XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МиниГЭС на очистных сооружениях. Теоретические аспекты.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Самедов Д.И. 1Антипов Я.М. 1Асламин В.Н. 1Зуев П.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема истощения традиционных источников энергии и изменения климата стали основными вызовами для современного общества. В связи с этим остро встает вопрос о поиске и развитии альтернативных источников энергии. В данной научной работе мы сосредоточимся на источниках энергии, используемых в России, а также их использовании на очистных сооружениях под формой мини гидроэлектростанций (мини ГЭС).

Актуальность:

Устойчивое развитие и поддержание экологического равновесия являются основными задачами современного общества. В этом контексте актуально использование источников энергии, которые максимально снижают негативное воздействие на окружающую среду. Мини ГЭС на очистных сооружениях представляют собой одну из таких альтернатив энергии, которая способствует устойчивому развитию и сокращению выбросов парниковых газов.

Очистные сооружения являются неотъемлемой частью инфраструктуры для очистки сточных вод и обеспечения безопасности водоемов. Они обычно расположены на реках или других потоках воды, что делает их удобным местом для установки мини ГЭС. Это позволяет совместно использовать уже существующую инфраструктуру и получать дополнительную энергию из потока воды, проходящей через очистные сооружения.

Цель данной работы состоит в изучении работы мини гидроэлектростанций (мини ГЭС) на очистных сооружениях и разработке модели, которая позволит оценить их эффективность и потенциал.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Изучить виды источников энергии

2. Рассмотреть проблемы, с которыми сталкивается энергетика в России

3. Найти информацию о видах мини ГЭС

4. Изучить существующие исследования и публикации о работе мини ГЭС на очистных сооружениях.

5. Провести анализ исследований о работе мини ГЭС

6. Разработать модель, основанную на полученных данных и анализе.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах.

Глава 1. Виды источников энергии

1. 1. Невозобновляемые источники энергии

Невозобновляемые источники энергии являются природными ресурсами, которые расходуются намного быстрее, чем могут быть восстановлены(Рисунок 1.1, Приложения). Некоторые из наиболее распространенных невозобновляемых источников энергии включают[3]:

1.1.1 Нефть и природный газ - это ископаемые виды энергии, которые используются для производства топлива и электроэнергии. Они являются основным источником энергии во многих странах, но их запасы ограничены и будут исчерпаны через определенный период времени(Рисунок 1.1.1, Приложения).

1.1.2 Уголь - это также невозобновляемый ископаемый вид энергии, который используется для производства электроэнергии. Угольные залежи, хотя они могут длиться века, также будут исчерпаны со временем(Рисунок 1.1.2, Приложения).

1.1.3 Ядерное топливо - это вид энергии, получаемый путем расщепления атомных ядер. Он является невозобновляемым в том смысле, что запасы урана, основного ядерного топлива, ограничены(Рисунок 1.1.3, Приложения).

Невозобновляемые источники энергии имеют свои преимущества, такие как высокая энергетическая плотность и широкое использование на протяжении десятилетий. Однако их использование также связано с негативными последствиями, такими как выбросы парниковых газов, загрязнение окружающей среды и истощение ресурсов.

1.2 Возобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии являются экологически чистыми источниками энергии, которые возобновляются намного быстрее, чем они расходуются(Рисунок 1.2, Приложения). Некоторые из наиболее распространенных возобновляемых источников энергии включают[4]:

1.2.1 Солнечная энергия - это энергия, получаемая из солнечного излучения путем использования солнечных батарей или солнечных коллекторов. Она является одним из наиболее доступных источников энергии во многих регионах и имеет низкий уровень загрязнения(Рисунок 1.2.1, Приложения).

1.2.2 Ветроэнергетика - это энергия, получаемая из ветрового движения путем использования ветряных турбин. Ветроэнергетика также является экологически чистым источником энергии и имеет высокий потенциал в регионах с хорошими ветровыми ресурсами(Рисунок 1.2.2, Приложения).

1.2.3 Гидроэнергетика - это энергия, получаемая из энергии потоков и водопадов с использованием гидротурбин или ГЭС. Гидроэнергетика имеет большой потенциал и может быть эффективно использована в регионах с гористым ландшафтом и наличием рек(Рисунок 1.2.3, Приложения).

1.2.4 Биоэнергетика - это энергия, получаемая из органических материалов, таких как древесина, сельскохозяйственные отходы или биомасса. Биоэнергетика имеет низкий уровень выбросов парниковых газов и может быть использована для производства тепла и электроэнергии(Рисунок 1.2.4, Приложения)[4].

Использование возобновляемых источников энергии имеет ряд преимуществ, включая снижение выбросов парниковых газов, уменьшение зависимости от импорта энергии и повышение устойчивости энергосистемы. Однако они также имеют некоторые ограничения, включая зависимость от погодных условий или сезонности.

Глава 2. Проблемы энергетики в России

Энергетика является одной из ключевых отраслей экономики России. Она обеспечивает электроэнергией, теплом и газом не только промышленные предприятия и жилые дома, но и осуществляет поддержку жизнедеятельности всего населения страны. Однако, несмотря на свое стратегическое значение, энергетическая отрасль сталкивается с рядом серьезных проблем.

Первая проблема – это устаревшая инфраструктура. Значительная часть электростанций и тепловых сетей в России была построена еще в советский период и оказалась не готовой к новым вызовам и требованиям. Это приводит к низкой эффективности работы системы, большим потерям энергоресурсов и высоким экологическим рискам. Кроме того, отсутствие достаточного финансирования затрудняет модернизацию инфраструктуры.

Вторая проблема – это недостаток разнообразия в производстве энергии. В России доля угля и газа в энергобалансе является чрезмерно высокой, что делает отрасль уязвимой к изменениям цен на эти ресурсы и геополитическим рискам. В то же время, развитие альтернативных источников энергии таких как солнечная и ветровая энергия затрудняется из-за недостатка инфраструктуры и отсутствия подходящих технологий.

Однако, несмотря на все проблемы, у России имеются значительные возможности для развития энергетики. Богатые запасы природных ресурсов, большое количество доступной территории и опыт в области производства и экспорта энергоносителей позволяют стране стать лидером в сфере энергетики. Достижение этой цели требует комплексного подхода к решению проблем отрасли и активного участия государства, бизнеса и научного сообщества.

Роль государства в решении проблем энергетики в России оказывает значительное влияние на развитие отрасли. В силу своего положения, правительство имеет возможность определить стратегические приоритеты и направления развития энергетики. Одной из основных задач государства является обеспечение энергетической безопасности страны.

В первую очередь, государство должно способствовать модернизации и развитию производственных мощностей. Это позволит улучшить эффективность работы предприятий и увеличить объем производства энергии. Кроме того, необходимо стимулировать инвестиции в отрасль, чтобы обеспечить достаточное финансирование для реализации новых проектов.

Одной из ключевых задач государства является также поддержка альтернативных источников энергии. Развитие возобновляемых источников энергии позволит диверсифицировать энергетическую систему страны и сократить зависимость от нефтегазового сектора. Государство может предоставлять субсидии и налоговые льготы для развития альтернативных источников энергии, а также создавать условия для привлечения иностранных инвесторов.

Одной из важных функций государства является регулирование отрасли.

Глава 3. Гидроэлектростанции в России. Преимущества и недостатки. виды гидроэлектростанций. Мини гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одним из наиболее распространенных и эффективных источников возобновляемой энергии в России(Рисунок 3.1, Приложения). Они играют важную роль в обеспечении электроэнергией местных городов и регионов, а также способствуют экономическому развитию страны. В данном подразделе мы рассмотрим преимущества и недостатки использования гидроэнергии, а также основные виды гидроэлектростанций, включая мини ГЭС.

Перейдем к рассмотрению преимуществ гидроэнергетики. Во-первых, ГЭС не загрязняют окружающую среду выбросами углекислого газа или других вредных веществ. Это делает их одной из самых чистых форм производства электричества. Кроме того, гидроэнергия является надежным и стабильным источником энергии, поскольку зависит от постоянного движения воды в реках или озерах. Это позволяет обеспечивать непрерывное электроснабжение(Рисунок 3.3, Приложения).

Однако, помимо преимуществ, есть и некоторые недостатки гидроэнергетики. Во-первых, строительство гидроэлектростанций может привести к значительным экологическим последствиям. Речные долины затапливаются, что может привести к потере природной среды обитания для местных животных и растений. Кроме того, изменение естественного режима водотоков может повлиять на рыбные запасы и другие биологические системы.

Существует несколько видов гидроэлектростанций. Одна из самых распространенных форм - это плотинные ГЭС. Они строятся на больших реках с использованием специально созданной плотины, которая задерживает воду и создает перепад высот для работы турбин. Еще одним видом является приливная ГЭС, которая использует разницу уровня воды между приливом и отливом для получения энергии.

Мини ГЭС - это небольшие гидроэлектростанции с установленной мощностью до 10 МВт

3.1 Гидроэлектростанции в России: общий обзор

Гидроэлектростанции (ГЭС) в России являются одним из наиболее важных источников энергии. Они играют значительную роль в производстве электроэнергии и обеспечении потребностей страны. В данном подразделе мы рассмотрим преимущества и недостатки гидроэлектростанций, а также различные виды ГЭС, включая мини ГЭС.

В России существует несколько видов гидроэлектростанций. Одним из самых распространенных является плотинная ГЭС(Рисунок 3.1.1,Приложения), которая строится на больших реках и создает водохранилище, откуда происходит подача воды к турбинам для производства электричества. Еще одним видом является проточная ГЭС(Рисунок 3.1.2, Приложения), которая использует непосредственный поток реки без создания водохранилищ.

Мини гидроэлектростанции (МГЭС) - это небольшие ГЭС с установленной мощностью до 10 МВт(Рисунок 3.1.3, Приложения). Они строятся на небольших реках или потоках и могут обеспечивать энергией удаленные районы или отдаленные поселения. Они также имеют преимущество перед крупными ГЭС в экологическом плане, так как они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду и требуют меньше земли для строительства[1].

3.2 Преимущества и недостатки гидроэлектростанций в России

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одним из основных источников электроэнергии в России. Они имеют ряд преимуществ, которые делают их важным элементом энергетической системы страны.

Во-первых, гидроэлектростанции являются экологически чистым источником энергии. Они не выбрасывают вредные газы в атмосферу и не создают отходов, что способствует сокращению загрязнения окружающей среды. Также ГЭС не требуют использования полезных ископаемых, таких как уголь или нефть, что позволяет сохранить природные ресурсы.

Во-вторых, гидроэлектростанции обладают высокой надежностью работы. Водная энергия стабильно поступает на ГЭС, что обеспечивает постоянное производство электричества. К тому же, долговечность оборудования ГЭС позволяет им работать на протяжении десятилетий без серьезного ремонта.

Также следует отметить экономические преимущества гидроэлектростанций. Они обладают низкими эксплуатационными расходами, так как основной источник энергии - вода - является бесплатным ресурсом. Кроме того, ГЭС способствуют развитию регионов, в которых они находятся, создавая рабочие места и привлекая инвестиции.

Однако у гидроэлектростанций есть и недостатки. Прежде всего, строительство ГЭС может иметь негативное воздействие на природу. Создание водохранилищ может привести к затоплению значительных территорий, что приводит к потере экосистемы и вытеснению животных и растений.

Кроме того, изменение естественного режима реки может вызвать проблемы с поставкой воды для других отраслей хозяйства, например для сельского хозяйства или питьевого водоснабжения.

Из-за климатических условий России не всегда возможно использование больших гидроэлектростанций. В связи с этим разработка мини-гидроэлектростанций стала актуальной. Они имеют небольшую мощность и могут быть установлены даже на небольших реках или потоках

3.3 Разновидности гидроэлектростанций в России

В России существует несколько разновидностей гидроэлектростанций (ГЭС), каждая из которых имеет свои особенности и применяется в зависимости от местных условий. Одной из наиболее распространенных видов ГЭС является плотинная ГЭС[2], которая строится на реках с большим перепадом высоты. Этот тип станции представляет собой бетонную или каменную плотину, создающую водохранилище. Расход воды регулируется шлюзами или спусковыми штоками, что обеспечивает стабильный уровень энергопроизводства.

Еще одним видом ГЭС является поверхностная станция, которая строится на реках с небольшими перепадами высоты. Вода здесь направляется по каналам и турбинам, что обеспечивает эффективное использование потенциала водного потока. Такие станции часто используются для мелких рек или при отсутствии возможности создания водохранилищ.

Кроме того, в последние годы все большую популярность приобретают мини ГЭС. Это небольшие станции мощностью до нескольких десятков мегаватт, которые строятся на небольших реках или потоках. Они отличаются компактностью и низкой стоимостью строительства, что делает их доступными для использования в удаленных районах. Мини ГЭС способны обеспечивать электричеством сельские поселения и предприятия, уменьшая зависимость от традиционных источников энергии.

Мини гидроэлектростанции: особенности и перспективы

Мини гидроэлектростанции (Мини ГЭС) - это компактные энергетические установки, которые используют потенциал водных ресурсов для производства электричества. Они отличаются от крупных ГЭС меньшими размерами и мощностью, но при этом имеют свои преимущества и перспективы.

Одним из основных преимуществ Мини ГЭС является экологическая чистота. В отличие от традиционных электростанций на основе использования ископаемых видов топлива, Мини ГЭС не загрязняют атмосферу выбросами углекислого газа или других вредных веществ. Это делает их более устойчивыми с точки зрения окружающей среды и способствует сокращению выбросов парниковых газов.

Еще одним преимуществом Мини ГЭС является возможность использования водных ресурсов даже на удаленных и малонаселенных территориях. Благодаря своей компактности они легко размещаются на реках или потоках, что позволяет обеспечивать электроэнергией отдаленные населенные пункты или объекты.

Мини ГЭС имеют большой потенциал для развития в России. У нас огромное количество рек и потоков, которые можно использовать для производства электроэнергии. Мини ГЭС могут стать дополнительным источником возобновляемой энергии, что особенно актуально в условиях стремления к уменьшению зависимости от ископаемого топлива.

Однако у Мини ГЭС есть и некоторые недостатки. Один из них - высокие инвестиционные затраты на строительство и обслуживание таких станций. Кроме того, необходимость создания специализированных инфраструктурных объектов (например, дамб) может привести к определенным экологическим последствиям.

В заключение можно сказать, что Мини ГЭС представляют собой перспективное направление развития энергетики в России. Они сочетают в себе экологическую чистоту и возможность использования местных ресурсов для производства электричества

3.4 Мини ГЭС на очистных сооружениях

Мини гидроэлектростанции (Мини ГЭС) на очистных сооружениях являются одним из перспективных видов альтернативной энергетики в России. Они позволяют использовать потенциал малых рек и каналов, а также снижают нагрузку на окружающую среду(Рисунок 3.4.1, Приложения).

Очистные сооружения – это специализированные объекты, предназначенные для очистки сточных вод от загрязняющих веществ. В процессе очистки происходит формирование потока сточной воды, который может быть использован для работы Мини ГЭС.

Преимуществом Мини ГЭС на очистных сооружениях является то, что они позволяют эффективно использовать уже имеющуюся инфраструктуру и не требуют дополнительного пространства для строительства. Кроме того, они способствуют уменьшению выбросов парниковых газов и сокращению зависимости от традиционных источников энергии[6].

При этом следует учитывать недостатки данного вида гидроэлектростанций. Одним из основных недостатков является низкая мощность Мини ГЭС, которая не позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и покрытие потребностей больших промышленных объектов. Кроме того, строительство и эксплуатация таких станций требует значительных затрат, что может быть финансово недоступно для некоторых регионов.

В России на сегодняшний день уже функционируют несколько Мини ГЭС на очистных сооружениях. Они успешно работают и обеспечивают энергией близлежащие поселения. В будущем можно ожидать увеличения количества таких станций в стране, особенно в малонаселенных районах, где нет возможности подключения к централизованным энергетическим системам[8].

Таким образом, Мини ГЭС на очистных сооружениях представляют собой перспективное направление развития гидроэнергетики в России. При правильной организации и использовании данного вида энергии можно достичь снижения нагрузки на окружающую среду и диверсификации энергетического комплекса страны[7].

Глава 4. Практическая часть

Для создания модели мини ГЭС на очистных сооружениях из LEGO нам понадобилась большая пластиковая платформа LEGO в качестве основы. Это помогло создать прочную основу для модели. Начали с построения здания очистных сооружений. Это простое сооружение из прямоугольных блоков LEGO с отверстиями для "водного потока"(Рисунок 4.1, Приложения). Напротив здания очистных сооружений разместили здание с генератором"(Рисунок 4.2, Приложения). Мы использовали блоки LEGO, чтобы создать здание с вращающимся турбинным колесом внутри.

Для создания реки использовался синий материал, чтобы имитировать воду"(Рисунок 4.3, Приложения).

Соединили здание очистных сооружений и здание с генератором с помощью трубопроводов"(Рисунок 4.4, Приложения). Использовали для этого основы(диски) для колес, надетые на оси для передачи воды от очистных сооружений к турбинному колесу.

Добавили механизм, который будет выводить вращательное движение турбинного колеса наружу для использования. Установили мотор lego mindstorms, чтобы создать автоматическую работу генератора"(Рисунок 4.5, Приложения). В качестве генератора был взят куллер от системного блока компьютера"(Рисунок 4.6, Приложения). Чтобы продемонстрировать как энергия преобразуется в электричество, мы подключили светодиоды и провели провода в модель дома"(Рисунок 4.7, Приложения). Тем самым, когда крутился генератор в доме рядом загорался свет.

Заключение

В результате создания модели мини ГЭС на очистных сооружениях из LEGO мы смогли не только изучить принцип работы гидроэлектростанций, но и получить представление о процессе очистки воды и использования возобновляемых источников энергии. Это проект позволил нам не только развить наши навыки в строительстве из LEGO, но и познакомиться с основами водной энергетики и водоочистки.

В ходе работы нам удалось построить здание очистных сооружений, реку для течения воды, а также здание с генератором и механизмом для преобразования вращательного движения в электроэнергию.

Финальный результат - функциональная модель мини ГЭС на очистных сооружениях, которая демонстрирует процессы очистки воды и преобразования энергии. Мы можем использовать эту модель для демонстрации другим людям, чтобы поделиться нашими знаниями и вдохновить их на изучение возобновляемых источников энергии.

Этот проект позволил нам не только улучшить наши навыки в строительстве и творчестве, но и расширить наши знания о чрезвычайно важных аспектах окружающей среды и энергетической устойчивости. Мы поняли, как гидроэнергетика может играть важную роль в нашей жизни и как мы можем использовать возобновляемые источники энергии для сохранения нашей планеты.

В целом, проект создания модели мини ГЭС на очистных сооружениях из LEGO был интересным, познавательным и практическим опытом для нас. Мы рады, что смогли выполнить эту задачу и надеемся, что наша модель будет вдохновлять и развивать интерес к экологическим технологиям и возобновляемым источникам энергии.

Список использованных источников:

1. https://delta-eco.ru/problemy/malaya-gidroenergetika-rossii-i-v-mire-razvitie-maloj-gidroenergetiki.html

2. https://energoseti.ru/articles/gidroenergetika-rossii

3. https://www.renovablesverdes.com/ru/Невозобновляемые-источники-энергии/

4. https://helpiks.org/6-57878.html

5. https://o-nashey-planete.ru/bioenergetika-kak-alternativnyj-istochnik-energii/

6. https://build-make.ru/8729/stochnye-vody-kak-rabotajut-ochistnye-sooruzheniya/

7. https://istochnikienergii.ru/voda/mini-ges

8. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/74784/1/ersps_2018_163.pdf

ПРИЛОЖЕНИЯ