Использование сточных вод как резервный источник энергии

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

Использование сточных вод как резервный источник энергии

Карлов В.С. 1
1МБОУ гимназия №1 г. Задонска
Дорофеева М.А. 1
1МБОУ гимназия №1 г. Задонска
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Когда запасы традиционных источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, неумолимо уменьшаются и их стоимость достаточно высока, а использование приводит к загрязнению атмосферы нашей планеты, все большее количество стран в своей энергетической политике, обращают свои взоры в сторону альтернативных источников энергии.

Многие источники электроэнергии на нашей планете конечны, поэтому человечество постоянно находится в поиске неиссякаемых источников электроэнергии. Люди строят гидроэлектростанции для использования энергии рек, устанавливают солнечные панели, с целью использовать энергию которую дарит им Солнце. Человечество создает атомные электростанции, чтобы использовать их для получения столь необходимой ему электроэнергии. Но большинство современных альтернативных источников либо опасны, либо непостоянны, а также могут наносить существенный вред экологии.

Актуальность.

Современный город несет в себе огромный потенциал использования энергии сточных вод. Значительные объемы использованной воды текут по канализационным трубам, имеют тепловую энергию и за счет быстрого движения воды могут быть источником кинетической энергии.

При грамотном использовании канализационных стоков возможно решение проблемы энергосбережения.

Цель работы: установить возможность использования кинетической или тепловой энергии сточных вод поступающих на городские очистные сооружения для получения электроэнергии, либо другого практического применения данной энергии.

Задачи:

- определить объём выделяемой сточными водами кинетической и тепловой энергии.

- предложить варианты использования тепловой и кинетической энергии для нужд города.

Объект исследования: очистные сооружения.

Предмет исследования: энергия сточных вод.

Методы исследования:

- изучение и анализ научной литературы;

- анализ формул для нахождения количественных характеристик различных видов энергии;

- обработка полученных данных;

- конструирование и эксперимент;

- обобщение полученных знаний.

Этапы реализации проекта:

- рассмотрение альтернативных источников энергии, в том числе низкопотенциальных;

- выбор расчетных формул и произведение самих расчетов;

- подбор возможных решений поставленной задачи;

- создание модели.

- обработка и анализ полученных данных.

Гипотеза: возможно использование кинетической и тепловой энергии сточных вод для нужд города.

Основная часть.

Использование кинетической энергии

Кинетическая энергия - это энергия, которой тело обладает вследствие собственного движения.

Кинетическая энергия зависит от массы и скорости которой достигает объект. Тела с меньшей массой требуют меньше усилий, чтобы начать движение.

Эта энергия может переносится на разные объекты и между ними трансформироваться в другой вид энергии. Например, если человек бежит и сталкивается с другим, который находился в состоянии покоя, часть кинетической энергии, которая была у бегуна, будет передана другому человеку. Энергия, которая должна быть приложена для существования движения, всегда должна быть больше, чем сила трения с землей или другой жидкостью, такой как вода или воздух.

Её определяют как силу, необходимую для ускорения тела определённой массы от покоя до максимальной указанной скорости. Как только достигается ускорение, сохраняет энергию, если скорость не изменяется. Чтобы тело вернулось в состояние покоя, необходима отрицательная работа той же величины.

Кинетическая энергия является физической величиной ее значение можно рассчитывать.

Чтобы рассчитать кинетическую энергию, используют формулу:

где m - масса тела, кг

v – скорость тела, м/с

Масса тела:

где - плотность, кг/м³

V – объем, м³

В соответствии с данными из приложения 1 мы рассчитываем кинетическую энергию и получаем:

Месяц

Выделяемая кинетическая энергия, ГДж

Январь

170,5

Февраль

213

Март

298,9

Апрель

355,9

Май

406

Июнь

423,6

Июль

475

Август

514,5

Сентябрь

536

Октябрь

596

Ноябрь

621,8

Декабрь

596

Всего за год

5208

Итого за год: 5208 ГДж что равно 1446 МВт*ч

КПД у гидротурбин примерно 90%. С учетом КПД мы получаем в год примерно 1301 МВт*ч, чего достаточно для освещения двух больниц на 1000 коек в течении года.

Очистные сооружения

 

1

 

1

 

1

 

3

2

 

4

1 – Гидротурбины

2 – Роторы

3 – Кабель

4 – Распределительная станция

Очищенная вода от очистных сооружений идет к гидротурбинам, где вращает рабочие колеса, откуда уходит обратно в водоём. В это время вращение от колеса передаётся электрогенераторам, которые вырабатывает электричество, которое передаётся на распределительную станцию, откуда отправляется в нужное место.

Например, в городе Ульяновске уже работает МГЭС использующая гидротурбины после очистных сооружений на выбросе для получения 1700 кВт*ч. Также кинетическую энергию стоков можно использовать в высотных зданиях и ставить турбины на пути воды вниз и получать некое количество электроэнергии.

Использование тепловой энергии

Так как мы постоянно пользуемся теплой водой стоки, доходящие до очистных сооружений, имеют температуру примерно 25-30ºС.

Чтобы рассчитать тепловую энергию, используют формулу:

Где c – теплоёмкость

m – масса, кг

T – разность температур, ºС

Для расчета мы берем в октябре, ноябре, декабре, январе, феврале и марте 25 ºС, а в апреле, мае, июне, июле, августе и сентябре 15 ºС

В соответствии с заданными значениям и в приложении 1 по расчёту образуется за год тепловой энергии, в ГДж

   
   

Месяц

Выделяемая тепловая энергия, ГДж

Январь

111898

Февраль

139922

Март

196212

Апрель

233609

Май

266557

Июнь

278011

Июль

311868

Август

337704

Сентябрь

351869

Октябрь

391169

Ноябрь

408058

Декабрь

391260

ИТОГО ЗА ГОД

3418141

Любой теплонасос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает. Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома.

Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Таким образом, можно отапливать жилые здания, офисы или подогревать аэротенки до оптимальной для бактерий температуры. Также использование теплонасосов эффективно ведь теплонасос типа вода–вода имеет средний КПД 400%.

Заключение

В результате проделанной работы достигнуты поставленные цели и задачи. Во-первых, изучена литература по данной теме и сделаны выводы о данном источнике энергии. Во-вторых, предложены решения поставленной проблемы несколькими способами. В-третьих, собрана демонстрационная модель одного из решений.

Можно сделать вывод, что энергию сточных вод можно использовать для получения электричества или в других целях энергосбережения.

Расчеты показывают, что у стоков есть довольно большой потенциал, и с точки зрения энергосбережения их использование будет оправдано. А также данные расчеты можно использовать для подсчета экономической выгоды от предложенных решений по использованию сточных вод.

Список использованных источников

Современные технологии водо и энергосбережения в городском хозяйстве [Электронный ресурс] – 2014. – URL: https://inlnk.ru/zaolak(дата обращения20.01.2022).

Использование теплоты канализационных стоков [Электронный ресурс] – 2016. – URL: https://scienceforum.ru/2016/article/2016019497 (дата обращения 20.01.2022).

О реализации пилотного проекта «Малая ГЭС на сбросном коллекторе городских очистных сооружений канализации» [Электронный ресурс] – 2013 – URL: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=358 (дата обращения 21.01.2022).

Как работает гидроэлектростанция? Это понятно даже детям! [Электронный ресурс] – 2012. – URL: https://www.kp.ru/daily/25972/2908539/ (дата обращения 22.01.2022).

Электричество из канализации [Электронный ресурс] – 2015. – URL: https://www.forumhouse.ru/journal/articles/5863-elektrichestvo-iz-kanalizacii (дата обращения 22.01.2022).

Использование канализационных стоков для получения тепловой энергии [Электронный ресурс] URL: http://asupro.com/alternative/heat-pump/use-wastewater-thermal-energy.html (дата обращения 26.01.2022).

Просмотров работы: 104