Миниэлектростанции на разных видах энергии

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Миниэлектростанции на разных видах энергии

Бакин Е.О. 1Прокопенко П.А. 1Сахаров А.Д. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Денисова С.С. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Жизнь на нашей планете существует благодаря энергии. Энергия проявляется во многих формах. Тепло, свет, звук, микроволны, электричество.......Все это различные виды энергии. Все процессы в природе требуют энергии. В каждом процессе один вид энергии преобразуется в другой.

Электричество играет очень важную роль в нашей жизни. Практически все вокруг нас работает от электричества. Например, в доме это бытовые приборы: телевизоры, стиральные машины, холодильники, компьютеры, лампочки для освещения. На дорогах - троллейбусы, трамваи, электровозы и даже автомобили работают на электричестве и. На заводах на электричестве работают такие сложные механизмы, как станки и печи.

Значение выработки электрической и тепловой энергии для собственных нужд или вблизи конкретных потребителей растет с каждым годом. Эта тенденция уже усиливается в западных странах, например в Дании, где на долю децентрализованной генерации приходится около 50% всей производимой в стране электроэнергии. В то время как в России малая генерация делает скорее первые шаги.

Во многом это связано с историческими особенностями развития нашей страны, где энергетика долгое время существовала как единый хозяйственный комплекс. В результате Единая энергетическая система (ЕЭС) России сформировалась и функционирует по принципу централизованной выработки электроэнергии и концентрации генерирующих мощностей на крупных электростанциях.

Однако в рыночных условиях потребители требуют экономической целесообразности, в том числе снижения затрат на энергоснабжение, что ставит перед отраслью новые задачи, которые существующие системы решить не в состоянии. Постоянный рост цен на электрическую и тепловую энергию привел к тому, что все большее число потребителей рассматривают возможность самостоятельной выработки электроэнергии.

Цель исследования: изучить традиционные виды энергии, работу тепловых и гидроэлектростанция, а также разработать инновационные модели миниэлектростанций на базе конструктора LeGo Wedo 1.0.

Задачи исследования:

  • рассмотреть основные виды источников энергии;

  • проанализировать работу ТЭЦ и ГЭС, оценить их преимущества и недостатки;

  • сконструировать и запрограммировать инновационные модели миниэлектростанций, работающих за счет энергии воды и тепловой энергии

В качестве источников мы использовали информационный сайт wikipedia, интернет журналы и научные статьи. При оформлении проекта и конструировании движимых его частей были использованы книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [1, 2]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Теоретическая часть исследования

1.1. Способы выработки электроэнергии

Согласно современным научным представлениям, энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. Различают энергию механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную, ядерную, химическую, гравитационную и др.

Для жизнедеятельности человека наиболее важное значение имеет потребление электрической и тепловой энергии, которые возможно извлекать из природных источников – энергоресурсов.

Энергоресурсы – это первичные источники энергии, находящиеся в окружающей природе.

Среди различных видов энергии, используемых человеком, особое место занимает наиболее универсальный из ее видов – электрическая энергия.

Электроэнергия получила широкое распространение благодаря следующим характеристикам:

  • может быть получена практически из всех энергоресурсов при умеренных затратах;

  • легкость преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, звуковую, световую, химическую);

  • возможность относительно простой передачи энергии в больших количествах на большие расстояния с высокой скоростью и относительно небольшими потерями;

  • возможность использования в устройствах различной мощности, напряжения и частоты.

Электрической энергией человечество пользуется с 80-х годов XIX века.

Рассмотрим наиболее основные виды источников энергии.

Солнечная энергия - является самым богатым из всех энергетических ресурсов и может использоваться даже в пасмурную погоду. Скорость, с которой солнечная энергия улавливается Землей, примерно в 10 тыс. раз превышает скорость, с которой человечество потребляет энергию.

Солнечные технологии могут обеспечивать тепло, охлаждение, естественное освещение, электричество и топливо для множества применений. Эти технологии позволяют преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических панелей либо зеркал, концентрирующих солнечное излучение (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Ветроэнергетика - использует кинетическую энергию движущегося воздуха с помощью больших ветряных турбин, расположенных на суше (наземные ветроэлектростанции) или в морской или пресной воде (морские/прибрежные ветроэлектростанции). Энергия ветра используется на протяжении тысячелетий, однако за последние несколько лет технологии наземной и морской ветроэнергетики эволюционировали в направлении максимального увеличения объема производимой электроэнергии за счет более высоких турбин и большего диаметра вращающейся части (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Геотермальная энергетика - использует доступную тепловую энергию недр Земли. Тепло получают из геотермальных резервуаров посредством бурения скважин или иными способами (Рисунок 1.1.3, Приложение).

Резервуары, которые по своей природе являются достаточно горячими и проницаемыми, называются гидротермальными резервуарами, а достаточно горячие резервуары, улучшенные с помощью гидравлической стимуляции – усовершенствованными геотермальными системами. Оказавшиеся на поверхности жидкости разной температуры могут быть использованы для выработки электроэнергии.

Гидроэнергетика - использует энергию воды, перемещающейся с большей высоты на меньшую. Такая энергия может быть получена с помощью водохранилищ и рек. Гидроэлектростанции на водохранилищах задействуют находящиеся в них запасы воды, в то время как русловые ГЭС используют энергию доступного речного стока.

Гидроэнергетические водохранилища часто служат нескольким целям, обеспечивая питьевую воду и воду для орошения, возможность бороться с наводнениями и засухами, навигационные услуги и энергоснабжение (рисунок 1.1.4, Приложение).

Биоэнергию - получают из разных органических материалов, называемых биомассой, таких как древесина, древесный уголь, навоз и другие органические удобрения, применяемые для производства тепла и электроэнергии, и сельскохозяйственные культуры, применяемые для производства жидких видов биотоплива (Рисунок 1.1.5, Приложение).

К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции. В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив (Рисунок 1.1.6, Приложение).

Обычно ТЭЦ строят вблизи потребителей тепла: промышленных предприятий или для снабжения теплом и горячей водой жилых массивов, городов, посёлков и т. п.

Атомная энергетика - занимается производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. АЭС для производства энергии в заданных режимах и условиях применения располагается в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используется ядерный реактор и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений (Рисунок 1.1.7, Приложение) [4].

Далее рассмотрим подробнее работу наиболее распространенных электростанций в России – ТЭЦ и ГЭС.

1.2. Принципы работы ТЭЦ и ГЭС, преимущества и недостатки

Под электростанцией подразумевается комплекс устройств, оборудования и аппаратуры, предназначенных для выработки электрической энергии. Сюда также относятся необходимые для этого строения и здания, которые расположены на соответствующей территории. Независимо от видов электростанций большинство из них функционирует за счет энергии вращения вала генератора.

Основным элементом в устройстве считается электрогенератор, который выполняет следующие функции:

  1. Гарантирует непрерывную работу одновременно с другими энергосистемами и обеспечивает энергией собственные автономные нагрузки.

  2. Обеспечивает быстрое реагирование на наличие или отсутствие нагрузки, которая соответствует его номинальному значению.

  3. Производит запуск электродвигателя, обеспечивающего функционирование всей станции. Совместно со специальным оборудованием выполняет защитные функции.

Каждый генератор отличается формами, размерами и источником энергии, который вращает вал.

ТЭС —тепловая электрическая станция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце XIX века и получили преимущественное распространение в середине 70-х гг. XX века. Для ее работы используется природное топливо, а она может быть конденсационной (КЭС) или теплофикационной (ТЭЦ) (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Тепловые электростанции России создают около 75% от всей электроэнергии. Для их функционирования используется мазут, уголь, газ, а в некоторых регионах - торф и сланцы. На теплоэлектроцентралях кроме электрической производится тепловая энергия [5].

Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Пример, Тюменские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 являются основными источниками теплоснабжения города (Рисунок 1.2.3, Приложение). Работают на природном газе. Газ – самое распространенное топливо для тепловых электростанций. А на комбинированных ТЭЦ, где электроэнергия и тепло производятся в едином технологическом процессе, происходит наиболее полное использование тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива

Преимущества:

  • используемое топливо достаточно дешево.

  • требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями.

  • могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива. Топливо может транспортироваться к месту расположения электростанции железнодорожным или автомобильным транспортом.

  • занимают меньшую площадь по сравнению с гидроэлектростанциями.

  • стоимость выработки электроэнергии меньше, чем у дизельных электростанций.

Недостатки:

  • загрязняют атмосферу, выбрасывая в воздух большое количество дыма и копоти.

  • более высокие эксплуатационные расходы по сравнению с гидроэлектростанциями.

Гидроэлектростанция (ГЭС) —электростанция, использующая в качестве источника энергии движение водных масс в русловых водотоках и приливных движениях; вид гидротехнического сооружения (Рисунок 1.2.4, Приложение). Гидроэлектростанции обычно строят на реках. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Принцип работы ГЭС состоит в том, что энергия напора воды с помощью гидроагрегата преобразуется в электроэнергию. Необходимый напор воды обеспечивается посредством сооружения плотины и водохранилища и, как следствие, концентрации реки в определённом месте; или же естественным потоком воды, зачастую с деривацией. В некоторых случаях для получения необходимого напора используют совместно и плотину, и деривацию.

В гидроагрегате вода поступает на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие гидрогенератор, и вырабатывающий непосредственно электроэнергию. Всё энергетическое оборудование располагается в здании гидроэлектростанции. В зависимости от назначения, здание имеет своё определённое деление. В машинном зале расположен электрогенератор. Есть ещё всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля работы ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое (Рисунок 1.2.5, Приложение).

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии они используют возобновляемые природные ресурсы. В виду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций [6].

Преимущества:

  • использование возобновляемой энергии;

  • очень дешёвая электроэнергия;

  • работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;

  • быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции;

  • простая эксплуатация;

  • минимальные затраты труда.

Недостатки:

  • затопление пахотных земель;

  • строительство ведётся только там, где есть большие запасы энергии воды;

  • горные реки опасны из-за высокой сейсмичности районов;

  • экологические проблемы: загрязнение рек, снижение численности рыб, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелётных птиц и т.д.

Стоит отметить, что проблемы, возникающие перед локализованными или изолированными от центрального энергоснабжения потребителями, как правило, решаются путём организации иных способов поставки необходимых энергоносителей. В качестве одного из источника их могут выступать миниэлектростанции.

Глава 2. Практическая часть

Мы рассмотрели все существующие виды энергии, изучили принцип работы наиболее популярных в России видов электростанций – тепловая и гидроэлектростанция, проанализировали их достоинства и недостатки.

В процессе исследования мы выявили, что наша Тюменская область входит в пятерку лидеров по темпам строительства в России. Особенно быстро растут коттеджные поселки, как в пределах города, так и далеко.

Изучив эту тему с командой, мы обнаружили: земля есть, а электричество еще не проведено.

Поэтому придумали проект мобильной мини электростанции двух видов:

  1. мини ТЭЦ, которая работает за счет топлива, а именно газа;

  2. мини ГЭС, которая состоит из административного блока, дамбы и турбины.

Мини-ТЭЦ или малая теплоэлектроцентраль представляет собой энергетическую теплосиловую установку, предназначенную для электроснабжения и теплоснабжения потребителей. Фактически – это та же тепловая электростанция, но малой мощности, принцип работы которой основан на сжигании разнообразных видов топлива.

Мини ГЭС, или малые гидроэлектростанции – это гидроэлектростанции, которая вырабатывает относительно малое количество энергии. Его достаточно для снабжения частного дома, дачного или иного участка, расположенного недалеко от реки. Необходимость использования мини-ГЭС часто вызвана невозможностью полноценного снабжения электроэнергией и ростом стоимости тарифов. При наличии реки или даже ручья можно соорудить малые ГЭС для личных нужд.

2.1. Внешний вид модели

Наш проект мини ТЭЦ и мини ГЭС был построен на базе конструктора LEGOWeDo 1.0, а также LeGo City. Для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LEGOWeDo 1.0

Для создания проекта мини ТЭЦ нам потребовалось два мотора, два коммутатора, датчик расстояния и датчик наклона. Принцип работы: установка в малых масштабах повторяет техническую схему работы ТЭЦ, где вращение лопастей турбины под воздействием топливно-воздушной смеси преобразуется генератором в электрическую энергию (Рисунок 2.1.1, Приложение).

«Мотор 1» отвечает за работу мобильной мини ТЭЦ, где с помощью осевой, зубчатой и реечной передачи происходит работа электрогенератора. «Мотор 2» отвечает за работу строительного погрузчика с помощью сложных механизмов – червячной передачи и системы рычагов (Рисунок 2.1.2, Приложение).

Для создания проекта мини ТЭЦ нам потребовалось: один мотор, коммутатор и датчик наклона

«Мотор» отвечает за работу самой гидроэлектростанции, где с помощью кулачкового механизма, угловой зубчатой передачи происходит запуск турбины, вырабатывающей электричество. За счет чего начинается вращаться карусель (здесь присутствует ременная передача). (Рисунок 2.1.3, Приложение).

2.2. Программа для запуска модели и его демонстрация

Проект мини ТЭЦ запускается при помощи программного обеспечения LegoWeDo. Датчик расстояния на мини ТЭЦ видит движение генератора и фиксирует выработку электроэнергии. Строительный погрузчик управляется с помощью датчика наклона. Это отражается на работе грузовой каретки соответственно вверх или вниз (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Проект мини ГЭС также запускается при помощи программного обеспечения LegoWeDo. Так датчик наклона позволяет управлять мощностью работы гидроэлектростанции (делать меньше или больше, либо останавливать ее).

Основные способы передачи задач от компьютера к модели:

-ожидание реакции датчика наклона (используем три положения – вправо, влево или ровно);

- обмен сообщениями (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Наши мобильные мини электростанции являются достаточно актуальным проектом, так как они обладают:

  • автономностью,

  • компактностью,

  • независимостью,

  • близостью к потребителю

  • возможностью выступать в роли дублирующего (резервного) источника любых необходимых энергетических ресурсов

Заключение

Проведенный анализ показывает основные преимущества и недостатки современной малой энергетики в России. Несмотря на привлекательность для потребителей и несомненную эффективность, распределенная генерация пока не является полноценным элементом российской энергосистемы. Официальные документы если и говорят о необходимости ее развития, то чаще всего применительно к энергетически изолированным или удаленным районам, нежели как о полноценной альтернативе традиционному централизованному энергоснабжению по всей стране.

Мы считаем, что реализация нашего проекта на практике позволит осваивать новые земли, независимо от удаленности от города. А использование возобновляемого природного ресурса (воды) позволяет сохранять запасы топлива и снижать вредные выбросы в атмосферу.

Список используемой литературы:

  1. LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

  2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

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

Интернет источники:

  1. https://istochnikienergii.ru/drugie/tipy-istochnikov-energii

  2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_электростанция

  3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроэлектростанция

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1.1.1. Солнечная энергия Рисунок 1.1.2. Ветровая энергия

Рисунок 1.1.3. Геотремальная энергия Рисунок 1.1.4. Энергия воды

Рисунок 1.1.5. Биоэнергия Рисунок 1.1.6. Тепловая энергия

Рисунок 1.1.7. Атомная энергия Рисунок 1.2.1. ТЭС —тепловая электрическая станция

Рисунок 1.2.2. Принцип работы ТЭЦ

Рисунок 1.2.3. ТЭЦ в г. Тюмени Рисунок 1.2.4. Гидроэлектростанция

Рисунок 1.2.5. Схема плотины гидроэлектростанции

Рисунок 2.1.1. Работа над проектом

Рисунок 2.1.2. Внешний вид модели мини ТЭЦ

Рисунок 2.1.3. Основные механизмы в модели мини ТЭЦ

Рисунок 2.1.4. Основные механизмы в модели мини ГЭС

Рисунок 2.2.1. Программа для запуска модели мини ТЭЦ

Рисунок 2.2.2. Программа для запуска модели мини ГЭС

Просмотров работы: 53