МиниГЭС на очистных сооружениях. Условия практического применения.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Перевозкин И.А. 1Лактионов Н.Ф. 1Цаур Р.Е. 1Томилов А.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире возрастает необходимость в использовании альтернативных источников энергии для удовлетворения потребностей городов. Одним из таких источников является гидроэнергетика, которая может быть использована для производства электроэнергии с помощью гидроэлектростанций (ГЭС). В данной работе рассматривается идея создания мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях в городах.

Важность применения в городах как альтернативного источника энергии:

Города являются основными потребителями энергии и одновременно источниками загрязнения окружающей среды. Традиционные источники энергии, такие как ископаемые виды топлива, имеют негативное влияние на экологию и здоровье людей. Поэтому использование альтернативных источников энергии является приоритетной задачей для городов.

Гидроэнергетика предлагает решение этой проблемы. Водная энергия является безопасным, эффективным и экологически чистым источником энергии. Мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях предлагают двойную выгоду, сочетая в себе процессы очистки сточных вод и производства электроэнергии.

Цель данной работы заключается в исследовании возможности создания и эксплуатации мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях в городах в качестве альтернативного источника энергии. Основные задачи работы включают:

1. Изучить основные принципы и технологии очистки сточных вод на очистных сооружениях.

2. Рассмотреть принцип работы гидроэлектростанций и применение их в качестве альтернативного источника энергии.

3. Исследовать возможности создания мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях в городах, включая анализ доступного объема воды, гидравлического напора и потенциала генерации электроэнергии.

4. Провести примерные расчеты мощности и энергоэффективности мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях.

5. Оценить экологические и экономические выгоды такого проекта, включая снижение выбросов и экономию энергозатрат.

6. Сформулировать рекомендации по внедрению и использованию мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях в городах.

Работа написана вместе с «МиниГЭС на очистных сооружениях. Теоретические аспекты.»

Глава 1. Основные принципы и технологии очистки сточных вод на очистных сооружениях

Очистка сточных вод играет важную роль в современном обеспечении экологической безопасности и сохранении ресурсов. Она осуществляется на специализированных сооружениях, называемых очистными сооружениями. Целью очистки сточных вод является устранение загрязнений и снижение уровня загрязнения водных ресурсов до допустимых норм.

Основные принципы очистки сточных вод (рисунок 1.1, Приложения):

1. Механическая очистка: Этот этап включает удаление твердых и плавающих загрязнений из сточных вод. Для этого применяются сита, решетки, песколовки, отстойники и т.д.

2. Биологическая очистка: Биологическая очистка сточных вод основана на использовании микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей) для разложения органических загрязнений. Процесс включает в себя аэробное и анаэробное биологическое разложение веществ.

3. Химическая очистка: Химическая очистка применяется для удаления остаточных загрязнений, таких как фосфаты, нитраты, тяжелые металлы и другие взвешенные и растворенные вещества. Для этого используются химические реагенты, коагулянты, флокулянты и другие химические вещества[1].

Технологии очистки сточных вод на очистных сооружениях(рисунок 1.2, Приложения):

1. Активный иловый процесс (АИП): Одна из наиболее распространенных технологий биологической очистки сточных вод. Включает смешанный биосенсорный реактор для разложения органических загрязнений и осаждения активного ила.

2. Мембранная фильтрация: Эта технология использует мембраны для разделения загрязнений и очистки сточных вод от органических и неорганических веществ.

3. Ультрафильтрация и обратный осмос: Эти технологии основаны на пассивном проникновении сточных вод через мембраны с использованием давления или электрического потенциала, что позволяет удалить загрязнения и соли.

4. Аэрационный реактор: Процесс аэрации обеспечивает кислородное насыщение сточных вод для стимулирования биологического разложения загрязнений.

5. Ультрафиолетовая (УФ) обработка: УФ лучи используются для уничтожения бактерий, вирусов и других микроорганизмов в сточных водах.

Принципы и технологии очистки сточных вод на очистных сооружениях включают механическую, биологическую и химическую очистку. Различные технологии, такие как АИП[2], мембранные фильтры, ультрафильтрация, аэрационные реакторы и УФ обработка, используются для эффективной очистки сточных вод от загрязнений. Очистные сооружения играют важную роль в поддержании экологической стабильности и обеспечении безопасности водных ресурсов( рисунок 1.3, Приложения).

Глава 2. Принцип работы гидроэлектростанций и применение их в качестве альтернативного источника энергии

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одним из наиболее широко используемых альтернативных источников энергии (рисунок 2.1, Приложения). Они используют кинетическую энергию воды, преобразуя ее в механическую энергию и далее в электрическую энергию. Принцип работы гидроэлектростанций основан на использовании гидротурбин, генераторов и аккумуляционных водохранилищ.

2.1 Принцип работы гидроэлектростанций:

1. Захват энергии воды: ГЭС строятся на реках или резервуарах с высотным перепадом. Вода из реки или резервуара направляется через специальные сооружения - напорные трубопроводы или каналы, к гидротурбинам( рисунок 2.1.1, Приложения).

2. Гидротурбины: Вода, поступающая на гидротурбины, передает свою кинетическую энергию лопастям турбины, вызывая их вращение. Гидротурбины бывают разных типов: Каплепадные турбины, Пелтоновы турбины и Фрэнсисовы турбины. Выбор типа турбины зависит от условий эксплуатации, высоты падения воды и объема проточной воды.

3. Генераторы: Вращение гидротурбин приводит в движение генераторы, которые преобразуют механическую энергию вращения в электрическую энергию.

4. Трансформаторы и передача электроэнергии: Сгенерированная электрическая энергия проходит через трансформаторы для повышения или понижения напряжения в сети и затем передается на распределительные сети или промышленные потребители.

5. 2.2 Применение гидроэлектростанций в качестве альтернативного источника энергии:

1. Экологическая чистота: ГЭС являются чистым и экологически безопасным источником энергии. Они не выбрасывают вредных газов или отходов в атмосферу, что помогает снизить уровень загрязнения и сохранить природные ресурсы[3].

2. Устойчивость и постоянство: Гидроэнергетика является стабильным и надежным источником энергии, поскольку вода является непрерывным источником энергии и не подвержена колебаниям погоды или изменениям в спросе на энергию.

3. Потенциал для хранения энергии: ГЭС с аккумуляционными водохранилищами имеют возможность сохранять энергию в виде гидропотенциала. Это позволяет использовать энергию воды в пиковые периоды потребления и дополнять другие источники энергии.

4. Развитие региональной инфраструктуры: Постройка гидроэлектростанций способствует развитию региональной инфраструктуры, созданию рабочих мест и способствует экономическому развитию региона.

Гидроэлектростанции работают на основе преобразования энергии воды в механическую и далее в электрическую энергию. Они являются устойчивым и экологически чистым источником энергии, способным обеспечивать устойчивое развитие и снабжение электроэнергией.

Дополнительные преимущества гидроэлектростанций[4]:

1. Регулирование режима потока: ГЭС с аккумуляционными водохранилищами имеют возможность регулировать режим потока и объем воды, что позволяет управлять производством электроэнергии в зависимости от потребности.

2. Долговечность: Гидротехнические сооружения гидроэлектростанций обладают долгим сроком эксплуатации, что позволяет использовать их на протяжении десятилетий.

3. Низкая стоимость производства энергии: Гидроэлектростанции имеют низкие операционные расходы по сравнению с другими источниками энергии, такими как тепловые электростанции, нефтегазовые или ядерные электростанции.

4. Возможность сочетания с другими источниками энергии: ГЭС можно сочетать с другими альтернативными источниками энергии, такими как солнечная или ветровая энергия, что позволяет более эффективно использовать возобновляемые источники энергии.

Однако у гидроэлектростанций есть и некоторые ограничения и недостатки:

1. Влияние на экосистемы: Постройка гидроэлектростанций может привести к изменению экосистемы в окружающих районах, включая изменение течения реки, затопление суши, изменение водного биоразнообразия и т.д. Это требует проведения предварительного эко-экономического анализа и принятия соответствующих мер для минимизации негативного влияния на окружающую среду (рисунок 2.2.1 , Приложения).

2. Зависимость от рек: Гидроэнергетика полностью зависит от наличия рек и резервуаров с достаточным объемом воды. В периоды засухи или низкого уровня воды производство энергии может снижаться.

3. Высокая стоимость строительства: Постройка гидроэлектростанций требует значительных инвестиций, связанных с проектированием, строительством и обустройством вспомогательных инженерных сооружений.

4. Ограниченные места для строительства: Подходящие места для строительства гидроэлектростанций могут быть ограничены географическими и геологическими особенностями.

В итоге, гидроэлектростанции являются одним из наиболее эффективных и устойчивых источников энергии. Они играют важную роль в снижении зависимости от ископаемых видов топлива, снижении выбросов углерода и борьбе с изменением климата. Они предлагают надежный и стабильный источник энергии, способный обеспечивать электроснабжение на длительный срок.

Важно отметить, что выбор использования гидроэнергетики в качестве альтернативного источника энергии зависит от специфических условий каждого региона. Это включает оценку гидроэнергетического потенциала, социо-экономические факторы, воздействие на окружающую среду и множество других факторов, которые необходимо учитывать при принятии решения о строительстве гидроэлектростанций.

В будущем гидроэнергетика будет продолжать развиваться и играть важную роль в обеспечении устойчивою энергетической системы. Технологии гидроэнергетики будут совершенствоваться для повышения эффективности, снижения негативного влияния на окружающую среду и увеличения использования возобновляемых источников энергии[5].

Гидроэлектростанции -это одно из значимых направлений развития энергетики, способное удовлетворить растущий мировой спрос на энергию, при этом снижая нагрузку на окружающую среду и способствуя устойчивому развитию. Они остаются важным элементом энергетического микса и будут продолжать играть ключевую роль в будущем.

Глава 3. Возможности создания минигидроэлектростанций на очистных сооружениях в городах

Очистные сооружения, такие как станции очистки сточных вод (СОВ) или станции очистки питьевой воды (СОПВ)( рисунок 3.1, Приложения), обрабатывают и удаляют загрязнения из воды, чтобы сделать ее безопасной для окружающей среды и для использования в качестве питьевой воды. Во время процесса очистки вода проходит через различные этапы, которые иногда могут создавать потенциал для генерации электроэнергии[6].

3.1 Применение минигидроэлектростанций на очистных сооружениях может иметь несколько преимуществ:

1. Повышенная энергетическая эффективность: Режим работы очистных сооружений требует значительного количества электроэнергии. Установка гидроэлектростанции может частично или полностью обеспечить собственные энергетические нужды оборудования, что снизит зависимость от внешних источников энергии.

2. Сокращение выбросов углерода: Гидроэнергетика является чистым источником энергии и выбрасывает минимальное количество парниковых газов, по сравнению с источниками энергии, такими как уголь или нефть. Таким образом, использование минигидроэлектростанций может помочь снизить негативное воздействие на климат.

3. Дополнительный источник дохода: Если минигидроэлектростанция генерирует энергию в количестве, превышающем потребности очистных сооружений, избыточная электроэнергия может быть продана общественной сети, что может стать дополнительным источником дохода для города или муниципалитета.

4. Возможность снижения энергетической зависимости: Города и муниципалитеты могут столкнуться с проблемой зависимости от внешних поставщиков энергии. Установка минигидроэлектростанции позволяет сократить эту зависимость и обеспечить надежный источник энергии, что особенно важно в случае чрезвычайных ситуаций или отключений электроэнергии.

5. Повышение осведомленности об устойчивости: Внедрение гидроэнергетики на очистных сооружениях в городах может обучить местных жителей и посетителей об устойчивости и возможностях использования возобновляемых источников энергии. Это может привести к повышению осведомленности и содействовать более широкому принятию устойчивых практик.

6. Развитие технических навыков и инноваций: Создание минигидроэлектростанций на очистных сооружениях может способствовать развитию технических навыков в области гидроэнергетики и стимулировать инновации в этой области. Такие проекты могут быть площадкой для тестирования новых технологий, улучшения существующих систем и разработки эффективных методов использования гидроэнергии.

Однако перед реализацией таких проектов также необходимо учитывать ряд ограничений и проблем:

1. Финансовые вопросы: Строительство и эксплуатация минигидроэлектростанций требует значительных инвестиций. Также важно учесть себестоимость производства электроэнергии, чтобы она была конкурентоспособной с другими источниками энергии.

2. Технические ограничения: Доступность источников воды и гидравлический потенциал могут быть ограниченными на некоторых очистных сооружениях. Важно провести техническое исследование, чтобы определить возможность установки гидроэлектростанции и ее производительности( рисунок 3.2.1, Приложения).

3. Регуляторные вопросы: Существует ряд регулирующих органов и нормативных требований, которые могут оказать влияние на возможность строительства и эксплуатации гидроэлектростанции на очистных сооружениях. Необходимо ознакомиться с местными законами и лицензиями, а также получить все необходимые разрешения.

Создание минигидроэлектростанций на очистных сооружениях в городах представляет собой перспективное направление развития гидроэнергетики. Оно может способствовать устойчивости и эффективности энергосистем городов, а также содействовать сокращению выбросов парниковых газов. Тем не менее, для успешной реализации таких проектов важно провести тщательный анализ потенциала и сделать комплексную оценку всех факторов, учитывая как технические и экономические, так и экологические аспекты.

Глава 4. Примерные расчеты мощности и энергоэффективности мини гидроэлектростанции на очистных сооружениях

Расчеты мощности и энергоэффективности минигидроэлектростанции на очистных сооружениях зависят от нескольких факторов, таких как гидравлический потенциал, объем потока воды, общая эффективность системы и другие параметры. Представлю общий пример расчета:

1. Определение гидравлического потенциала: Необходимо измерить перепад высоты (например, разницу уровня между входом и выходом очистного сооружения), чтобы определить гидравлический потенциал. Это выражается в метрах.

2. Расчет объема потока воды: Измерьте объем потока воды, который проходит через очистное сооружение. Это может быть выражено в кубических метрах в секунду (м3/с) или галлонах в минуту (GPM). Обычно используется формула Q = A * V, где Q – объем потока воды, A – площадь поперечного сечения потока воды, V – скорость потока воды.

3. Определение мощности: Мощность минигидроэлектростанции может быть определена с использованием формулы P = ρ * g * Q * H, где P – мощность (в ваттах), ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения, Q – объем потока воды, H – гидравлический потенциал.

4. Определение энергоэффективности: Энергоэффективность можно определить, используя формулу электроэнергии, производимой гидротурбиной, поделенную на механическую энергию входного потока воды. Выражается в процентах энергии, которая преобразуется в электричество.

   1. Теоретическая мощность «идеальной» ГЭС для города Тюмени

N=p*Q

где N-мощность, в ваттах

p- давление перед турбиной, в паскалях

Q-расход воды, в м3 в секунду

При среднем объеме сбрасываемой воды в сутки равном 200 м3.

Q=200 000/86 400=2,3 м3/сек

P=45*10000=450000 паскалей

N=2,3 * 450000=1035000 Ватт

N=1035000 Ватт=1035 кВт

Реальные турбинные колёса небольших мощностей выдают 30-50% от теоретического значения.

Проанализировав расчеты, мы сделали вывод, что для создания мини ГЭС в городе Тюмени понадобится установка низконапорных турбин. Турбины Crossflow( рисунок 4.1.1, Приложения) действительно являются одним из типов низконапорных гидротурбин, которые могут использоваться на минигидроэлектростанциях с небольшим гидравлическим потенциалом. Они используют поперечный поток воды, что позволяет им эффективно работать даже при низком уровне водяного напора. Это делает их хорошим выбором для очистных сооружений, где вода может иметь относительно низкое давление.

Преимущества турбин Crossflow включают:

- Широкий диапазон рабочих условий: Они могут работать в широком диапазоне скоростей потока воды, что позволяет им эффективно использовать различные объемы потока.

- Высокая эффективность: Турбины Crossflow обычно имеют высокие коэффициенты полезного действия и хорошую энергоэффективность.

- Простота конструкции и монтажа: Они относительно компактны и просты в конструкции, что облегчает их установку и обслуживание.

Такая турбина при среднем объеме сбрасываемой воды в сутки равном 200 м3. сможет вырабатывать до 1000 кВт, такого количества энергии хватит на обеспечение электричеством самой очистной станции.

Малые ГЭС полностью автоматизированы, обеспечивают стабильную выработку электроэнергии в условиях изменения расхода воды.

Малые ГЭС имеют надежные и удобные средства контроля и управления работой оборудования с возможностью подключения к единой системе АСУ ТП предприятия. Площади и объемы строительных работ для установки малых ГЭС минимальные. Малая ГЭС может поставляться в виде готового блока в контейнере( рисунок 4.1.2, Приложения).

Заключение

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.

После построения модели из конструктора лего мы сделали примерные расчеты по реализации проекта в нашем родном городе Тюмени.

Для работы малой ГЭС предлагается использовать сбросы очищенной воды в первый биологический пруд, находящийся на территории очистных сооружений. Проведенные статистические исследования количества сбрасываемой воды позволили определить мощность МГЭС, и выбрать гидросиловое оборудование. В качестве гидросилового оборудования предложена установка микроГЭС контейнерного типа , представляющая собой собранное в мобильный корпус гидросиловое и вспомогательное оборудование. Себестоимость производимой электроэнергии 2,3 руб./кВт∙ч, капитальные затраты составили 426,342 тыс. руб., расчетный простой срок окупаемости составил 4,6 года, дисконтированный – 8,5 года при ставке дисконтирования 9,25 %. Проведенный анализ системы водоотведения показал возможность использования энергии воды на очистных сооружениях, при этом наиболее эффективным место для установки МГЭС является конечный этап очисти, как правило, это биологические пруды, куда вода поступает уже очищенная, без агрессивных элементов, к тому же, в этом месте вода самотечно вытекает, что не сказывается на работе насосов. Внедрение предложенного решения повышения энергоэффективности систем водоочистки с помощью малой ГЭС возможно реализовать с помощью энергосервисного контракта. Выработанную электроэнергию можно использовать на собственные нужды очистных сооружений, а прибыль от мероприятия направлять на ремонт и реконструкцию. Учитывая наличие каскада прудов-отстойников, возможна установка каскада малых ГЭС.

Список использованных источников:

1. Методика оценки энергетических характеристик возобновляемых источников / С. К. Шерьязов, О. С. Пташкина-Гирина, А. Т. Ахметшин, О. А. Гусева // Вестник БГАУ. 2018. № 1 (45). С. 114–124.

2. Основные характеристики российской электроэнергетики / Министерство энергетики РФ [Электронный ресурс]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/532

3. Ендальцев К. О., Гусева О. А. Использование гидравлической энергии в системе водоснабжения и водоотведения // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Материалы Междунар. Науч.-практ. Конф. Студентов, аспирантов и молодых ученых, посвящ. Памяти проф. Данилова Н. И. (1945–2015) – Даниловских чтений (Екатеринбург, 11–15 декабря 2017 г.). Екатеринбург : УрФУ, 2017. С. 728–732.

4. Гидроэнергетика. Серия «Энергетика». Под ред. Портнова А.М., Чубарова П.И., Михайлова В.Г. М.: Энергия, 2008.

5. Чистая вода: учебное пособие. Под ред. Водолазский Л.М., Голикова Е.И., Ивушина В.А. М.: ТЦ СФУ, 2012.

6. Шлюков А.А. «Турбины, генераторы и регулирование гидроэнергетических установок». М.: Энергоатомиздат, 2014

7. https://www.microhydro.ru/raschety-parametrov-ges/

8. https://npoelectro.pro/oborudovaniie_dlia_malykh_ges

9. https://aquaplus.ru/hydroPS/

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рисунок 4.1.4 Готовый проект Рисунок 4.1.5 Модель мини ГЭС