XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Кинетический накопитель энергии. Исследование проблемы энергопотерь при выработке невостребованной электроэнергии на станциях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Якобюк Д.Е. 1Попов А.С. 1Юрков Е.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность проекта: Мы задались вопросом что происходит с электроэнергией, вырабатываемой на ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 города Тюмени в ночное время? И действительно, в современном мире существует проблема большой потери электроэнергии по причине её невостребованности в определённые промежутки времени. Наш проект актуален, так как с помощью него можно решить масштабную проблему потери избытков электроэнергии при работе электростанций в определенное время суток, тем самым уменьшить энергозатраты для выработки электричества, что послужит снижению пагубного влияния на экологию планеты при сжигании топлива.

Цель: разработать устройство, которое поможет накапливать избытки электроэнергии, вырабатываемой на электростанции и невостребованной потребителем в определенное время.

Задачи:

• изучить различные интернет-источники по проблеме исследования;

• сходить на экскурсию СУЭНКО;

• проконсультироваться со специалистами в области энергетики;

• провести тест-опрос потребителей электроэнергии в Тюмени;

• изучить теорию и рассмотреть варианты накопителей энергии с наставниками;

• подойти к отбору идей комплексно;

• создать модель Кинетического накопителя энергии;

• провести расчеты и предложить материал, из которого можно сделать кинетический накопитель;

• создать 3D модель размещения Кинетических накопителей на территории ТЭЦ;

• рассмотреть преимущества и недостатки Кинетических накопителей;

• презентовать проект.

В качестве источников информации мы использовали сайты: Wikipedia, staby.ru, novostienergetiki.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 7 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделили наш проект «Кинетический накопитель энергии» на 2 части. Подробное описание модели Кинетического накопителя энергии, некоторые расчеты представлены в проекте других ребят из нашей команды - «Кинетический накопитель энергии. Комплексный отбор идей». Эта работа также представлена в секции «физика» на XIX Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Исследование проблемы

В рамках темы исследования мы задались интересующим нас вопросом: что происходит с электроэнергией, вырабатываемой на ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 города Тюмени в ночное время, а именно:

• в каком режиме работают ТЭЦ Тюмени: останавливают ли часть энергоблоков в ночное время суток?

• что предпринимается в городе, чтобы поднять спрос на электроэнергию в ночное время суток?

• есть ли излишки электроэнергии и что с ними происходит в ночное время: накапливается, передается или другое?

Таким образом, мы сформулировали предполагаемую проблему: большая потеря электроэнергии, по причине её невостребованности в определённые промежутки времени.

Мы спланировали подробно исследовать проблему, изучить интернет-источники, сходить на экскурсию, провести интервью со специалистами, совместно с наставниками изучить существующие способы аккумулирования энергии, провести опрос среди потребителей электроэнергии.

1. 1. Исследование проблемы в интернет-источниках

Город Тюмень и ближайшие населенные пункты юга Тюменской области электроэнергией обеспечивают две тепловые электростанции: ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 (Рисунок 1.1.1 Приложения). Мы рассмотрели их основные данные и параметры.

Тюменская ТЭЦ-1 — теплоэлектроцентраль, расположенная в городе Тюмень. Входит в состав ПАО «Фортум», основным акционером которого является финский энергоконцерн Fortum. [4]

Тюменская ТЭЦ−2 — теплоэлектроцентраль, расположенная в юго-восточной части г. Тюмени, один из двух основных источников теплоснабжения города. [5]

Передача электрической энергии от источника к конечному потребителю неизбежным образом связана с потерей части мощности и энергии в системе электроснабжения. [6, 7] Сюда относятся потери в линиях электропередач и потери электроэнергии в трансформаторах (Рисунок 1.1.2 Приложения).

1. 2. Экскурсия в СУЭНКО

20 Декабря мы всей командой были на экскурсии в СУЭНКО (Приложение, Рисунок 1.2.1). СУЭНКО (Сибирско-Уральская Энергетическая Компания) – крупнейшее предприятие коммунальных электрических сетей. Основная деятельность этого предприятия - передача и распределение электрической энергии между Тюменью и другими близлежащими городами. А также проведение технического обслуживания, диагностики, ремонта электрических сетей, средств измерений и учета, оборудования релейной защиты и др. Экскурсию для нас провели: Олег Владимирович Л., ведущий специалист службы охраны труда и технического контроля Уральской энергетической компании «Суэнко»; Владислав Васильевич Ф., начальник центра подготовки персонала Уральской энергетической компании «Суэнко»; Андрей Владимирович П., ведущий специалист службы охраны труда и технического контроля Уральской энергетической компании «Суэнко».

На экскурсии мы увидели множество различных устройств и проводов. Например, макет ЛЭП (Линии Электропередач), он расположен в здании и необходим для проведения экзаменов, которые регулярно сдают рабочие. Или трансформатор тока, он предназначен для трансформирования величин токов до требуемых значений, с целью подключения приборов измерения и устройств Релейной Защиты и Автоматики (РЗиА) Также мы увидели ограничители перенапряжения на классы напряжения от 3 до 110кв, они предотвращают импульсные скачки напряжения при атмосферных разрядах, перекрестке линий или коммутационных операциях. На экскурсии мы услышали про главные машины: генератор, трансформатор. Узнали, что ток передаётся в дома по ЛЭП по воздуху и кабелям под землёй. Узнали про электромеханические и электронные реле для безопасной передачи электроэнергии. Увидели костюм специалиста по работе с ЛЭП. На учебном полигоне экскурсоводы рассказали про учебные установки высоковольтных ЛЭП, огромные трансформаторы, станции по обслуживанию.

По итогам экскурсии мы узнали много информации, как просто интересной, так и очень полезной, которая может помочь нам в создании проекта. Мы сделали первые фото команды для оформления нашего проекта!

1. 3. Интервью со специалистами в области энергетики

Мы взяли интервью у Дмитрия Владимировича Р., главного специалиста по развитию активов ПАО Фортус филиал Энергосистема «Западная Сибирь».

Он нам рассказал, что всё электричество, которое вырабатывается на ТЭЦ и не востребуется, направляется в другие регионы, сеть единая по России. В этом случае часть энергии при передаче теряем.

Теперь представьте, какой процент электроэнергии будет потерян при передаче её от Тюменской ТЭЦ ночью в тот регион, где она может быть нужна. То есть в этом регионе должно быть утро – это на дальний восток. Огромные потери. И это действительно проблема.

1. 4. Тест-опрос «Выработка и потребление электроэнергии в городе Тюмени»

Мы создали тест-опрос «Выработка и потребление электроэнергии в городе Тюмени» в формате гугл-формы. [8] На наш тест-опрос ответили 72 человека (Рисунок 1.4.1 Приложения). Большинству людей, ответившим на тест было от 19 до 50 лет. Многие ответившие знают, что Тюмень снабжает ТЭЦ, они являются непосредственными потребителями. Многие считают, что электростанция в Тюмени работают на природном топливе. Но 45% ответивших не знали сколько электроэнергии вырабатывают ТЭЦ, другие 55% знали, что электростанции ТЭЦ вырабатывают 1457МВТ.ч. Также 47% ответивших не знали, что компания, распределяющая электричество от электростанции до потребителя, называется СУЭНКО. На вопрос какая норма поступления в дома, ответили правильно 76% 220В. По ночам 38% респондентов не пользуются электричеством, 37% пользуются электричеством по ночам, а другие 25% по-разному. Также 63% ответивших не знали, что на электростанциях в Тюмени по ночам вырабатывается избыток электроэнергии, другие 37% знали, что есть избыток. Многие считают, что электростанции в Тюмени портят экологию. Кроме того, 30% считают, что избытки электроэнергии накапливаются, другие 17% считают, что продаются другим компаниям, 19% холостые вращения турбин. У 87% опрошенных стоят двухтарифные счетчики, у других 13% однотарифные. У опрошенных затраты в месяц на электричество очень разняться, наибольшее ответили до 250 р на 1 человека. На вопрос стали ли вы перераспределять электропотребление на ночное время, если бы это было дешевле, 58% ответили возможно, 30% ответили да, 12% не захотели бы. На вопрос часто ли вы распределяете энергопотребление на ночное время, понимая, что стоимость электроэнергии ниже, ответы сильно разнятся, но большинство ответили, часто, но не каждый день.

1. 5. Изучение темы проекта с наставниками

В начале создания проекта мы подробно изучили современные способы аккумулирования энергии совместно с наставниками в дистанционном формате.

Наши наставники — это студенты высших учебных учреждений:

Анастасия Александровна С., студентка 5 курса Федеральное государственное автономное образование учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет первого президент России Б.Н. Ельцина.

Александр Евгеньевич В., студент 4 курса Федеральное государственное автономное образование учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС".

Мы рассмотрели современные способы аккумулирования энергии:

1. Механические накопители энергии

2. Гравитационные жидкостные накопители

3. Электрохимические накопители энергии

4. Воздуха аккумулирующие станции

Глава 2 Кинетический накопитель энергии

2.1 Устройство кинетического накопителя

Кинетический накопитель имеет очень простое устройство: тяжёлый маховик, находящийся внутри кожуха с разряженной средой, постепенно разгоняется электродвигателем при избытке энергии. Весь избыток вырабатываемой энергии на ТЭЦ будет направлен на вращение кинетического накопителя. В случае недостатка энергии, ротор будет медленно отбирать скорость у маховика и трансформировать её в электричество, компенсирующее недостаток. Простота конструкции позволит не только легко воссоздавать такие накопители в любом удобном месте и относительно легко ставить их стройку на поток, но и позволит при правильном обслуживании увеличить срок службы этих гигантов до нескольких сотен лет активной эксплуатации. Самый главный плюс этих накопителей, помимо огромного срока службы, это ещё и не фиксированная выдача энергии, которая будет зависеть от недостающего кол-во энергии в сети.

2.2Расчеты эффективности кинетического накопителя

Наши размышления мы начали с выделения «важных качеств» для накопителя: пиковых показателей и материалов.

Пиковые показатели кинетического накопителя по большей части зависят от материала, из которого изготовлен маховик. Таким образом, одно вытекает из другого, следовательно, нами были произведены расчеты энергоёмкости для четырёх самых, по нашему мнению, перспективных материалов, таких как: графит, сталь, стеклокомпозит и свинец.

Расчёт производился по формуле: E=(mr²