестве ветрогенератора был использован двигатель переменного тока на 24 вольта, а в качестве ветроколеса были задействованы лопасти от компьютерного кулера. Двигатель, работающий в качестве генератора имеет малый момент запуска и при этом, при небольшой скорости вращения обеспечивает мощность, необходимую для обеспечения работы потребителей макета. Источником ветра является компьютерный кулер. Имеется возможность располагать его на разном расстоянии от ВЭУ, тем самым моделируется работа ветрогенератора при разной скорости ветра.

Солнечная фотоэлектрическая установка

Солнечная энергетика - это направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.

Рис. 2 График изменения скорости ветра в течении суток

Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость так усовершенствовать имеющиеся технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.

Производство электроэнергии из солнечной энергии -- тема очень актуальная и интересная для многих государств в сегодняшнее время. Малые солнечные электростанции могут обеспечить электроэнергией дома, предприятия, общественные здания и сохранят богатство глубинных недр земли. Большие солнечные энергетические системы способны вырабатывать неограниченное число электроэнергии и способствовать развитию электроэнергетической отрасли в мировом масштабе.

Фотоэлектрические элементы, названные в ученой среде как солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов и служат для выработки электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров, объемов и форм. Их чаще всего объединяют между собой в фотоэлектрические модули, а модули -- соединяют в фотоэлектрические батареи.

Фотоэлектрические элементы, фотомодули и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Понятие фотогальваники или выработки тока из солнечной энергии, можно в буквальном смысле охарактеризовать, как свет и электричество[5].

Выработка электроэнергии СФЭУ происходит за счет непосредственного преобразования энергии света, падающего на солнечную панель в электрический ток. Работа солнечных панелей основана на свойствах полупроводников: фотоны выбивают электроны с поверхности полупроводников, а направленное движение большого количества свободных электронов создаёт электрический ток. Электрическая мощность СФЭУ определяется соотношением [1, 2]:

(2)

где - площадь солнечной панели (м²); - коэффициент полезного действия СФЭУ (о.е.); - суммарная интенсивность солнечной радиации на солнечную панель (Вт/м²).

В реальных условиях интенсивность солнечной радиации сильно меняется во времени, что демонстрируется на рисунке 3.

Для демонстрации работы солнечной электростанции, была использована солнечная панель шириной 0,25 м и высотой 0,2 м, которая представлена на рисунке 4. Ее характеристики позволяют генерировать напряжение и силу тока, которая необходима для обеспечения питания потребителей в демонстрационном макете. Освещение данной панели выполнено с помощью прожектора, работающего от сети 220 В и имеющего мощность 20 Вт, который представлен на рисунке 5. Его конструкция выполнена таким образом, что угол наклона прожектора может варьироваться в пределах от 0 градусов до 150 градусов, относительно нормального состояния солнечной панели.

Электрическая схема

Электрическая схема демонстрационного стенда представлена на рисунке 6. Потребители электрической энергии нужны для наглядности демонстрации выработки энергии при работе электростанций. В качестве них была использована светодиодная лента и несколько более мощных одиночных светодиодов. Также могут использоваться любые другие потребителя подключающиеся от стандартного разъема USB 2.0.

Потребители энергии в макете используют постоянное напряжение. Поэтому, для того чтобы, они работали, необходимо преобразовать переменное напряжение в постоянное, что было сделано с помощью диодного моста. Напряжение с ветрогенератора подавалось на диодный мост, а после, выпрямленное напряжение питало потребителей энергии. Также, для выравнивания кривой напряжения, можно использовать конденсатор, подключенный параллельно к потребителю.

Рис. 3 График изменения интенсивносим солнечной радиации в течении суток

Рис. 4 Солнечная панель

Для контролирования работы микроэнергетической системы, необходимо всегда измерять параметры электрических цепей, входящий в демонстрационный стенд. Необходимо измерять напряжение и ток на выходе из источника энергии, тем самым фиксировать мощность и выработку электроэнергии того или иного источника энергии.

Рис. 6 Светодиодный прожектор

Результаты

Демонстрационный стенд показал высокую эффективность и наглядность в работе. Его не раз использовали на различных мероприятиях, таких как: день открытых дверей в МЭИ, День старшеклассника в г.Подольск (19 апреля 2017 г.), Университет мечты в НИУ "МЭИ", мастер-класс "Возобновляемые источники энергии" в рамках XXVI Московской открытой инженерной конференции школьников "Потенциал" (18 февраля 2017 г.) и других подобных мероприятиях, на которых необходимо было продемонстрировать работу возобновляемых источников энергии. Возможность увидеть своими глазами миниатюрную модель ветрогенерирующей и солнечной электростанции, дает представление об энергии солнца и ветра. Многие кто видел данные стенд, интересовались данными вопросами, что помогло лучше понять суть работы возобновляемых источников энергии, которые все более популярны. Данный стенд помогает повысить техническую грамотность в вопросах возобновляемой энергетики, дает наглядное представление её работе, а также позволяет подготовить подрастающее поколение к использованию "зеленой энергии", то есть энергии будущего.

Рис. 7 Электрическая схема подключений в демонстрационном макете "ВИЭ"

демонстрационный энергия возобновляемый

Список литературы

1. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии/ Дж. Твайделл, А. Уэйр. Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 392 с.

2. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., CОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И. Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008.

3. Ветроэнергетика: учебное пособие / А. Г. Васьков [и др.]. - М.: Издательство МЭИ, 2016.

4. С.Варган. Ветроэнергетика: перспективы, плюсы и минусы [Электронный ресурс] / Альтернативная энергия. 2015. URL: http://altenergiya.ru/veter/vetroenergetika-plyusy-i-minusy.html (дата обращения: 10.05.2017).

5. Солнечная энергетика. Солнечная электростанция. [Электронный ресурс] / Все об электростанциях. 2012. URL: http://www.gigavat.com/ses.php (дата обращения: 12.05.2017).

Размещено на Allbest.ru