XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Ферма, работающая за счет ГЭС» на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Габитов Т.В. 1Ермолаев С.М. 1

---

1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития

Лушникова В.А. 1

---

1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития

Работа в формате PDF

2.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, использующая в качестве источника энергии водный поток.

Основное назначение гидроэлектростанции это конечно выработка электроэнергии, однако немаловажна и ее против паводковая функция, за счет регулирования пропуска воды в реках.

Тема энергетики в современном мире освещается крайне мало. Электричество для многих берется просто из розетки. Да, безусловно, в моде разговоры о солнечных батареях и ветряных мельницах, которые к слову, меньше всего участвуют в выработке всей энергии в мире, но крайне сильно разрекламированы. А между тем, на фоне сокращающихся дешевых запасов угля, нефти и газа, необходимости в переработке ядерного топлива и все-таки его потенциальной опасности, гидроэнергетика совершенно незаслуженно не получает должной похвалы и внимания.

Как вполне логично указано на сайте РусГидро: гидроресурсы — это возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений.

Действительно, мощные реки текут каждый день, независимо от погоды, курса валют, выборов или проведения музыкальных конкурсов. Отметим вполне себе реальные и очевидные вещи: у российской гидроэнергетики огромный потенциал. Сейчас на территории РФ функционируют 190 гидростанций, общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России занимает 5 место в мире. Такое же место в мире мы занимаем и по выработке энергии с помощью гидроэлектростанций.

Таким образом, преимущество гидроэнергетики - это минимальное влияние на экологию. Работа ГЭС не требует добычи угля или ядерного топлива, не сопровождается вредными выбросами в атмосферу и водоемы, не требует захоронения отходов.

Нам стала интересна данная тема, связанная с гидроэлектростанциями и мы решили разработать ферму, работающую за счет ГЭС, не приносящей вред экологии.

Цель проекта: разработка и конструирование модели фермы, на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы», использующей в качестве источника энергии, альтернативную энергию ГЭС.

Задачиисследования:

1. Изучить что такое энергетика;

2. Найти информация о гидроэлектростанции, какие виды ГЭС существуют, назначение ГЭС, принцип работы и основное оборудование;

3. Выявить место гидроэнергетики на ферме;

4. Создатьпроектфермы, работающую за счет ГЭСнабазеконструктораLEGO® Education «Первые механизмы»;

5. Презентовать проект.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты.Приконструированиидвижимыхчастейпроектанампомогликнигииметодические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

Глава 1 Общая характеристика энергетики

1. 1. Что такое энергетика

Энергетика – это область хозяйственно - экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов (Рисунок 1.1.1, Приложение).. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

• получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, курс переработка и обогащение ядерного топлива;

• передача ресурсов к энергетическим установкам, например доставка газа, угля, мазута на тепловую электростанцию;

• преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например, химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;

• передача вторичной энергии потребителям, например по линиям электропередачи.

Энергетика является основой развития производственных сил в любом государстве. Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунальных хозяйств [6].

Для того, чтобы узнать больше информации об энергии, мы съездили на экскурсию в Сибирско-Уральскую энергетическую компанию (СУЭНКО) (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Сибирско-Уральская энергетическая компания (СУЭНКО) – межрегиональная сетевая компания, обеспечивающая электроэнергией потребителей Тюменской и Курганской областей. Территория присутствия:
-  Тюмень, Тобольск, Ишим, Заводоуковск, Ялуторовск, Уват и ближайшие к ним муниципальные районы, - 24 района Зауралья, включая города Курган и Шадринск (Рисунок 1.1.3, Приложение). Общая протяженность электрических сетей на обслуживании предприятия – более тридцати шести тысяч километров.
СУЭНКО является крупнейшим инвестором в сфере электроэнергетики юга Тюменской области и всего Зауралья. Входит в группу компаний ООО «Корпорация СТС» [5].

Мы ознакомились с экспозицией «Энергия СУЭНКО». Здесь мы погрузились в историю тюменской и курганской энергетики, узнали больше об электротранспорте и о том, как работают современные энергетики.

Типы электростанций (Рисунок 1.1.4, Приложение):

• тепловые электростанции (ТЭС), использующие природное топливо;

• гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию падающей воды запруженных рек;

• атомные электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию;

Нас очень заинтересовала информация о том, что альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых (или "чистых") источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием энергии Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, а также подземного тепла планеты [4].

Увидев, насколько многогранны возможности получения энергии альтернативным способом, нам стало интересно более подробно изучить возможности гидроэнергетики в Тюменской области.

1.2 Гидроэлектростанции. Виды, назначение, принципы работы, основное оборудование

Основное назначение гидроэлектростанции это конечно выработка электроэнергии, однако немаловажна и ее против паводковая функция, за счет регулирования пропуска воды в реках.

Гидроэлектростанции разделяются в зависимости от максимального использования напора воды: высоконапорные — более 60 м; средненапорные — от 25 м; низконапорные — от 3 до 25 м. Гидроэлектрические станции также могут быть разделены в зависимости от принципа использования природных ресурсов. плотинные ГЭС, приплотинные ГЭС, деривационные ГЭС и гидроаккумулирующие электростанции(ГАЭС).

Принцип работы ГЭС достаточно прост (Рисунок 1.2.1, Приложение). Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и, как следствие, концентрации реки в определённом месте, или деривацией — естественным потоком воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается всё энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет своё определённое деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Есть ещё всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля работы ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое. 

Принцип работы используемых в ГЭС турбин един: вода, находящаяся под давлением (напор воды), поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, передается на гидрогенератор, который вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами - стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды [10]. 

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы.

Гидротурбины (Рисунок 1.2.2, Приложение):

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально–осевые и ковшовые. На высоконапорных ГЭС применяются ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС применяются поворотно - лопастные и радиально-осевые турбины. На низконапорных ГЭС применяются поворотно - лопастные турбины в железобетонных камерах. Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до 1500 об/мин.

Гидрогенераторы (Рисунок 1.2.2, Приложение):

Гидравлическим генератором называется машина, преобразующая механическую энергию вращения гидротурбины в электрическую энергию.

Эти машины приводятся во вращение, как правило, сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин. Поэтому гидрогенераторы выполняют с большим числом полюсов и явно-полюсными роторами. Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590–640 МВА), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11–0,20. Для производства электрической энергии используются возобновляемые природные ресурсы, поэтому конечная стоимость получаемой электроэнергии ниже, чем при использовании других видов электростанций, и нет вредных выбросов в атмосферу. 

Преимущества ГЭС:

- Гибкость. Гидроэнергетика является гибким источником электроэнергии, поскольку станции могут адаптироваться к изменяющемуся количеству энергии. Гидротурбины имеют время запуска порядка нескольких минут. Занимает от 60 до 90 секунд, чтобы завести устройство от холодного пуска до полной нагрузки; это намного меньше, чем для газовых турбин или паровых электростанций.

- Низкие затраты на электроэнергию. Стоимость эксплуатации гидроэлектростанции почти невосприимчиво к увеличению стоимости ископаемого топлива, такого как нефть, природный газ или уголь. Операционные затраты на рабочую силу также, как правило, низки, так как весь процесс автоматизирован и требуется небольшое количество персонала для нормальной работы.

- Другие виды использования водохранилища. Водоемы, созданные, гидроэлектростанциями часто предоставляют возможность для занятий водными видами спорта, а сами становятся туристическими достопримечательностями. В некоторых странах аквакультура в водоемах является распространенным явлением.

Принципиальный момент заключается в том, что степень влияния энергетики на экологию напрямую зависит от самого источника этой энергии. Специалисты считают, что гидроэлектростанции наносят экологии гораздо меньший ущерб, нежели традиционные электростанции. Это одно из главных преимуществ гидроэнергетики [4].

1.3 Место гидроэнергетики на ферме

Еще в 1912 году Глеб Кржижановский, инженер-энергетик по образованию, написал одну из первых своих научных статей, вывод которой не удается оспорить и до нынешних дней. Для развития экономики и социальной жизни любого региона электрификация должна иметь приоритетный характер. Другими словами: если руководство страны желает развития того или иного региона, то планирование этого развития должно начинаться с проектирования электростанции, которые станут базой для всего остального – для новых заводов и фабрик, для развития сельского хозяйства, для строительства поселков, городов, автомобильных и железнодорожных трасс. Сходство ситуации начала 20-х годов прошлого века и нынешней очевидно: в обоих случаях руководство страны планирует развитие регионов, в обоих случаях энергетикой занимаются государственные компании.

Каскады ГЭС с крупными водохранилищами комплексного назначения образуют водохозяйственные комплексы, участниками которых являются энергетика, коммунально-бытовое, промышленное, сельско-хозяйственное водоснабжение. Они также обеспечивают защиту природной и социальной среды от наводнений, гарантированные санитарно-экологические пропуски [10].

Важной экономической особенностью гидроэнергетических ресурсов является их возобновляемость, не требующая в дальнейшем дополнительных капиталовложений. Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в среднем почти в четыре раза дешевле электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Поэтому использованию гидроэнергетических ресурсов придается особое значение при размещении электроемких производств. Строительство ГЭС является крупнейшими инвестиционными проектами для ряда регионов.

Отсутствие необходимости в топливе и более простая технология выработки электроэнергии приводят к тому, что затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в десять раз меньше, чем на тепловых электростанциях, которые присутствуют на фермах (с учетом добычи топлива и его транспортирования). Высокая производительность труда на ГЭС является одной из основных ее экономических особенностей.

Гидроэлектростанции являются важнейшим фактором надежности энергосистемы. В отличие от тепловых и особенно атомных электростанций, которые также присутствуют на фермах. В течение нескольких минут или даже секунд гидроэлектростанция или отдельные ее гидроагрегаты могут уменьшить или увеличить мощность, компенсируя колебания нагрузки в энергосистеме. Многие ГЭС работают преимущественно в пиковом режиме: они включаются при прохождении энергосистемой суточных максимумов нагрузки (утром и вечером) и выключаются ночью, когда нагрузка в энергосистеме резко падает [4].

Именно поэтому, мы решили создать ферму, работающую за счет ГЭС, у которой достаточно преимуществ для общества и экологии.

Ферма-это участок земли, предназначенный в первую очередь для сельскохозяйственных процессов с основной целью производства продуктов питания и других культур (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Глава 2 Создание проекта «Ферма, работающая за счет ГЭС»

2.1 Задачи проекта, планирование

Перед тем, как создать наш проект, мы с ребятами обговорили, как ондолжен выглядеть, какие модели будут присутствовать и какой будет у них функционал [1]. Создали несколько эскизов, покоторымужеиначаликонструировать(Рисунок2.1.1,Приложение).

Мы решили, что наша ферма будет компактная, но в тоже время комфортабельная и многофункциональная (Рисунок 2.1.2, Приложение).

Наш проект «Ферма, работающая за счет ГЭС» расположена на берегу реки. Ферма работает от микро гидроэлектростанции, которая находится в углу фермы. Чтобы поддерживать определенную температуру на ферме, мы установили вентилятор.

На ферме у нас не мало важную роль играет робот-уборщик и тележка [9]. Также на нашей ферме установлена автопоилка для коров и раздатчик корма [7,8].

2.2 Функционал и механические передачи проекта

Мы приступили к созданию механических передач. У каждой модели, присутствующей в нашем проекте есть свой функционал и механические передачи. Разберем каждую модель по отдельности.

Мы сконструировали ферму, поз названием «Милка», она находится на берегу реки и работает от микро гидроэлектростанции. Напор воды создается путем строительства плотин. Электростанция с поворотно лопастной турбиной. Вода толкает колесо, тем самым вырабатывается электроэнергия (Рисунок 2.2.1, Приложение).

При поиске информации (Рисунок 2.2.2, Приложение), мы решили, что для поддержания температуры на ферме, нами был сконструирован вентилятор (Рисунок 2.2.3, Приложение).

На ферме у нас работает робот-уборщик (Рисунок 2.2.4, Приложение), он заряжается от гидроэлектростанции. Робот-уборщик приносит коровам траву, при помощи тележки (Рисунок 2.2.5, Приложение).

Многофункциональность нашей фермы в том, что на нашей ферме установлена автопоилка для животных (Рисунок 2.2.6, Приложение). В колодце из которого пьют животные, вода обновляется каждые два часа.

Также в нашем проекте присутствует электрический раздатчик корма (Рисунок 2.2.7, Приложение). Кормушка вращается и через определенное время выдает животным корм. На нашей ферме располагается корова, которая пользуется всем функционалом, описанный выше (Рисунок 2.2.8, Приложение).

Таблица 1 – Предназначение и механические передачи проекта

2.3 Презентация проекта

Создать город будущего своими руками – такая задача стояла перед юными робототехниками Тюменской области. А так как важнейшим качеством современной городской инфраструктуры является организация энергоснабжения, именно этой теме были посвящены соревнования Регионального отборочного чемпионата по робототехнике, которые проходили 16 и 17 февраля в колледже цифровых и педагогических технологий в Тюмени.

В направлении «Лиги открытий» мы презентовали свой проект: «Ферма, работающая за счет ГЭС» – исследовали, готовили инженерную документацию, выполняли командное задание (Рисунок 2.3.1, Приложение).

Защитное слово к проекту:

Заключение

Мывнимательноизучилиинформациюогидроэлектростанции и о недостатках фермы, которые работают при помощи теплоэлектростанций.Рассматривая вопросы экологии, общемировой тенденции в развитии  «зеленой экономики» гидроэлектростанции также находятся в более выигрышном положении относительно других производств. Они экономят огромное количество ископаемого топлива и предотвращают выбросы большого количества углекислого газа и других загрязняющих веществ.

Чтобыневредить окружающей среде и своемуорганизму мыскомандойрешилисоздатьсвоюферму,в которой мы будем уверены на счет экологичности.

ДлянашегопроектамыиспользоваликонструкторизнабораLEGO® Education «Первые механизмы». В нашей работе были использованы следующие механизмы: ось,ременная передача, зубчатая передача, рычаг.

Наш проект «Ферма, работающая за счет ГЭС» (Рисунок 2.2.9, Приложение) - это отличный вариант, чтобыне загубить нашу планету и развивать сельское хозяйство.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуальногоразвития«МистерБрейн»,-Режимдоступа-https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкцииоживают/С.М.Богданова,Е.Е.Попова//«Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»:материалыVIIМеждународнойнаучно-техническойконф.2017С.160-163.Режимдоступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука,2013. 319с;

Интернетисточники

4. https://extxe.com/16428/jelektrostancii-vidy-harakteristiki-jelektrostancij/

5. https://tyumen.tpprf.ru/ru/chleny-tpp-to/23451/183499/192594/

6. https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/654247-energetika/

7. https://ferma.expert/jivotnie/krs/oborudovanie/kormorazdatchiki-dlya-ferm-krs/

8. https://dzen.ru/a/X6hDio61sjowqj_n

9. https://www.lely.com/ru/solutions/housing-and-caring/discovery/

10. https://www.renwex.ru/ru/ii/gidroehnergetika/

Приложение

Рисунок1.1.1 Энергетика в нашем мире Рисунок 1.1.2 Экскурсия в СУЭНКО

Рисунок1.1.3 Сибирско-Уральская энергетическая компания Рисунок 1.1.4 Типы электростанций

Рисунок1.2.1 Принцип работы гидроэлектростанции Рисунок 1.2.2 Гидрогенератор с

гидротурбиной

Рисунок1.3.1 Ферма Рисунок 2.1.1 Эскизы проекта

Рисунок 2.1.2 Форма проекта Рисунок 2.2.1 Гидроэлектростанция

Рисунок 2.2.2 Поиск информации по проекту Рисунок 2.2.3 Вентилятор

Рисунок 2.2.4 Робот-уборщик Рисунок 2.2.5 Тележка

Рисунок 2.2.6 Автопоилка Рисунок 2.2.7 Электрический раздатчик корма

Рисунок 2.2.8 Корова Рисунок 2.2.9 «Ферма, работающая за счет ГЭС»
на базе конструктора LEGO® Education
«Первые механизмы»

Рисунок 2.3.1 Презентация проекта