VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Водосточные воды многоквартирного дома как источник производства электрической энергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество на протяжении многих лет добывает уголь, нефть, газ для получения энергии. Энергия жизненно необходима для обеспечения работы электрических приборов, современная жизнь без которых не представляется возможной.
Потребление энергии с каждым годом все увеличивается. Это связано с увеличением численности населения на нашей планете и с современным уровнем технического развития.
Полезные ископаемые (углеводородное топливо - нефть, уголь, газ), которые используют для получения энергии, не возобновляются и через несколько поколений закончатся. Проблема перехода от традиционных источников получения энергии (полезные ископаемые) становится все более актуальной с каждым годом. И вопрос стоит не только в истощении природных ископаемых, но и в экологической составляющей, поскольку сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, создавая экологические проблемы.
В последние десятилетия активно развиваются альтернативные возобновляемые источники получения энергии (гидроэлектростанции, ветряные станции, солнечные электростанции, атомные электростанции). Но и эти источники получения энергии не полностью безопасны с экологической точки зрения (например, техногенные катастрофы на атомных и гидроэлектростанциях).
Таким образом, стоит задача обеспечения чистой и безопасной энергетики с использованием альтернативных источников энергии, применения инновационных эффективных технологий. Одним из таких «чистых источников» могут выступать сточные воды многоквартирных высотных домов (канализационные воды и воды от осадков).
Цель работы – обоснование перспективности использования сточных вод для производства электрической энергии (малые домовые ГЭС).
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
Изучить типы и источники энергии.
Изучить принципы работы гидроэлектростанции (ГЭС).
Провести оценку потенциала использования сточных вод.
Сделать выводы о перспективе использования сточных вод как источника производства электрической энергии.
Объект исследования – энергия, ее виды и источники.
Предмет исследования – использование энергии сточных вод многоквартирного дома для получения электрической энергии.
Тема энергетики является одной из важнейших проблем современного мира. Проведено множество исследований, опубликовано большое количество работ в сфере энергетики. Автором использовались источники из энциклопедий, а также специализированные публикации.
Автором исследована потенциальная возможность использования сточных вод многоквартирных домов для получения энергии. Сделан вывод о том, что использование такого источника энергии является перспективной технологией производства дополнительной энергии.
Основная часть
Типы и источники энергии.
Энергия – это свойство предмета совершать работу, действие. Без энергии предметы работать не смогут. Для живых организмов источником энергии является пища, для приборов и механизмов – горючее: электричество, бензин, газ и. т. п.
В физике энергия - это универсальная мера движения материи. В зависимости от видов движения материи различают энергию: механическую, тепловую, электрическую и другие виды.
Кратко рассмотрим основные виды энергии.
Механическая энергия - это энергия взаимодействия и движения физических тел. С древнейших времен механическая энергия известна человеку и применяется в устройствах: стрела, топор, повозка, парус, маятник, мельница и многие другие разнообразные механизмы.
Тепловая энергия – форма энергии, связанная с движением атомов и молекул и других частиц, из которых состоит тело. Чем выше скорость движения частиц, тем большей тепловой энергией обладает тело (пример – подогрев и закипание воды, в твердых телах движение частиц практически отсутствуют, поэтому они холодные). Тепловая энергия может выделяться в результате таких процессов, как: химическая реакция (горение), ядерная реакция (деление ядра), механическое действие (трение) и.т.п. В 19 веке тепловая энергия активно использовалась в транспорте: паровозы и пароходы.
Электрическая энергия - способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии. Электроэнергия - наиболее совершенный и универсальный вид энергии, сравнительно легко преобразующийся в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и др.. В наши дни электрическая является главным видом энергии, на котором работает множество приборов и устройств по всему миру, начиная от бытовых приборов в квартире, заканчивая сложным оборудованием в медицине, заводах и.т.д.
Источником получения энергии являются полезные ископаемые: уголь, нефть, газ. На протяжении многих лет человечество добывает уголь, нефть, газ для получения энергии. Потребление энергии с каждым годом все увеличивается. Только за последние 40 лет потребление энергии увеличилось в 4 раза. Полезные ископаемые, которые используют для получения энергии, не возобновляются и через несколько поколений закончатся.
Невозобновляемые источники энергии (уголь, нефть, газ) наносят значительный вред окружающей среде из-за выделения углеводородов в процессе горения. На долю невозобновляемых источников приходится 2/3 от всех источников производства энергии.
Кроме полезных ископаемых для получения энергии человечество использует альтернативные возобновляемые источники энергии. На сегодняшний день используют альтернативные источники энергии: солнце, ветер и вода и на их долю приходится всего 1/3 от источников получения энергии.
Рис. 1. Структура невозобновляемых и альтернативных источников энергии.
Главное преимущество альтернативных источников - это их экологичность, возобновляемость, неисчерпаемость.
Рис 2. Структура источников получения энергии.
На рис. 2 представлена структура источников получения энергии. Несмотря на широкое развитие альтернативных источников энергии, доля их в производстве энергии еще невелика.
Виды альтернативных источников.
ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.
Ветер дает механическую энергию – движение воздушных масс. В современном мире построено множество ветряных электростанций (далее – ВЭС). Принцип работы ветряных электростанций заключается во вращении лопастей от ветра и это вращение приводит в движение генератор. Затем энергия вращения с помощью генератора преобразуется в электрическую энергию. Подобный алгоритм получения энергии работает и гидроэлектростанциях, то есть принцип получения энергии от ветра и от воды схожий. Механическая энергия движения лопастей преобразовывается с помощью генератора в электрическую энергию.
Преимущества ВЭС: в ходе работы остается экологически чистый воздух, будет работать даже при самом слабом ветре (от 4 м/сек)1, простота механизма получения энергии. Ветры дуют везде, в любую погоду, независимо от времени суток, и в этом их существенное преимущество перед солнечным излучением.
Недостатки: непредсказуемость и непостоянство ветра, недостаток ветра в периоды безветрия, избыток энергии в ветреную погоду.
Есть неблагоприятные экологические аспекты работы ВЭС. Станции производят шум (механическое движение лопастей и аэродинамический шум от движения воздушных масс). Кроме того, ВЭС изымают часть энергии ветра и это приводит к снижению скорости ветра, что влияет на изменение климата на территории.
Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно вспомнить парусный флот и ветряные мельницы.
Первая в нашей стране ветряная электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг. под городом Курск. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во время Великой Отечественной войны была разрушена. Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт (мегаватт). В Дании с помощью ветрогенераторов производится 42% электрической энергии, в Испании – 20%. Самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США, здесь есть электростанции мощностью до 4 МВт.
Чтобы понять сколько может обеспечить ВЭС мощностью 4 МВт, обратимся к потреблению электроэнергии г. Екатеринбургом. В зимний период г. Екатеринбург ежесекундно потребляет 1000 МВт (все освещение города, домов, зданий, работа всех электроприборов на заводах, в помещениях, энергия на трамваи, метро, троллейбусы, электрическое отопление, кондиционирование и.т.д.). Чтобы обеспечить потребность г. Екатеринбурга необходима одновременная работа 250 ветряных станций мощностью 4 МВт.
Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. в России2.
ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА.
Солнце – это самый сильный источник энергии для нашей планеты. Без солнечного тепла и света любая жизнь на Земле не была бы возможна. Энергия солнца может использоваться для множества задач. Одна из них – это преобразование солнечной энергии в электрическую, в так называемое солнечное электричество. Для преобразования солнечного света в электричество используют солнечные батареи, солнечные зеркала.
Преимущества: неисчерпаемость, безопасность для окружающей среды, свободный доступ к источнику, высокий коэффициент полезного действия.
Недостатки: зависимость от погоды и времени суток; необходимость постоянной чистки зеркал от пыли и песка, эффективность только в тех частях земного шара, где много солнечных дней, сложность и высокая стоимость производства солнечной энергии. Для окружающей среды солнечные установки наносят вред в связи со значительным нагреванием воздуха, что приводит к изменению климата, флоры и фауны местности.
Кроме преобразования солнечной энергии в электрическую энергию с помощью солнечных зеркал, используют также вариант применения солнечного света по прямому назначению. Это использование тепла от солнца для нагрева воды, отопления помещений с помощью тепловых коллекторов.
Ученые утверждают, что того количества солнечной энергии, которая доходит от Солнца до Земли только за один день хватит, чтобы полностью обеспечить весь мир энергией на год. Солнечная энергия является самым быстрорастущим источником энергии. Основными странами-потребителями солнечной энергии являются Швеция, Дания, Германия, Франция, Турция, Израиль. На рис. 2 представлен ежегодный рост мощности солнечных установок. Эксперты прогнозируют, что при таком темпе роста использования солнечной энергии к 2050 году возможно обеспечить 25 % потребностей человечества в электричестве. 3
Рис. 2. Рост мощности солнечных установок.
В России самая крупная солнечная установка (входит в пятерку крупнейших солнечных электростанций) находится в Крыму, мощностью 80 МВт.4 Для обеспечения потребности г. Екатеринбурга в зимний период необходима работа 12 солнечных электростанций мощностью 80 МВт.
ЭНЕРГИЯ ВОДЫ.
Вода даёт механическую энергию – движение потока воды. Впервые человечество использовало водяное колесо для облегчения некоторых видов ручного тяжелого труда (IV до н.э.), например, для подъёма груза. Позже были изобретены водяные мельницы. Основная идея их работы - под действием движущегося потока воды вращается колесо. При этом происходит превращение энергии движения воды в механическую работу колеса. Такой же принцип использования энергии воды используется в современных гидроэлектростанциях (далее – ГЭС). Но на них происходит переход механической энергии в электрическую с помощью генераторов.
Преимущества: экобезопасность, постоянно пополняемый источник энергии (круговорот воды в природе), простота механизма получения энергии,
Недостатки: может использоваться только там, где есть водные источники и перепады ландшафта, высокая стоимость строительства ГЭС. Для окружающей среды есть опасность затопления территорий, разрушение ГЭС приведет к катастрофе.
Лидерами по выработке гидроэнергии (энергия воды) является Китай, Канада, США, Россия, Норвегия, Индия. В России первая промышленная ГЭС была построена в 1919 г., но уже в конце 19 в. строили небольшие ГЭС для обеспечения нужд в электроэнергии местных заводов.
На территории России на конец 2013г. работало 102 ГЭС, с общей суммарной мощностью 48 000 МВт.5 Самая крупная ГЭС – Саяно-Шушенская на реке Енисей, мощностью 6500 МГв, то есть такая ГЭС может обеспечить 6 городов как Екатеринбург. Самые крупные ГЭС работают на реках России: Енисей, Ангара, Волга, Кама.
Рассмотрим принцип работы ГЭС.
Плотина создаёт напор воды в водохранилище. Вода стекает через водозабор. Поток воды падает на турбину, вращает ее. Энергия потока воды преобразуется в энергию вращения от турбины. Затем энергия вращения с помощью генератора преобразуется в электрическую энергию.
Рис. 4 Принцип работы ГЭС.
Мощность ГЭС зависит от высоты падения воды, поэтому на ГЭС создают дамбы. Они так же позволяют регулировать величину потока воды.
Домовая ГЭС. Идея реализации.
Изучив принципы работы ГЭС, можно сделать вывод, что для производства электрической энергии достаточно найти падающие источники воды, которые вращали бы турбину.
И такие источники воды есть в многоквартирных высоких домах. В каждой квартире люди используют воду для хозяйственных нужд (раковины, ванны, душевые, посудомоечные и стиральные машины). Эти потоки воды можно централизовать и направлять в общую водосточную трубу.
Кроме того, можно использовать осадки (дождь, талые воды от снега), собирая течения в воронки на крыше и затем направлять в общую водосточную трубу.
Также можно использовать накопительные системы воды на верхних и средних этажах (баки со сбросом воды по настройке в пиковые нагрузки потребления электроэнергии). Поток воды не постоянный (вечером максимальный напор воды, ночью – минимальный). Также, как и потребление электрической энергии, вечером потребление электроэнергии максимальное (пиковая нагрузка). Такие системы накопления и регулируемого сброса воды позволят более эффективно использовать поток воды.
В крупных мегаполисах в настоящее время строятся в основном дома высокой этажности (более 20 этажей). У таких высоких домов, будет бо̀льший потенциал в получении энергии. Так как чем больше напор воды, тем больше будет выработка электроэнергии.
Приведем примерный расчет на 20 этажный 1 подъездный дом с количеством квартир 120, количеством жителей 325 чел.
В среднем житель в многоквартирном доме потребляет 60 квт.ч./месяц. 6 Таким образом, на личное потребление в квартире будет потрачено примерно 19500 квт.ч и дополнительно на общедомовые нужды (освещение двора, подъездов, работы лифтов, насосов и.т.п.) – 7000 квт.ч (исходя из площади мест общего пользования 1500 кв.м. и норматива потребления электроэнергии 5 квт.ч./кв.м.).
Объем потребляемой воды на 1 человека около 8 куб.м. в месяц, на всех жильцов около 2600 куб.м. в месяц.
Существуют методики расчета микроГЭС, в которых рассматриваются случаи для получения электрической энергии с небольшим напором воды, без строительства гидротехнических сооружений.7 Согласно расчетам методики можно рассчитать мощность турбины. Для нашего примера подойдет турбина с мощностью производства энергии 5000 Вт (5 КВт)8.
Таким образом, можно рассчитывать на получение энергии от домовой ГЭС на одном подъезде в объеме не менее 5 КВт.
На что можно расходовать полученную энергию? На любые задачи, в которых требуется электроэнергия.
Например, на освещение двора и подъезда. Мощности 5 Квт будет достаточно для обеспечения работы одновременно 100 ламп освещения мощностью 50 Вт.
Если же дом многоподъездный, то количество генераторов будет больше, а значит и количество получаемой энергии будет больше. Ее будет достаточно для использования в работе лифтов, освещения квартир и.т.д.
Заключение
В работе рассмотрены современные проблемы, стоящие перед человечеством, связанные с вопросами энергетики. Доля альтернативных источников получения энергии возрастает с каждым годом и весь мир находится в постоянном поиске новых и более эффективных способов получения энергии.
Автором предложен вариант использования сточных вод многоквартирного дома - как один из альтернативных источников получения энергии.
Сделаны выводы, что еще на этапе строительства современных домов необходимо применять новые технологии, позволяющие не только повышать энергоэффективность дома, но и использовать сточные воды как источник получения энергии. Уже сейчас нормы строительства домов требуют обеспечивать необходимый уровень энергоэффективность домов (сокращение потребление энергии): установка датчиков движения для освещения, окна с повышенной теплоизоляцией, автоматическое регулирование теплоснабжения домов в зависимости от температуры воздуха на улице и прочие мероприятия. Но нужно не только внедрять энергосберегающие технологии, но и использовать альтернативные источники получения энергии. В настоящее время использование альтернативных источников получения энергии на домах практически не развито (только в отношении солнечной энергии применяют технологии получения энергии). А использование энергии воды в домах еще не реализовано.
Использование энергии воды, установка микроГЭС в домах позволит получать энергию, которую можно направлять на общедомовые нужды: освещение двора, подъездов, работа лифтов и многое другое.
Список использованных источников и литературы
Ветроэнергетика [Электронный ресурс]// https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
Гашинский Ю.П. Методика расчета, обзор конструкций и компоновка микро ГЭС [Электронный ресурс] //http://www.creeed.net/wp-content/uploads/2013/06/Gashinsky%20HPP.pdf
Каталог МикроГЭС. [Электронный ресурс]// http://weswen.ru/hydro_catalog/
Обзор мирового рынка 2018 – 2022 [Электронный ресурс] // http://www.solarpowereurope.org/global-market-outlook-2018-2022/
Перспективы и технологии в области энергетики. [Электронный ресурс]. МЭА // https://webstore.iea.org/download/summary/946?fileName=Russian-ETP-2006-ES.pdf
Потребление электроэнергии средним жителем. [Электронный ресурс]// http://www.geoglobus.ru/info/review27/515-climate-change.php
Принцип работы двигателей ветряной электростанции [Электронный ресурс] // https://madenergy.ru/stati/princip-raboty-dvigatelej-vetryanoj-ehlektrostancii.html
Солнечная энергетика [Электронный ресурс] // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
Список гидроэлектростанций России. [Электронный ресурс] // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA_%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B9_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8
1 Принцип работы двигателей ветряной электростанции// https://madenergy.ru/stati/princip-raboty-dvigatelej-vetryanoj-ehlektrostancii.html
2 Ветроэнергетика // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
3 Обзор мирового рынка 2018 - 2022 // http://www.solarpowereurope.org/global-market-outlook-2018-2022/
4 Солнечная энергетика // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
5 Список гидроэлектростанций России // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA_%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B9_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8
6 Потребление электроэнергии средним жителем // http://www.geoglobus.ru/info/review27/515-climate-change.php
7 Гашинский Ю.П. Методика расчета, обзор конструкций и компоновка микро ГЭС.
8 Каталог МикроГЭС. http://weswen.ru/hydro_catalog/