XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экономное электричество
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В первом полугодии наш класс участвовал в проекте «Хакассия». В ходе проектной деятельности я узнал, что на территории Хакассии работает самая крупная в России Саяно-Шушенская ГЭС, которая обеспечивает электроэнергией всю Сибирь. Это масштабное сооружение: высота плотины 242 метра , длина плотины – 1 км. На ее строительство ушло 37 лет.
При этом в Хакассии 311 ясных, солнечных дней в году. И я задумался– был ли смысл строить такое масштабное сооружение. Может более экономичнее было поставить солнечную электростанцию или ветряную электростанцию на Саянских горах?
Путешествуя с родителями по России я видел много ветрогенераторов и солнечных панелей, особенно в Ставропольском крае и в Крыму. Альтернативные источники энергии сейчас набирают популярность и считаются более экономичными. Так ли это? Может есть смысл использовать только их для получения электроэнергии? Но все-таки мне кажется, что не зря построили Саяно-Шушенская ГЭС и электроэнергия, которая вырабатывается с помощью источника энергии «вода» самая дешевая.
Зачем нам вообще нужно электричество? – спросите вы.
Электричество – это важный элемент в нашей жизни, залог развития экономики и научных открытий. Сейчас невозможно представить человечество без энергии, что помогает освещать дороги и дома, согревать жилища, облегчать тяжелую работу и передвигаться на большие расстояния. Без электричества нет интернета, телевидения и света в наших домах. Основным потребителем электроэнергии является промышленность, которая обеспечивает нас товарами и услугами. Поэтому важно, чтобы источники энергии были доступными и дешевыми для нас. Так как же получить дешевую электроэнергию?
Все эти вопросы натолкнули меня на мысль изучить наиболее дешевый способ получения электроэнергии, понять – как получают электричество на электростанции и попробовать самому построить макет электростанции.
Проблема: потребность в недорогом электричестве.
Цель проекта: исследовать способы получения электричества и установить самый дешевый источник энергии в России.
Задачи проекта:
1. Собрать информацию о видах электростанций.
2. Выяснить какой вид электростанции наиболее эффективен с экономической точки зрения.
3. Изучить способ работы электростанции и процесс получения электроэнергии.
4. Создать свой плакат и макет электростанции.
Объект исследования - процесс создания электроэнергии на электростанции.
Предметом исследования – технические характеристики электростанций и особенности их строения.
Гипотеза: предположим, что водная энергетика способна обеспечить нас дешевым электричеством.
Методы исследования: поиск и сравнительный анализ информации, изучение и обобщение информации из различных источников, графический анализ, наблюдение, индуктивный метод.
Результат: презентация, содержащая подробный рассказ о видах электростанций, плакат и создание макета электростанции.
2. Виды электростанций и стоимость электроэнергии
Электростанция — электрическая станция, совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории.
Электростанции можно разделить на виды в зависимости от вида источника энергии.
В нашей стране построены следующие виды электростанций:
Солнечные электростанции (СЭС)
Солнечная панель преобразует солнечную радиацию в электрическую энергию. По данным на июнь 2022 года доля солнечной энергетики во всей энергосистеме страны составляет 0,71% от всей мощности.
Самая крупная СЭС в республике Крым – 440 тысяч солнечных панелей, площадь – 200 га, мощность – 105,56 МВт.
Себестоимость электроэнергии в среднем составляет 1,25 руб./кВт.ч.
Ветряные электростанции (ВЭС)
Несколько ветроэлектрических установок, собранных в одном или нескольких местах и объединённых в единую сеть. По данным на июнь 2022 года доля ветряной энергетики во всей энергосистеме страны составляет 0,32% от всей мощности.
Самая крупная из всех Кочубеевская ветроэлектростанция в Ставропольском крае. Она состоит из 84 ветроэнергетических установок, площадь – 200 га, мощность - 210 МВт.
Себестоимость электроэнергии в среднем составляет 1,05 руб./кВт.ч.
Теплоэлектростанции (ТЭС)
Электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт преобразования химической энергии топлива в процессе сжигания в тепловую, а затем в механическую энергию вращения вала электрогенератора. ТЭС работают на угле, мазуте, нефте или газе. По данным на июнь 2022 года доля тепловой энергетики во всей энергосистеме страны составляет 58,99% от всей мощности.
Самая крупная из всех Сургутская в Сибире, которая работает на нефти и газе. Она состоит из 8 энергоблоков, мощность – 5 600 МВт.
Себестоимость электроэнергии в среднем составляет 0,97 руб./кВт.ч.
Атомные электростанции (АЭС)
Электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт энергии ядерного реактора. По данным на июнь 2022 года доля атомной энергетики во всей энергосистеме страны составляет 20,28% от всей мощности.
Самая крупная из всех Ленинградская атомная электростанция. Она состоит из 4 энергоблоков, мощность – 4 800 МВт.
Себестоимость электроэнергии в среднем составляет 0,56 руб./кВт.ч.
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт энергии воды. По данным на июнь 2022 года доля гидроэнергетики во всей энергосистеме страны составляет 19,7% от всей мощности.
Самая крупная из всех Саяно-Шушенская гидроэлектростанция . Она состоит из 10 гидрогенераторов, высота плотины 242 метра, длина – 1074 метра, мощность – 6 400 МВт.
Себестоимость электроэнергии в среднем составляет 0,15 руб./кВт.ч.
Чтобы понять, сколько стоит 1 Квт на каждой из них я составил гистграмму на основании данных с сайта Министерства энергетики.
Давайте сравним себестоимость электроэнергии на гистограмме:
Вывод: из сравнительного и графического анализа видов электростанций наглядно видно, что самая дешевая электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях.
3. Процесс создания электричества на гидроэлектростанции
Из проведенного выше анализа следует, что самая дешевая электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанции. Предлагаю изучить как получается электроэнергия на слайде:
Как мы видим, принцип работы гидроэлектростанции состоит в том, что вода падает на лопасти турбины и вращает их. Далее энергия передается генератору, который за счет явления электромагнитной индукции генерирует ток.
Общий принцип работы прост: для вращения турбины используется энергия воды. Чем больше турбина, тем сильнее должен быть напор воды. Отчасти он достигается перепадом высоты.
Чтобы обеспечить нужный перепад, строится плотина. Этим решается еще одна задача: создается водохранилище, запасы воды в котором позволяют не зависеть от колебаний объема реки в зависимости от времени года. Водохранилище перед плотиной называется верхним бьефом, вода, которая прошла через плотину, образует нижний бьеф. Разность высот между бьефами влияет на напор воды.
Комплекс сооружений ГЭС состоит из:
плотины;
непосредственно электростанции;
шлюзов для забора воды и пропуска судов.
Реку со спокойным течением перегораживают плотиной, высота которой определяет выходную мощность. Внутри стены проходят вертикальные или наклонные каналы, направляющие воду к генератору, благодаря созданному напору.
Вода приводит в движение гидротурбины, которые вращают синхронные гидрогенераторы. Формула мощности проста: прямая зависимость от напора воды и мощности гидрогенератора. Получается, чем круче перепад высот и чем больше поток воды, тем мощнее станция.
Далее электроэнергия по линиям электропередач (ЛЭП) передается потребителям: на заводы, магазины и наши дома.
4. Практическая часть
Итак, теперь я знаю как производиться электроэнергия на гидроэлектростанции. Предлагаю изучить строение самой крупной в России ГЭС – Саяно-Шушенской.
Она расположена на реке Енисей, между Саянских гор, возле города Саяногорска. Является верхней ступенью Енисейского каскада ГЭС. Свое название ГЭС получила благодаря Саянским горам и расположенного неподалёку от станции села Шушенское.
ГЭС строили 37 лет с 1963 по 2000 год. На станции 10 гидроагрегатов с мощностью 640 МВт каждый.
Плотина Саяно-Шушенской ГЭС - бетонная арочно-гравитационная – уникальное по всем характеристикам гидротехническое сооружение не имеющая аналогов в мире. Высота сооружения 242 м, длина по гребню 1 074,4 м, ширина по основанию - 105,7 м и по гребню - 25 м. В плане она имеет вид круговой арки радиусом 600 м с центральным углом 102 градуса. Плотина СШГЭС находится на седьмом месте среди самых высоких плотин мира.
Устойчивость и прочность плотины под напором воды обеспечивается и за счет собственного веса (примерно на 60%) и путем передачи гидростатической нагрузки на скальные берега (на 40%). Плотина врезана в скальные берега на глубину до 15 м. Сопряжение плотины с основанием в русле произведено врезкой до прочной скалы на глубину до 5 м.
Для построения макета я хотел увидеть и изучить действующую ГЭС. Мне очень хотелось увидеть Саяно-Шушинскую ГЭС своими глазами, но попасть на нее достаточно сложно в силу удаленности и ограничений в посещении. Поэтому я со своими родителями посетил Углическую ГЭС, которая расположена в Ярославской области.
На территории ГЭС есть Музей гидроэнергетики, в котором я изучил:
макеты действующих ГЭС России и других стран,
нашел макет Саяно-Шушенской ГЭС,
узнал как строятся ГЭС и их принципы работы,
сам смог выработать электроэнергию, осветив макет города, крутя педали велосипеда,
увидел рабочее колесо турбины Угличевской ГЭС
Основываясь на полученной информации о ГЭС, я создал плакат как получается электричество на ГЭС и макет Саяно-Шушинской ГЭС, наглядно показывающий учащимся, как работает ГЭС и создается электричество:
Для создания макета я использовал:
пенопласт,
клей,
нож канцелярский,
цветной песок,
пластилин,
мотор,
лампочки,
батарейки.
На создание макета я потратил 14 дней. Сначала я создал каркас станции. Затем я покрыл ее клеем и посыпал цветным песком. Далее я поставил мотор и соединил его с лампочками. На финальном этапе я украсил ее дополнительными элементами.
Плакат и макет наглядно показывает основные принципы создания электроэнергии на ГЭС и может быть использован на уроках предмета «Окружающий мир» для учащихся начальных классов.
Заключение
По итогам проведенного исследования, на основании полученных данных, мной были сделаны следующие выводы.
Самую дешевую электроэнергию вырабатывают гидроэлектростанции.
Формула мощности гидроэлектростанции: большой напор воды (обеспечивается высотой плотины) и мощность гидрогенератора.
Макет созданной гидроэлектростанции позволяет наглядно показать как вырабатывается электроэнергия и передается потребителю.
Мною были выполнены все поставленные задачи. Я изучил виды работающих в России электростанций, определил вид электростанции с самым дешевым способом производства электроэнергии, изучил как получается электричество и изобразил наглядно на плакате, создал макет гидроэлектростанции.
Таким образом, моя гипотеза оказалась верной. Дешевое электричество можно получить основываясь на силе падающей воды.
Созданные мной плакат и макет электростанции наглядно показывает основные принципы создания электроэнергии на ГЭС.
Практическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что она может использоваться для изучения процесса создания электричества в начальной школе на уроках предмета «Окружающий мир».
Список использованных источников и литературы
1. Большая советская энциклопедия, под ред. М.: Советская энциклопедия, 1987.
2. Детская энциклопедия "Что такое. Кто такой." Издательство "Педагогика",М. 2015г.
3. В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.
4. Ушаков В.Я. История и современные проблемы электроэнергетики. Томск: Изд-во ТПУ. - 2003. - 220 с.
5. Бекаев Л.С., Марченко О.В., Пинегин С.П. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. Новосибирск: Наука. 2000.
6. Михайлов Л.П. Малая гидроэнергетика М.: Энергоатомиздат,1989. - 184 с.
7. Материалы сайтов www.wikipedia.ru; www.rosatom.ru.; www.sshges.rushydro.ru; www.kvvges.rushydro.ru