XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание учебного макета ГЭС с использованием Lego Mindstorms EV3 для демонстрации принципов гидроэнергетики

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Никонов А.Ю. 1Грозин К.И. 1Антипин Д.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Гидроэлектростанции (ГЭС) играют значительную роль в энергоснабжении многих регионов России. В ряде городов и поселков именно гидроэнергетика обеспечивает основную часть необходимой электрической энергии, что особенно важно для отдалённых и труднодоступных территорий. Свет в домах, работа промышленных предприятий, развитие инфраструктуры — всё это зачастую невозможно без бесперебойной работы ГЭС.

Знание принципов работы гидроэлектростанций имеет важное образовательное значение. Школьники, получая представление о фундаментальных процессах преобразования энергии, экологических аспектах и технических решениях, формируют целостное понимание современной энергетики. Практическое моделирование позволяет не только наглядно изучать сложные технические устройства, но и развивать инженерное мышление, творческие и исследовательские навыки.

В качестве эффективного средства обучения предлагается создать макет гидроэлектростанции на базе конструктора LEGO Mindstorms. Такой подход обеспечит наглядность, интерактивность и возможность самостоятельного экспериментирования для учащихся.

Цель работы — разработать и реализовать макет гидроэлектростанции на базе LEGO Mindstorms, предназначенный для изучения принципов работы ГЭС школьниками.

Задачи работы:

1. Изучить теоретические основы функционирования гидроэлектростанций и их значение для российских городов.

2. Проанализировать возможности конструктора LEGO Mindstorms для построения учебных моделей технических объектов.

3. Разработать конструкцию и создать макет гидроэлектростанции, отражающий основные процессы производства электроэнергии.

4. Разработать методику использования макета в образовательном процессе для достижения поставленных дидактических целей.

5. Оценить эффективность применения макета при обучении школьников принципам работы гидроэлектростанций.

Гидроэлектростанции не только способствуют развитию энергетической независимости регионов, но и играют важную роль в экологически чистом производстве электроэнергии, снижая выбросы вредных веществ в атмосферу. Поэтому понимание принципов их работы и особенностей эксплуатации является актуальной и необходимой задачей для подрастающего поколения, что делает создание учебных макетов особенно значимым для современной школы.

Глава 1. Теоретические основы гидроэлектростанций

1. 1. Принцип работы гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции (ГЭС) на протяжении многих десятилетий остаются одними из важнейших объектов электроэнергетики, играя ключевую роль в обеспечении стабильного и экологически чистого энергоснабжения городов, промышленных райониров и сельских поселений. Их эффективность и экологическая безопасность сделали гидроэнергетику приоритетным направлением развития многих энергетических систем в России и во всем мире.

В основе работы ГЭС лежит использование естественной энергии водных ресурсов — рек, озёр и водохранилищ. Вода накапливается в водохранилище, которое чаще всего создаётся за счёт строительства плотины. Плотина поднимает уровень воды, формируя значительный запас потенциальной энергии благодаря разнице высот между верхним и нижним бьефом (уровнями воды до и после плотины).

Когда возникает потребность в производстве электроэнергии, специальными затворами открывается доступ воде, и она через напорные трубы устремляется вниз к силовому оборудованию станции — турбинам. Поток воды оказывает существенное давление на лопасти гидротурбины, вызывает их вращение и таким образом преобразует потенциальную энергию воды в механическую энергию вращательного движения.

Далее к турбине подключен электрогенератор. В результате вращения ротора генератора в его обмотках по закону электромагнитной индукции возникает электрический ток. Полученная электроэнергия поступает на трансформаторы, где её напряжение повышают для дальнейшей передачи по линиям электропередачи на большие расстояния — к городам, предприятиям и домам.

Современные ГЭС оснащены сложными автоматизированными системами управления, которые позволяют точно настраивать расход воды через турбины с учётом изменяющихся потребностей энергосистемы. Это обеспечивает высокую гибкость — гидроэлектростанция может почти мгновенно увеличить или уменьшить выработку электричества, что особенно важно в часы пиковых нагрузок или при необходимости оперативного регулирования баланса энергосети.

К основным достоинствам ГЭС относятся:

• Экологическая чистота: практически полное отсутствие выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ при производстве энергии;

• Возможность быстрого регулирования мощности для поддержки устойчивости энергосистемы;

• Долговечность и надёжность оборудования — гидротурбины и генераторы могут работать десятилетиями при правильном обслуживании;

• Комментарии в локальном масштабе: водохранилище может использоваться для водоснабжения, ирригации, рекреации и рыболовства.

Вместе с тем у гидроэнергетики есть и свои особенности, которые важно учитывать. Строительство больших плотин и водохранилищ может приводить к изменению экосистем, затоплению земель и необходимости переноса населённых пунктов. Поэтому современное проектирование ГЭС включает детальное экологическое планирование.

Тем не менее, благодаря использованию возобновляемого ресурса — воды, работающая по принципу превращения природной энергии воды в электрическую энергию гидроэлектростанция остаётся одним из главных двигателей устойчивого развития энергетики. ГЭС позволяют покрывать значительную долю потребностей в энергии, способствуя снижению выбросов парниковых газов и укреплению энергетической безопасности страны.

В современном мире развитие гидроэнергетики приобретает всё больший смысл — это путь к энергонезависимости, экологичной экономике и технологии будущего, с которыми должны быть знакомы и подрастающие поколения.

1.2 Значение гидроэнергетики в России

Гидроэнергетика занимает особое место в энергосистеме России и по праву считается одним из важнейших секторов отечественной энергетики. Благодаря огромному водному потенциалу, обилию крупных рек и озёр, Россия входит в число мировых лидеров по развитию и использованию гидроэлектростанций. Среди всех возобновляемых источников энергии ГЭС обладает самой высокой долей в производстве электроэнергии в стране.

Роль гидроэлектростанций особенно значима для удалённых и труднодоступных регионов, где строительство традиционных электростанций на органическом топливе экономически или экологически нецелесообразно. Такие города, как Братск, Красноярск, Волгоград и другие, во многом обязаны своим промышленным развитием именно близости к мощным гидроэлектростанциям, которые обеспечивают не только электроэнергию для населения, но и создают базу для роста крупных промышленных предприятий

ГЭС позволяют эффективно стабилизировать работу всей энергосистемы, снижая зависимость от поставок топлива и минимизируя вред для окружающей среды. Благодаря их маневренности можно быстро регулировать уровень выработки энергии в зависимости от текущих потребностей, что особенно ценно во времена пиковых нагрузок.

Кроме того, развитие гидроэнергетики способствует выполнению международных обязательств России по снижению выбросов парниковых газов и переходу к «зелёной» экономике. Таким образом, гидроэлектростанции не только служат экономическим интересам страны, но и вносят огромный вклад в сохранение природы, улучшая экологическую ситуацию в отдельных регионах и стране в целом.

Сегодня понимание принципов работы и значения ГЭС становится особенно важным для молодого поколения, ведь развитие гидроэнергетики связано с внедрением новых технологий и отвечает на вызовы будущего.

1. 3. Основные компоненты гидроэлектростанции и их функции

Современная гидроэлектростанция — это сложный инженерный комплекс, в состав которого входит множество различных узлов и агрегатов. Каждый из них играет важную роль в процессе преобразования энергии падающей воды в электрическую.

1. Водохранилище

Водохранилище образуется путём сооружения плотины на реке. Оно служит для накопления большого объёма воды, что обеспечивает бесперебойность работы станции даже в периоды маловодья. Кроме того, водохранилища помогают регулировать уровень воды в реке, защищая прилегающие территории от паводков.

2. Плотина

Плотина — массивное гидротехническое сооружение, предназначенное для удерживания воды в водохранилище и создания необходимого напора. Благодаря плотине вода получает потенциальную энергию, которой и «заряжает» всю систему гидроэлектростанции.

3. Водозаборные сооружения и водоводы

Вода из водохранилища направляется по специальным каналам — водоводам — к турбинам. Водозаборные сооружения отвечают за подачу именно такого объёма воды, который необходим в текущий момент.

4. Турбина

Турбина — один из ключевых элементов ГЭС. Поток воды, падая на лопасти турбины, раскручивает её, передавая свою кинетическую энергию, которая затем переходит в механическую энергию вращения вала.

5. Генератор

Генератор соединён с турбиной общей осью. Вращение вала приводит к выработке электричества — механическая энергия преобразуется в электрическую при помощи электромагнитной индукции.

6. Электротехническое оборудование

Система трансформаторов и распределительных устройств отвечает за повышение напряжения выработанной энергии и её передачу в энергосистему страны.

7. Вспомогательные сооружения

Кроме основных, на территории ГЭС размещаются различные производственные, ремонтные и управленческие здания, а также системы автоматизации и контроля.

Таким образом, каждый компонент гидроэлектростанции работает в тесной связи с другими, обеспечивая надёжное, эффективное и безопасное производство возобновляемой электроэнергии.

Глава 2. Проектирование макета ГЭС на базе Lego Mindstorms

2.1 Выбор компонентов и технических решений

В основе разработки макета гидроэлектростанции для школьников был выбран образовательный робототехнический конструктор LEGO Mindstorms, обладающий широкими возможностями по моделированию механических процессов и автоматизации.

Первый этап: проектирование основных механизмов

На первоначальном этапе основное внимание было уделено созданию водонапорной трубы и имитации потока воды. Для этого был использован гусеничный механизм, который приводился в движение большим мотором. Гусеницы были установлены под углом, чтобы движение напоминало падение воды по трубе — ключевой процесс работы настоящей гидроэлектростанции.

Следующим шагом стало решение передать вращение от гусеничного механизма на рабочее колесо. Для изменения плоскости вращения была использована угловая передача. Передача вращательного движения осуществлялась через ременную передачу, что позволило реализовать более реалистичный принцип работы энергетического оборудования.

В реальных гидроэлектростанциях вращающееся рабочее колесо передаёт свою энергию на генератор. Используя детали LEGO City, в нашем макете для этого была продлена ось и собран макет генератора, что наглядно показывает принцип преобразования механической энергии в электрическую.

Второй этап: изготовление корпуса и вспомогательных элементов

На второй стадии работы был создан внешний каркас макета из пластика и картона. Из картона изготовлены дамба и основание под модель горы. Сама гора и особенности её рельефа выполнены по технике папье-маше, что добавило макету реалистичности.

В корпусе был предусмотрен специальный отсек для размещения управляющего блока EV3 и всей связанной электропроводки. Также было организовано пространство для механизма, имитирующего изменение уровня воды в верхнем бьефе.

Данный механизм приводится в действие средним мотором, который приводит в движение сложную систему из зубчатой, червячной и реечной передачи. Благодаря этому ножничный подъёмный механизм может опускать и поднимать синюю платформу, реалистично имитируя колебания уровня воды.

На дамбе макета был установлен замаскированный под кран ультразвуковой датчик. Его задача — отслеживать уровень воды: если платформа поднимается слишком высоко, датчик фиксирует это и активирует соответствующие механизмы сброса воды, а также воспроизводит движение всех остальных элементов макета ГЭС.

Таким образом, при выборе компонентов и создании макета были максимально учтены основные конструктивные элементы настоящих гидроэлектростанций и их взаимосвязь, а реализованная автоматизация позволяет наглядно и интересно продемонстрировать учащимся основные принципы работы ГЭС.

2.2 Описание управления и автоматизации процесса

Программная часть макета гидроэлектростанции построена с учётом максимальной автономности работы и автоматизации основных процессов, что приближает поведение модели к реальным объектам управления инженерной инфраструктурой.

За работу механизма подъема и опускания платформы, имитирующей уровень воды в верхнем бьефе, отвечает средний мотор, подключённый к контроллеру EV3. Алгоритм данного блока реализован следующим образом:

Запуск подъёма:

1. При старте работы макета средний мотор начинает поднимать платформу.

2. Контроль положения:

Как только ультразвуковой датчик (УЗД) фиксирует достижение платформой верхней точки (определяется по расстоянию), мотор останавливается.

3. Пауза и опускание:

После остановки мотор удерживает платформу в поднятом положении в течение 10 секунд, затем плавно опускает платформу вниз в течение 2 секунд.

4. Циклическая работа:

Описанный процесс реализован в бесконечном цикле, обеспечивая непрерывное движение воды, характерное для гидроэлектростанций.

Связь платформы с запуском основного механизма

Вторая функциональная программа отвечает за своевременное включение основного имитационного процесса движения воды и подачи энергии:

Входной сигнал — показания ультразвукового датчика, который находится на дамбе, замаскированный под кран.

Если платформа находится на достаточной высоте (датчик фиксирует минимальное расстояние), на контроллере срабатывает переключатель «режим сравнения», и в работу включается большой мотор.

Большой мотор через систему передач (гусеничный механизм, ременную и угловую зубчатую передачу с применением коронной шестерни) приводит в движение вращающееся рабочее колесо и связанные с ним элементы (генератор, передаточные механизмы).

Если ультразвуковой датчик не видит платформы, т.е. она опущена — большой мотор деактивирован, движение механизмов останавливается.

Таким образом, обе программные части тесно взаимодействуют между собой, обеспечивая моделирование не только механических, но и автоматизированных процессов управления, характерных для настоящих гидроэлектростанций. Использование циклов, условных операторов и датчиков позволяет реализовать интерактивную и полностью автономную работу макета.

Заключение

В рамках нашей курсовой работы был создан функционирующий макет гидроэлектростанции с использованием конструктора Lego Mindstorms, предназначенный для демонстрации принципов работы ГЭС школьникам. Главной целью проекта было наглядно показать механизм преобразования энергии воды в электричество, а также познакомить учащихся с ключевыми инженерными решениями, применяемыми в таких объектах.

После завершения технической части и программирования модели мы провели первую демонстрацию нашего макета в начальных классах школы. Ребята с интересом наблюдали за работой всех элементов — от подъема уровня воды до запуска "турбины" и "генератора", активно участвовали в обсуждении, задавали вопросы о назначении различных частей макета и значении ГЭС для городов и природы. Этот опыт показал, насколько важно вовлекать школьников в изучение современных технологий с первых лет обучения: наглядный пример помогает лучше понять сложные процессы и вызывает живой отклик.

В дальнейшем мы планируем организовать аналогичные презентации в средних и старших классах, чтобы еще больше учеников познакомились с работой гидроэлектростанций. Мы считаем, что подобные занятия необходимы не только для расширения кругозора, но и для формирования у школьников осознанного отношения к вопросам экологии и рационального использования природных ресурсов. Изучая работу ГЭС, учащиеся получают представление о современных источниках энергии, учатся понимать баланс между развитием города и сохранением окружающей среды, начинают задумываться о том, как они могут повлиять на будущее своей страны и планеты в целом.

Кроме того, раннее знакомство с инженерией и автоматизацией может сыграть решающую роль в профориентации. Возможно, кто-то из ребят вдохновится нашим проектом и выберет для себя путь инженера, проектировщика или исследователя в сфере возобновляемой энергетики, благодаря чему в будущем в стране появятся новые специалисты для развития технологий и инфраструктуры.

В целом, наш макет подтвердил свою эффективность как инновационное средство обучения и профориентации, а также подчеркнул, насколько важно доступно рассказывать подрастающему поколению о значении гидроэлектростанций для устойчивого развития современных городов и регионов России. Надеемся, что подобные инженерные проекты станут неотъемлемой частью образовательного процесса и будут способствовать воспитанию сознательных, инициативных и творчески мыслящих граждан.

Список использованных источников:

1. Гидроэнергетика России: современное состояние и перспективы развития // Российская академия наук, Институт энергетических исследований. – М.: Наука, 2022.

2. Андреев В.А. Основы гидроэнергетики. Учебное пособие. – М.: Издательство МЭСИ, 2018.

3. Справочник «Большая российская энциклопедия». Гидроэлектростанция. [Электронный ресурс] – URL: https://bigenc.ru/technology/text/2142792 (дата обращения: 12.06.2024).

4. LEGO Mindstorms EV3: Конструирование и программирование образовательных моделей. Методические материалы. – ООО «Лего Эдукэйшн», 2021.

5. Похил В.В., Шевченко С.А. Электроэнергетика: принципы и устройства. – М.: Энергоатомиздат, 2020.

6. Крутько О.С., Шульгин И.А. Макеты и модели объектов энергетики для школьников. // Журнал «Техника – молодёжи», 2022, №5.

7. Официальный сайт ПАО «РусГидро». Раздел «Для учащихся и преподавателей». – URL: https://www.rushydro.ru/activity/for_educational/

8. Российский образовательный портал «Энергия будущего». – URL: https://energo-portal.ru/ (дата обращения: 12.06.2024).

ПРИЛОЖЕНИЯ