Исследовательская работа Устройство аварийного и дополнительного освещения

МБОУ Гимназия №11 г.Ельца
МБУДО « Детский оздоровительно-образовательный центр города Ельца»
(ДООЦ)


Региональная конференция-выставка
Общественных объединений научной молодежи
«Инновационные проекты общественных объединений
Научной молодежи Липецкой области и НКО
В области научно-технического творчества»


НИОУ МБОУ гимназия №11 г.Елец,
Ул. Радиотехническая д.3 г.Елец
Устройство аварийного и дополнительного освещения.
(Научно-исследовательская работа)
2015

Автор:
Нагорная Александра Игоревна,
Обучающаяся МБОУ гимназии №11 11 кл.
и «Детского оздоровительно-образовательного
центра г. Ельца» ,
объединение: радиоконструирование

Научные руководители:
Австриевских Наталья Михайловна-учитель физики МБОУ гимназии №11
Поваляев Борис Алексеевич-педагог дополнительного образования
(ДООЦ) Объединение: радиоконструирование.




План
I. Вступление
II. Основная часть
1.Альтернативные источники энергии.
2. Для чего требуется развивать солнечную энергетику?
3. Солнечная энергия
4. Прибор для эксперимента.
III.Заключение
IV.Список использованной литературы









































Вступление
В современном мире, с растущими показателями потребления и как следствие - ограниченными энергоресурсами, стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из альтернативных, возобновляемых источников. К таким источникам относятся, в первую очередь, солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов.
Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе.  Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы энергоснабжения уже существующих объектов. Наша работа освещает изучение физических явлений на более глубоком уровне. Новизна, актуальность и сложность данной научно-исследовательской работы была в том, что данная тема является неосновным, но с более детальным изучением данного явления в курсе физики, приобретенный опыт позволит использовать данный прибор непосредственно в темных помещениях, при этом получив аварийное и дополнительное освещение.
В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, Интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что используя в своих опытах устройство аварийного и дополнительного освещения можно использовать в экстренных случаях, когда нет электричества. Оригинальность нашей работы была в создании модели по схеме, в интеграции предметов (физики, электротехники, экологии). Создав модель и проводя эксперименты, мы более глубоко изучили техническое содержание темы, более детально изучили некоторые физические явления (альтернативные источники энергии). То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой. Знания и умения, которые мы получили в ходе работы с измерениями оставили огромный след в нашей жизни и чувство эстетического наслаждения. То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой.
Альтернативные источники.источникэнергии
Ни для кого не секрет, что в наше время происходит глобальное увеличение загрязнения окружающей среды, что приводит к нарушению теплового баланса в атмосфере планеты,,уменьшению чистой воды и чистого воздуха, которым мы с вами дышим. Использование привычных источников энергии в немалой степени способствует этому.
Цены на энергию постоянно растут в связи с неумолимо растущими потребностями человечества. Однако, выход есть и он уже очевиден - это переход на альтернативные источники энергии. Так уже поступают самые развитые государства. И не только те, что не имеют своих источников энергии и вынуждены постоянно закупать ресурсы у других стран, но и те, кто думает о будущем и понимает, что ресурсы не безграничны и сохранив хоть часть их сегодня дадут ему возможность на существование потом.
Нехватка энергии и постоянное ограничение топливных ресурсов, аппетит к которым растет не как раньше по дням, а уже измеряется в секундах, ведет к неизбежному переходу в ближайшем будущем к альтернативным источникам энергии. Данные источники альтернативной энергии экологически чисты, так как основой их работы является солнечная энергии, энергия ветра, энергия земли, биоэнергия.
На данный момент времени общее потребление энергии в мире составляет приблизительно 1050 млрд. кВт/ч в год. Россия от общего мирового потребления энергии потребляет около 5 %.Уголь составляет 80% запасов органического топлива на планете. В наше время уголь становиться все менее популярным. Да, это относительно дешевый ресурс, который нам предлагает наша с вами планета. Но его добыча становиться с каждым годом более трудоемким предприятием, которое постоянно требует увеличения ресурсов на разработку данного вида топлива. По данным международных экспертов в ближайшем будущем добыча нефти и природного газа начнет сокращаться. Надо учитывать, что данные виды топлива постоянно растут в цене из-за постоянно сокращающихся мировых ресурсов. Даже открытие новых месторождений не может повлиять и стабилизировать цены, так как на их разработку и добычу с каждым разом приходиться тратитьвсе больше и больше времени и средств. Все это в ближайшем будущем приведет к снижению мирового господства данных видов источников энергии и их доля в топливно-энергетическом балансе снизится к 2030 году с 65% до 20 %.Что касается гидроэнергетики, на которую приходится в настоящее время 1,5% общего производства энергии в мире, то такой малый процент можно считать лишь вспомогательным ресурсом к общему получаемому запасу энергии страны, которая данным ресурсом обладает.
Виды альтернативных источников энергии
К ним можно отнести тепло Земли (геотермальная энергия), энергия Солнца, энергия ветра, тепла морей, морских волн и океанов, а также гидроэнергетика: морские приливы и отливы, биогазовые, тепло насосные установки и другие преобразователи энергии. В данном большом выборе лишь возобновляемые источники энергии, могут представлять реальную альтернативу привычным намтрадиционным источникам энергии в будущем и в настоящем.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Солнце - это самый сильный источник энергии.
Общее количество солнечной энергии, попадающей на поверхность земли в почти 7 раз больше мирового потребления ресурсов органического топлива. Если человечеству удастся использовать хотя бы 0,5% от всего поступления солнечной энергии, то этого бы хватило, чтобы восполнить мировую потребность в энергии на несколько тысячелетий.Преобразование солнечной энергии в электрическую имеет массу достоинств. Прежде всего это 100% надежность - Солнце от нас никуда не денется по прогнозам ученых еще несколько миллионов лет. Также это чистый и соответственно безопасный для здоровья источник энергии.
Конечно данный вид энергии невозможно применять в регионах, в которых в следствие климатических особенностей бывает мало или почти не бывает солнечных дней (хотя современные солнечные батареи обладают свойством накапливать энергию).В таком случае можно вести речь об использовании энергии ветра, как отдельного вида, так и вкупе с солнечной энергией.
ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Энергия ветра на земле неисчерпаема. Возникновение ветра происходит благодаря неравномерному распределению атмосферного давления. Из-за того, что атмосферное давление постоянно меняется, меняется и направление, и скорость ветра. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, потому, что стоимость ветра равна нулю - это во-первых, а во-вторых для ее получения не требуются другие источники энергии кроме самого ветра. На сегодняшний день ветроэнергетика получила огромное распространение, особенно в странах с ограниченными природными ресурсами. Что привело их к развитию альтернативных источников энергии. Большое количество примеров использования данной отрасли энергетики можно наблюдать в Европе. Отрасль, занимающаяся преобразованием энергии ветра (кинетической энергии) в электрический ток, называется ветроэнергетика. Наиболее популярным на сегодняшний день является применение ветро-генераторов. Они широко применяются как в крупных масштабах, это огромные электростанции, так и в малых, для частного пользования.Россия в данном сегменте рынка альтернативных источников занимает пока одно из последних мест среди равных себе стран при этом имея все неисчерпаемые возможности для развития данного рынка. В России валовой потенциал ветровой энергии - 80 трлн. кВт/ч в год, а на Северном Кавказе - 200 млрд. кВт/ч (62млн. т условного топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин технического потенциала органического топлива. Большинство регионов нашей страны совсем не имеют линии электропередач в силу крайней удаленности. Ветроэнергетика в России имеет большие перспективы, но на сегодняшний день только начинает свое развитие.
С 1990 г. производство солнечных элементов (СЭ) увеличилось более чем в 500 раз. Мировой оборот в этой индустрии составил в 2010 г. 82 млрд долл. В свою очередь, непрерывно растут инвестиции в солнечные технологии с 40 млрд евро в 2010 г. до (как ожидается) более чем 70 млрд евро в 2015 г.


Производство солнечных батарей (ГВт в год) по регионам и годам

Для чего ещё требуется развивать солнечную энергетику?
Представители элит развитых стран хорошо понимают, что «солнечная» промышленность – сильный мотор для технической, технологической и экономической модернизации, поскольку решающую роль в ней играют инновационные технологии. Государство, развивающее эту промышленность, получает в качестве «бесплатного бонуса» лидерство в электронике, военной технике и других жизненно важных для интересов государства областях. Это связано с тем, что поддерживающая «экосистема» одинакова как для «солнечной» промышленности, так и электроники – образование, научные школы, НИР, производители материалов и пр.;
Снижение выбросов парниковых газов (напомним, эта проблема вполне реальна, независимо от того, как относиться к причинам запуска механизма «разбалансировки») к 2030 г. может составить 900 млн тонн СО2.
Солнечная энергетика – крупный работодатель. Благодаря развитию альтернативной энергетики в последние годы в Германии создано более 300 тысяч новых рабочих мест. Солнечная энергетика может обеспечить работу как высококвалифицированных кадров (планирование, менеджмент, научные разработки), так и просто квалифицированных рабочих (установка, серийное производство). К 2030 г. в мире возможно создание в солнечной энергетике 2,6-3,5 млн рабочих мест/год.
Как только солнечная энергетика стала пробивать себе дорогу в мир большой электроэнергетики, вскрылись проблемы, присущие традиционной электроэнергетике. Корень «зла» для электроэнергетики заключён в неравномерном графике нагрузки, как суточном, так и годовом. Мощность электросети должна рассчитываться на пиковые нагрузки, а в остальное время энергия остается невостребованной.
Современная «турбинная» электроэнергетика не обладает необходимой гибкостью. Турбины нельзя включать и останавливать когда угодно. Это обстоятельство приводит к необходимости существенного завышения общих мощностей. В фото энергетике проблема усугубляется еще и 100-процентной (ночь-день) вариацией мощности. Однако умножение двух «минусов» при использовании в единой энергосистеме дает «плюс».
Солнечная энергетика включается с восходом солнца. В крупных странах уже сегодня возможно использование комбинированной энергосети, в которой потребители электроэнергии распределены по часовым поясам, в результате чего энергия передаётся в те районы, где наступает пик потребления из тех районов, где светит солнце. Контуры такой единой «умной» энергосистемы, созданной без избыточных мощностей, сегодня только прорабатываются, но они вполне заметны.

«солнечный парк» в германском местечке Арнштейн интересен не размерами («всего» 12 МВт пиковой мощности), а тем, что тут применяется двухосевая система слежения за солнцем.

Солнечная энергия.
Солнечная энергия преобразуется в электрическую при помощи фотоэлектрических кремниевых ячеек, составляющих солнечные батареи. Солнечные электростанции не производят вредных выбросов в атмосферу и экологически безопасны, а источник их энергии - неисчерпаем. Но количество генерируемой фотоэлектрическими ячейками энергии напрямую зависит от солнечной активности, поэтому для круглосуточного использования их комплектуют аккумуляторными батареями. Солнечные электростанции могут круглогодично снабжать электроэнергией дома, здания и целые поселки.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Солнечная бата
·рея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой. Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода p-слой (дырочная проводимость). Ток в n-слоя создается движением электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются. На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, который может создавать разность потенциалов за счет попадания на него лучей света.

Устройство аварийного и дополнительного освещения.
Цель работы: разработать и изготовить устройства аварийного и дополнительного освещения на солнечных батареях без выноса последних к источнику естественного света.
Задачи
1. провести экспериментальные работы.
2. разработать схему электрическую принципиальную устройств.
3. выбрать радиоэлементы схемы
4. рассчитать номиналы радиоэлементов схемы
5. разработать и изготовить два варианта конструкции устройств
Гипотеза:
А можно ли вместо естественного света применить искусственное освещение?

Методы:
Эксперимент и наблюдение
Сборка устройства по схеме, а так же теоретический анализ научной литературы по данной проблеме.

В настоящее время разработано много различных устройств с применением солнечных батарей. Батареи устанавливаются как можно ближе к естественному свету, например на окне помещений. От них вырабатываемое напряжение по проводам подается на аккумуляторы устройств. Аккумуляторы заражаются током солнечных батарей, и в дальнейшем осуществляется питание осветительных ламп и др. Обычно осветительные лампы применяют светодиодные с низким напряжением и малым током потребления. Как мы видим, для нормального функционирования таких осветительных устройств нужен естественный свет. А можно ли вместо естественного света применить искусственное освещение? Проведем экспериментальную работу. Возьмем обыкновенный стандартный светильник НПП3006 (можно любой другой) с патроном Е27. Вкрутим в патрон энергосберегающую лампу модели 2U-12 мощностью 13Вт, напряжением 220В.
Соберем простую схему, рис.1.




А1-элемент солнечной батареи( можно применить от калькулятора)
А2- лампа энергосберегающая; модель 2U-12, 13W, 220V/ 50 Hz
R=1кОм- резистор, ограничивающий ток элемента с.б., сопротивление нагрузки
РV1-вольтметр( 0-3 В)
РА1-миллиамперметр( 0-3 мА)

Включим лампу в сеть 220В. Поднесем элемент с.б. к лампе на расстояние 3-5 см. В нашем эксперименте показания вольтметра будут в пределах 1,9-2,1 В, миллиамперметра- 1.7-2 мА. Возможно отличие показаний приборов от указанных, в зависимости от размеров элемента солнечной батареи. Таким образом, солнечная батарея может работать не только от естественного света, но и от искусственного. Это позволяет выполнить намеченную цель работы. Разработаем электрическую принципиальную схему устройства, рис.2. В связи с тем, что мы будем применять аккумулятор от сотового телефона напряжением 3,7 В, то солнечная батарея А1 должна выдавать напряжение больше, чтобы создать ток зарядки. При последовательном соединении трех элементов с.б. при освещении их лампой выходное напряжение может составить 5,7-6,3 В. При включенной лампе А2 и освещении ею солнечной батареи вырабатываемое напряжение подается на контрольный светодиод VD1 через резистор R1. Резистор R1 выбирается на небольшой ток светодиода, чтобы создать небольшое свечение( лишний расход тока с.б. не нужен). Далее напряжение с.б. подается через ограничительный резистор по току R2, диод VD2, нормально закрытые контакты тумблера SA1 на аккумулятор. Происходит заряд аккумулятора. Диод VD2 выбран с малым падением напряжения в прямом направлении 0,3-0,5 В, для уменьшения потери при зарядке аккумулятора и введен схему для предотвращения медленного разряда аккумулятора, при выключенной лампе. Когда аккумулятор подзарядится, переключим тумблер на светодиодный фонарь. Фонарь ярко загорится.



Устройство аварийного и дополнительного освещения.
(принципиальная электрическая схема).



А1- Солнечная батарея из трех элементов
А2- Лампа энергосберегающая: модель 2U-12, 13W, 220В/50Hz
А3- фонарь с семью светодиодами сверхяркого свечения (белые)
VD1- светодиод сверхяркого свечения синий (красный)
VD2- Диод Д310 (Д311А, Б)
R1- Резистор МЛТ-0,125-15кОм
R2- Резистор МЛТ-0,125-1,8кОм
R3*- Резистор МЛТ-0,5-27Ом( подбирается при регулировании)
GБ1- Аккумулятор (от сотового телефона)
SA1- Тумблер ТП1-2





Использование.

Его можно использовать в качестве аварийного освещения при выключенной лампе и дополнительного при включенной. Рассчитаем номиналы резисторов согласно схеме, рис.2.
I 1. Среднее значение выходного напряжения с.б.- 6В
2. Минимальное значение напряжения свечения светодиода VD1- 1,5В
3. Выбранный ток нужного свечения светодиода-0,3мА
R(кОм)=U(В)/I(мА)
R1=(6-1,5)/0,3=15кОм
II 1. Максимальное значение выходного напряжения с.б.-6,3В
2. Напряжение аккумулятора-3,7В
3. Ток подзарядки аккумулятора 1,3-1,5мА
R2=(6,3-3,7)/1,5=1,73кОм
Выбираем резистор- R2=1,8кОм:
При расчете номинала резистора R2 диод VD2 можно не учитывать, т.к. падение напряжения на нем в прямом направлении составляет всего лишь 0,3-0,5В.
Примечание: Выбор слабого тока подзарядки аккумулятора, равный 1,5 мА, подтвержден использованием собранной схемы в течение шести месяцев с положительными результатами и не приводит к порче аккумулятора.
Возможно отличие показаний приборов от указанных, в зависимости от размеров элемента солнечной батареи. Таким образом, солнечная батарея может работать не только от естественного света, но и от искусственного. Это позволяет выполнить намеченную цель работы.
Проведем эксперимент, используя разные лампы. Данные занесем в таблицу 1.

Таблица 1
Лампа
Ток цепи, мА
Напряжение цепи, В

Энергосберегающая(ртутная)
2U-12 13W 220V 50Hz
1,9
2

Накаливания
60W 220V 50 Hz
1,8
1,8

Светодиодная LB42
10W 220V 50Hz
2,2
2,3


Таким образом, можно прийти к выводу, о том, что наиболее эффективно использовать светодиодные лампы. На основе данных таблицы и для их наглядного представления построим диаграмму.

13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s 1415

Для сравнения при использовании того же элемента солнечной батареи при естественном освещении показания приборов представлены в таблице 2.

Таблица 2
Погодные условия
Ток цепи, мА
Напряжение цепи, В

Ясно(солнечно)
2,5
2,6

Облачно
2,3
2,3

Пасмурно
2,0
2,1

При сравнении данных, занесенных в таблицы 1,2 показания приборов отличатся в среднем на 10-15%.

III. Специального расчета номинала резистора R3 не проводим. Его номинал зависит от количества светодиодов фонаря А3 и нужной нам силы освещения.
Конструкция устройства
I вариант, фото 1-6
Первую конструкцию соберем по схеме рис.2 в корпусе светильника НПП3006, внутри которого есть только патрон Е27 для лампочки. Над патроном установим на стойках отражатель фонаря с семью светодиодами сверх яркого свечения белого цвета. На отражателе на планке закрепим контрольный светодиод солнечной батареи синего свечения (или красного). Тумблер и аккумулятор установим на боковой стенке светильника. Аккумулятор закрепляется с помощью прямоугольной скобы и винтов М3х10 с гайками. Радиоэлементы R1, R2, R3,VD1 устанавливаются на печатную плату, которая закрепляется винтами к свободным отверстиям светильника. На дно светильника устанавливается солнечная батарея под лампочкой на расстоянии 3-5см. Сетевой провод лампочки выводится с боковой стенки светильника. Монтаж схемы проводим проводом НВ-0,2мм2 осталось надеть плафон на светильник и устройство аварийного и дополнительного освещения готово.
Рис.1


[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.2
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.3
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.4
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.5

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.6

II вариант, фото 7-10
Вторая конструкция разработана и изготовлена к люстре, состоящей из пяти ламп с плафонами. В центре люстры устанавливается отдельный фонарь со светодиодами аварийного и дополнительного освещения. В корпусе фонаря размещаются радиоэлементы схемы, аккумулятор, проводится монтаж схемы. На боковой стенке устанавливается контрольный светодиод с.б. и выключатель, который работает с помощью цепочки. Над одним из плафонов на расстоянии 3-5 см размещается солнечная батарея, которая соединяется с фонарем изогнутой медной трубкой диаметром 5мм. Внутри трубки закладываются соединительные провода. Конструкция съемная.
Преимущества устройств:
1. Устройства можно использовать непосредственно в темных помещениях, при этом получив аварийное и дополнительное освещение.
2. Необязательное для работы устройства естественное освещение.
3. Компактность конструкций.
Экспериментальная эксплуатация устройств показала, что подзарядка аккумулятора в течение 12 часов от включенной указанной лампы обеспечивает 1 час непрерывной работы фонаря с семью светодиодами сверх яркого свечения. Количество циклов подзарядки прямо пропорционально времени работы фонаря. При использовании энергосберегающих ламп свыше 20 Вт в устройствах, необходимо увеличить расстояние между солнечной батареей и лампой.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Рис.7


[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис.8


[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.9



Рис.1
Заключение.льтернативнисточники энергии и выгоды их использования
Эффективность использования тех или иных альтернативных источников энергии напрямую зависит от региона, в котором необходима установка. Качественный мониторинг энерго-потенциала позволяет определять наиболее подходящую технологию и рассчитывать ее окупаемость на годы вперед, а так же исключает ошибки связанные с региональными особенностями.
Конечно, первоначальную цену энергонезависимого дома, с экологически чистыми, возобновляемыми источниками энергоснабжения, сегодня нельзя назвать низкой, но по истечении двух - пяти лет эксплуатации альтернативные источники энергии полностью окупают свою стоимость и приносят ощутимую финансовую выгоду в течении многих лет.  Не стоит забывать о экологичности альтернативных технологий добычи энергии. Солнечные, ветровые и гелиоустановки не производят вредных выбросов в атмосферу, не загрязняют воду и безопасны для человека.

Новизна данной работы заключается в том, что для солнечных батарей используется не естественный свет, а искусственное освещение, от которого и подзаряжается аккумулятор, что позволяет создать компактное устройство аварийного и дополнительного освещения и более эффективно использовать электроэнергию. В перспективе устройство можно разработать, например, для цехового аварийного и дополнительного освещения на предприятиях. Установить в корпусе панель с солнечными батареями. Над панелью- лампы искусственного освещения. Так же установить фонарь аварийного и дополнительного освещения, аккумулятор. Таким образом, изготовив и введя в эксплуатацию такие светильники, мы резко повысим энергосбережение. На мой взгляд, преимущество будущей работы еще и в том, что исчезает необходимость выносить солнечные батареи к естественному свету, тем более на улицу, где они будут подвергаться атмосферным влияниям.



IV. Список литературы.

Журнал для старшекласников и учителей «Потенциал» №6 -2014
О.Ф.Кабардин «Физика-8»,Москва «Просвещение» 2012
Ю.И. Дик, О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов «Физика-10», под редакцией А.А. Пинского, Москва «Просвещение» 2010
ru.wikipedia.org
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]












13PAGE \* MERGEFORMAT142015




Солнечная энергияРисунок 3Солнечная энергияЭнергия ветраРисунок 4Энергия ветрасолнечные панелиРисунок 30солнечные панелисолнечные панелиРисунок 1солнечные панелиRoot Entry