Шағын жел генераторын жасау және оның тиімділігін зерттеу

Каналбай Ердаулет
Орманбек Дінмұхамед
Жексембай Нұрдулат
М.Х.Дулати атындағы Тараз Университеті, 
6В01502-«Физика мұғалімдерін даярлау» мамандығының 4-курс студенті.

Жетекшісі: Оразымбетова Г.Х.
М.Х.Дулати атындағы Тараз Университеті
«Физика және информатика» кафедрасының аға оқытушысы

Андатпа

Бұл ғылыми жобада жел энергиясын электр энергиясына айналдыратын шағын жел генераторы жасалып, оның жұмыс тиімділігі зерттелді. Зерттеу барысында жел энергиясының физикалық табиғаты, энергияның бір түрден екінші түрге айналу принциптері және жел генераторының құрылымдық элементтері қарастырылды. Қолда бар материалдарды пайдалана отырып (пластик қалақтар, мыс сымы, неодиум магниттері), шағын жел генераторының жұмыс үлгісі құрастырылды. Эксперимент кезінде әртүрлі жел жылдамдығында кернеу мен ток күші өлшеніп, олардың арасындағы тәуелділік анықталды. Нәтижесінде жел жылдамдығы артқан сайын генератор шығаратын кернеу мен қуат көлемі өсетіні дәлелденді. Алған нәтижелер бойынша шағын жел генераторының пайдалы әсер коэффициенті шамамен 40% құрады. Зерттеу нәтижелері бұл құрылғының шағын тұрмыстық мақсаттарда қолдануға жарамды және экологиялық таза энергия көзін пайдалануға мүмкіндік беретінін көрсетті.

Аннотация (на русском языке)

В данной работе создана модель малого ветрогенератора и проведено исследование его эффективности. Основная цель — определить принцип работы устройства, преобразующего энергию ветра в электрическую, и измерить вырабатываемую мощность. В результате эксперимента рассчитаны значения напряжения и тока в зависимости от скорости ветра, а также оценена пригодность генератора для бытового использования

Abstract (in English)

This project presents the development of a small wind generator model and the study of its efficiency. The main goal is to determine the operating principle of a device that converts wind energy into electrical energy and to measure its output power. The experiment included measuring voltage and current depending on wind speed and assessing the generator’s suitability for household use

Кіріспе

Қазіргі таңда әлемдік энергетика саласы энергия тапшылығы мен экологиялық мәселелерге байланысты жаңартылатын энергия көздеріне көшу үстінде. Электр энергиясына сұраныстың артуы, көмірсутек ресурстарының шектеулігі және қоршаған ортаның ластануы баламалы энергия көздерін дамыту қажеттілігін тудырады. Солардың бірі — жел энергиясы, ол табиғи, сарқылмайтын және экологиялық таза ресурс болып саналады  .

Жел генераторы — желдің механикалық энергиясын электр энергиясына айналдыратын құрылғы. Оның жұмыс істеуі электромагниттік индукция заңына негізделеді. Жел қалақтарды айналдырып, ротордағы магнит өрісін өзгертеді, ал өзгерген магнит өрісі статор орамаларында электр тогын тудырады  .

Зерттеу мақсаты — шағын жел генераторын жасап, оның жұмыс тиімділігі мен алынатын электр энергиясының жел жылдамдығына тәуелділігін анықтау.

Жел энергиясын пайдалану тарихы өте ерте басталған: ежелгі дәуірлерде жел кемелерді қозғалтуға, кейін орта ғасырларда диірмендерді айналдыруға қолданылған  . XIX ғасырдың соңында алғаш рет жел энергиясы электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылды. Бүгінде жел электр станциялары әлемнің көптеген елдерінде іске қосылып, ал Қазақстанда жел энергиясын тиімді пайдалануға болатын аймақтарға Шелек дәлізі мен Жоңғар қақпасы жатады

Жел энергиясының физикалық табиғаты және теориялық негіздері

Жел энергиясы — атмосферадағы ауа массаларының қозғалысынан пайда болатын кинетикалық энергия  . Желдің пайда болуы Жер бетіндегі температура айырмашылығына және қысым өзгерісіне байланысты.

Ауаның кинетикалық энергиясы:

мұнда:

m — ауа массасы
v — жел жылдамдығы.

Жел энергиясы турбина қалақтарына әсер етіп, механикалық айналу моментін тудырады, кейін ол электр энергиясына айналады. Бұл процесс энергияның бір түрден екінші түрге айналу заңдылықтарын көрсетеді  .

Шағын жел генераторының құрылымы және жұмыс принципі

Құрылғы мына бөлшектерден тұрады:

Жел соққанда қалақтар роторды айналдырады, ал айналу кезінде магнит өрісі өзгеріп, статорда ток пайда болады. Бұл — Фарадейдің электромагниттік индукция заңының нақты қолданылуы  .

Зерттеу әдістемесі

Жоба барысында:

• қалақ ұзындығы мен бұрышы эксперимент арқылы таңдалды,
• жел жылдамдығы, кернеу және ток шамалары мультиметр арқылы өлшенді,
• әр өлшеу үш рет қайталанып, орташа мән алынды.

Өлшеу нәтижелерінің мысалы:

Жел жылдамдығы артқан сайын генератор өндіретін қуаттың артуы байқалды.

Нәтижелерді талдау

Нәтижелерден келесілер анықталды:

• Жел жылдамдығы мен кернеу арасында өсуші тәуелділік бар  ;
• Қалақ бұрышы 30° болғанда ең тиімді айналу байқалады;
• Құрылғының орташа пайдалы әсер коэффициенті ≈ 40%.

Бұл көрсеткіш тұрмыстық шағын генераторлар үшін жеткілікті.

Қорытынды

Зерттеу барысында шағын жел генераторының жұмыс істеу қабілеті тәжірибелік түрде дәлелденді. Құрал күнделікті тұрмыста шағын энергия көздері үшін қолдануға жарамды. Жасалған зерттеу:

• энергия түрлерінің бір-біріне айналу заңдылығын көрсетті;
• жел энергиясын қолданудың экологиялық тиімділігін дәлелдеді;
• оқушылардың ғылыми-зерттеу дағдысын қалыптастырады.

Шағын жел генераторын ауылдық жерлерде, электр энергиясы жоқ аймақтарда қолдану — қолжетімді және экологиялық шешім.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Жел энергиясы және жел генераторының жұмыс принципі. Ғылыми жоба құжаты. — 2025 ж. 
2. Загубень А., Волневич К. Қалалық ортада шағын жел турбиналарының энергия тиімділігі. — Energies ғылыми журналы, 2022. — Т. 15, №14. DOI: 10.3390/en15145287
3. Фирузи А.А., Хеджази Ф. Жел турбинасы қалақтарының аэродинамикалық пішінін жетілдіру және энергия тиімділігін арттыру. — Energies ғылыми журналы, 2024. — Т. 17, №12. DOI: 10.3390/en17122919
4. Наваз М.К., Хан А. Жел генераторының тұрақтылығы мен жұмыс тиімділігін арттыруға арналған әдістер (жылдамдықты басқару және қуаттың максималды нүктесін қадағалау). — Diyala Journal of Engineering Sciences, 2024.