В работе рассматриваются преимущества и недостатки современных и разрабатываемых комплексов добычи энергии, выбирается наиболее совершенный тип двигателя с точки зрения экономичности и экологической чистоты, а также собирается модель солнечной батареи.

Актуальность: в связи с ухудшением экологической обстановки в мире, нас заинтересовал вопрос: «Можно ли уменьшить отрицательное воздействие автомобиля на окружающую среду, путём замены бензинового двигателя более экологичным типом двигателя?» Ежегодно человечество потребляет огромное количество электроэнергии, а именно 20,1 трлн кВт/ч. Чаще всего, для получения электроэнергии используются ГЭС и АЭС, но это отрицательно сказывается на экологии. За последнее десятилетие появились альтернативные источники энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низкого риска причинения вреда окружающей среде. Например, ветряные электростанции, которые питаются кинетической энергией ветра, геотермальные станции, которые питаются тепловой энергией горячих источников планеты, а также солнечные электростанции, питающиеся электромагнитными излучениями Солнца. Человечество вплотную подошло к решению мировых экологических проблем, путем внедрения альтернативных источников энергии.

Цель работы: показать преимущества альтернативного способа добычи энергии, путем применения солнечной батареи, не имеющей отрицательного влияния на окружающую среду и выбрать более экологичный тип двигателя для автомобиля.

Задачи:

1. Изучить различные источники информации по добычи энергии традиционным и альтернативным путем.

2. Изучить материалы по новым способам добычи энергии путем использования природных ресурсов, например, воды, солнечного света, ветра и т.п.

3. Обобщить, проанализировать изученные материалы.

4. Выявить достоинства и недостатки по каждому виду источников.

Этапы деятельности:

1. Сбор информации из различных источников литературы и интернет-ресурсов.

2. Анализ собранного материала.

3. Обобщение и выводы.

4. Разработка презентации и сообщения.

5. Демонстрация проекта на городском конкурсе проектов технического моделирования и конструирования «От идеи до воплощения».

6. Выступление в детских объединениях и мероприятиях.
 

В авто модельном кружке при ДТДМ мы занимаемся не только изучением ПДД, но и разбираем строение автомобиля и принцип работы различных его составляющих. В процессе обучения, в связи с ухудшением экологической обстановки в мире, нас заинтересовал вопрос: «Можно ли уменьшить отрицательное воздействие автомобиля на окружающую среду, путём замены бензинового двигателя более экологичным типом двигателя?». За последние десятилетие появились альтернативные источники энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низкого риска причинения вреда окружающей среде. Например, ветряные электростанции, которые питаются кинетической энергией ветра, геотермальные станции, питающиеся тепловой энергией горячих источников планеты. Мы рассмотрели множество вариантов, изучив различные источники информации и посоветовавшись с преподавателями в школе, но нас больше всего заинтересовала солнечная батарея, как источник энергии для автомобиля. По сути, солнце даёт нам почти всё: свет, тепло, углеводороды, питание… Если использовать энергию солнца с КПД, близким к 1%, то можно забыть про парниковый эффект, АЭС и т. п. Исходя из этого, мы решили самостоятельно собрать солнечную батарею, чтобы доказать преимущество такого способа добычи энергии, не имеющего отрицательного влияния на окружающую среду.

Солнечная батарея – несколько соединённых фотоэлектрических преобразователей – полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. 25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было сделано тремя сотрудниками компании – Кельвином Соулзером Фуллером, Дэрилом Чапин и Джеральдом Пирсоном. Уже через 4 месяца, 17 марта 1958 года, в США был запущен первый спутник с солнечными батареями. В наше время практически каждый может собрать независимый источник энергии на солнечных батареях. Распространены 2 типа фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют КПД до 17,5%, а вторые – 15%. Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи является её полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею. Солнечная батарея обычно состоит из кристалла кремния р-типа, покрытого кристаллом n-типа. Световое излучение вызывает высвобождение электронов и создает разность потенциалов, так что ток может течь между электродами, присоединёнными к этим двум кристаллам. Все волны, длиной короче 1 микрометра, могут вырабатывать электроэнергию. Солнечные батареи преобразуют в полезную энергию более 10% солнечного света. Панели из нескольких тысяч батарей могут вырабатывать энергию мощностью несколько сотен ватт. Процесс преобразования солнечной энергии в электроэнергию. Принцип действия солнечной фотоэлектрической батареи. Фотоэлектрическая солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей, электрически и механически соединённых друг с другом. Фотоэлектрический солнечный модуль – устройство, конструктивно объединяющее электрически соединённые между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеющее выходные клеммы для подключения внешнего потребителя. Фотоэлектрический элемент состоит из двух слоёв полупроводникового материала: один с незначительной примесью, которая придаёт ему свойства проводника отрицательных зарядов (область n), второй также с примесью, но она превращает его в проводник положительных зарядов (область р). Когда на солнечный элемент попадает солнечный свет, материал солнечного элемента поглощает часть солнечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток, когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.

Изготовить корпус из стеклоткани модели корабля 5 панелей солнечных батарей 66х95х6 мм. Номинальный ток каждой 200мА, напряжение 2В. Вместе 200мА, 10В. Но и этого должно было хватить, по расчетам нагрузки мы как раз попали со своим слабеньким движком и нагрузкой в точку максимальной мощности на ВАХ. Когда солнце в зените, все нормально работает. Испытания показали, что питания достаточно. Из замеров: напряжение холостого хода 7,56В при небольшой перистой облачности и среднем солнце (60 градусов над горизонтом); ток короткого – около 270-280 мА при тех же условиях; в рабочем режиме – 7В при токе 180-220мА. Батареи закрепили на пенопласте, чтобы удобно было снимать и одевать на палубу. Да и не утонут в крайнем случае. Корпус модели корабля выполняется наборной конструкции. Система набора – смешанная. Из 3-5 мм фанеры выпиливаются палуба, шпангоуты, транец и форштевень. Разметка всех деталей делается по шаблонам, которые, как и для других моделей, рекомендую сделать из жести. После выпиливания лобзиков все детали дополнительно обрабатываются до полного соответствия шаблонам. Следующая операция – подгонка деталей друг к другу. Если детали выполнены точно, то они обычно легко сопрягаются. Подогнанные детали выставляются на стапель в положении корпуса «килем вверх». Стапель представляет собой ровную доску или обрезок ДСП размером примерно 100х300 мм. В середину одной короткой кромки надо забить гвоздь для последующего крепления к нему киля и стрингеров. На стапель ложится лист бумаги или полиэтиленовой пленки, поверх него – палуба (кормовой частью в сторону забитого в стапель гвоздя). Палуба временно прибивается к стапелю мелкими гвоздями. Бумага или пленка не дадут набору приклеиться к стапелю. После этого к палубе приклеиваются шпангоуты, транец и форштевень. Пока набор склеивается, следует заняться изготовлением подставки. Когда клей просох, на поперечный набор устанавливается сначала киль из рейки сечением 5х10 мм, затем стрингера. Киль крепится к форштевню, шпангоутам и вбитому в стапель гвоздю скрутками из мягкой проволоки. Стрингера необходимо предварительно загнуть в приспособлении. Для этого рейки сечением 5х5 мм размачивают в воде, укладывают в приспособление и оставляют просушиться. Приспособление может выглядеть как доска с забитыми в нее двумя рядами больших гвоздей, расположенных на линии, повторяющей обводы модели по виду сверху. Предварительно изогнутые стрингера обычно легко ложатся на набор. Перед вклейкой стрингеров следует проверить соответствие формы и размеров пазов для них в шпангоутах и транце и при необходимости доработать их. Носовые концы стрингеров нужно срезать наискосок, чтобы они плотно прилегали друг к другу внутри паза на форштевне.

После того, как склеенный набор просох, его малкуют. Особое внимание следует обратить на малковку форштевня. Он должен малковаться со стороны каждого борта до середины своей толщины. Проверка качества малковки осуществляется проведением вдоль набора линейки, поставленной на ребро. Линейка должна одновременно плотно прилегать и к килю, и к стрингеру, и не задевать за выступы шпангоутов (но тоже плотно к ним прилегать). Сначала малкуются обе половины днища, затем набор аккуратно снимается со стапеля и малкуются борта. Обшивка вырезается из плотного картона. Разметка отдельных деталей обшивки выполняется непосредственно по корпусу. Для этого кусок картона закрепляется на наборе прищепками или скрепками и размечается. Вырезать заготовку обшивки нужно с припуском 3-4 мм на сторону. В первую очередь размечается половина обшивки днища корпуса. При этом заготовка обшивки должна закрывать только половину ширины киля. В этом случае обе половины обшивки днища соединятся на киле «в стык».

Изготовление движительной установки начинают с гребного вала. Для него подойдет велосипедная спица или отрезок проволоки диаметром 2 мм. Проволоку тщательно выпрямляют легкими ударами молотка, чтобы не сделать на ней вмятин и зачищают мелкой шлифшкуркой.

Гребной винт делают так же, как для силуэтной модели, но увеличенного до 30 мм диаметра. При пайке вал удобно зажимать в деревянной прищепке, на которую укладывается винт. Дейдвудная труда неплохо получается из трубочки от «Чупа-чупса». Нужно только слегка нагреть над пламенем свечи концы трубочки и немного обжать их, чтобы уменьшить диаметр. Таким образом, на концах дейдвуда образуются и подшипники скольжения, облегчающие вращение вала, и сальники, препятствующие попаданию воды внутрь корпуса. После обжатия следует проверить, как входит вал в дейдвудную трубу, и при необходимости рассверлить отверстия. В трубочке от «Чупа-чупса» имеется отверстие, через которое перед запуском модели шприцом заливается машинное масло. При вклеивании дейдвуда в корпус это отверстие должно быть расположено на передней его части и развернуто верх. Для установки дейдвуда в корпусе необходимо разметить и сделать отверстие. Для этого на днище размечается линия ДП, а на ней на расстоянии 80,85 и 90 мм от транца центры отверстий, которые надо просверлить сверлом диаметром 3 мм. Круглым надфилем эти отверстия растачиваются до образования одного продолговатого. При этом надо следить, чтобы при установке дейдвуда в отверстие наклон гребного вала к горизонту был как можно более пологим, а расстояние от лопастей винта до днища у транца было не более 203 мм. Для проверки положения гребного вала его необходимо соединить с валом двигателя отрезком хлорвиниловой трубочки (изоляции электропровода) подходящего диаметра. Можно использовать и велосипедный ниппель. Двигатель должен располагаться как можно ближе к килю возле первого шпангоута. При этом линия вала двигателя и гребного вала не должна иметь перегибов. Если перечисленные условия соблюдены, остается изготовить фундамент двигателя и вклеить все узлы в корпус.

Фундамент двигателя проще всего сделать из отрезка деревянной рейки, обработав ее в форме клина так, чтобы одна сторона клина плотно прилегала к килю, а другая – к нижней поверхности двигателя. В подогнанном по месту фундаменте просверливается поперечное горизонтальное отверстие, через которое впоследствии можно пропустить отрезок мягкой проволоки для крепления двигателя на фундаменте. При установке на корпус двигательно-движительного комплекса в первую очередь крепится фундамент. Когда он надежно приклеился к килю, к нему прикручивают двигатель и присоединяют к нему гребной вал. Конец гребного вала, выходящий наружу, можно временно зафиксировать с помощью резинового колечка. С наружной стороны корпуса отверстие под дейдвудную трубу заклеивается скотчем или изолентой. Это необходимо для герметизации отверстия клеем (лучше всего – эпоксидным). Корпус ставится на подставку и отверстие изнутри заливается свежеприготовленным клеем. После отвердевания смолы изолента убирается Лопастям винта придается закрутка, угол которой следует уточнить при пробных запусках. Руль модели вырезается из жести в соответствии с чертежом и закрепляется на транце мелкими шурупами. Для надежного крепления желательно изнутри подложить небольшой отрезок бруска, поскольку толщина транца невелика. Следующая операция – установка картонной палубы. Она размечается или непосредственно по корпусу, или по шаблону с припуском 3-4 мм на сторону. В палубе ножом-косячком вырезается среднее отверстие. При приклеивании палубы она прижимается к корпусу небольшими грузиками или булавками. После высыхания клея излишки картона удаляются. В нос и в корму от отверстия наклеиваются отрезки рейки сечением 5х5 мм и длиной 60 мм. Они необходимы для фиксации на палубе рубки. Можно наклеить рейки и по всему периметру отверстия, создав таким образом комингс, препятствующий стеканию воды с палубы внутрь корпуса. Определив, какой источник тока будет установлен на модели, для него необходимо сделать контейнер. Он должен надежно фиксировать батарейку от перемещения. Проще всего вырезать его из пенопласта и вклеить в корпус клеем ПВА. Последняя операция по изготовлению корпуса модели – его отделка и покраска.

Достоинства:

• Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей

• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить характеристику отражающей способности земной поверхности и привести к изменению климата

Недостатки:

• Зависимость от погоды и времени суток

• Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в ней. Не рентабельность в высоких широтах

• Необходимость аккумуляции энергии

• При промышленном производстве – необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности

• Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (индий, теллур)

• Необходимость периодической очистки отражающих/поглощающих поверхностей от загрязнения

• Нагрев атмосферы над электростанцией

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они вырабатывают электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем. Инженеры одного из американских университетов создали быстрый и легкий электромобиль, который прекрасно зарекомендовал себя с технической стороны. Главной особенностью электромобиля стал его малый вес – всего 280 кг. Питание электромобиля идёт от солнечной батареи, которая питает двигатель и подзаряжает литий-ионный аккумулятор, расположена она по всей поверхности кузова. Резервного источника питания должно хватить на 100 км.

Таким образом, мы видим, что солнечные батареи могут использоваться во многих отраслях производства, не нанося значительного вреда экологии. Конечно, аппараты, работающие на солнечных батареях не столь мощны, как работающие на топливе, но наука не стоит на месте, и мы верим, что в ближайшее время придёт эпоха экологически чистого транспорта, и наша планета сможет полностью восстановиться после разрушительного воздействия химических, атомных и других отходов. В нашей работе мы рассматривали возможность применения альтернативного источника энергии в качестве двигателя для автомобиля. В ходе работы мы пришли к выводу что, солнечные батареи являются наиболее современным и практичным источники энергии подходящим для работы транспортных средств. Конечно, этот источник энергии имеет недостатки, но их можно устранить путем усовершенствования конструкции, при условии достаточного финансирования и с учетом погодных условий каждой страны.