Исследовательская работа "Возможности исследования мини гидротурбин для получения гидротурбин"

Bведение.

Ha сегодняшний день существует множество предприятий, фабрик, заводов и т.д. Поэтому энеpгия становится ценнейшим ресурсом. Методы экономии энергии: разработка нoвых технoлогий, coкращение качества продукции или создание альтернативных источников энергии.

Т.к. возобновляемые источники энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.

Европейская комиссия к 2020 году в странах Евросоюза индустрии возобновляемой энергетики планирует создать 2,8 миллионов рабочих мест. Промышленность возобновляемой энергетики будет составлять 1,1 % ВВП.

В 2010 году альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 4,9% всей потребляемой человечеством энергии.

В Казахстане возобновляемые источники энергии находится на низком уровне по сравнению с США и ЕС. Сформировавшуюся ситуацию можно объяснить большими запасами традиционных ископаемых энергоносителей.

ООН сообщает, что в 2008 году во всём мире было инвестировано $140 млрд в проекты, связанные с альтернативной энергетикой, а в производство угля и нефти было инвестировано $110млрд.(Приложение№3). Из всего вышесказанного можно выделить основные пункты:

1. Востребованность

2. Экологичность

3) Экономичность

Глава I. Альтернативные источники энергии-путь к сохранению природных ресурсов.

1.1Откуда берется электричество

Человек в современном мире настолько привык к достижениям науки и техники, что трудно представить, как можно обойтись без электричества. В 1800 году итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии. Алессандро Вольта с 1774 года по 1779 год преподавал физику в гимназии в Комо, в 1779 году стал профессором университета в Павии, а с 1815 года — директор философского факультета в Падуе. Алессандро Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока (Вольтов столб). В честь этого события фамилию учёного увековечили, и с того времени напряжение тока измеряется в вольтах. Если бы не было электричества, то человеку не пришлось бы пользовать большинством благ цивилизации и пересесть с шикарных автомашин на одну лошадиную силу. Откуда же берётся электричество, и каким образом оно попадает к потребителю электроэнергии? Электрический ток, который попадает в розетки и светильники вырабатывается на электростанции с помощью специальной машины – турбоэлектрогенератора. Как он работает? Неподвижная часть турбоэлектрогенератора называется статором, это двухполярный магнит, внутри статора вращается ротор, который обмотан медной проволокой. Вращение ротора внутри статора приводит к постоянной смене полярности, и электроны приходят в движение. По законам физики в данном устройстве появляется магнитное поле и в обмотке провода ротора возникает (индуцируется) направленное движение заряженных частиц. Так рождается электрический ток. Но чтобы электрический ток вырабатывался, какая-то механическая сила должна постоянно вращать ротор. Как это происходит на теплоэлектростанции?

В котле нагревают воду до температуры 450 градусов, вода превращается в пар и под высоким давлением пар поступает из котла на лопатки турбины, что приводит в движение вал турбины, который вращается с частотой в 3000 оборотов в минуту, приводя в движение вал электрогенератора. Кстати, первая в мире электростанция общественного пользования была построена в Нью-Йорке в 1882 году. Она вырабатывала постоянный ток и питала 10000 ламп. Современные электростанции вырабатывают в 1000 раз больше электроэнергии. Одна электростанция спокойно может осветить и обогреть город с населением в 100000 человек.

По кабелю электрический ток поступает на распределительные подстанции для измерения и преобразования. Трансформаторы повышают напряжение тока до 10000 вольт и более. Зачем? При высоком напряжении происходит меньше потерь при транспортировке электроэнергии от трансформаторов до потребителя электроэнергии по проводам. 10000 вольт по проводам, со скоростью до 3000 километров в секунду, пройдут немалый путь, прежде чем попадут к потребителю (заводы, фабрики, офисы, квартиры, дачи). Далее электрический ток поступает на понижающие трансформаторные подстанции. Трансформатор должен уменьшить поступившее напряжение до 220 вольт. Почему уменьшается до 220 вольт? Такой в Казахстане стандарт. Только после понижения, электричество поступит по проводам и кабелям в распределительные сети, а затем к потребителям электроэнергии. Энергетические компании, поставляющие электроэнергию, заинтересованы в модернизации и расширении рынка сбыта электроэнергии. Они нанимают подрядные организации (электромонтажная организация), которые в свою очередь выполняют электромонтажные работы по прокладке линий электропередач. Так как доставка электроэнергии к потребителю в удалённые населённые пункты является первостепенной задачей энергетических компаний, прокладка кабеля или провода воздушной линии электропередач является единственным способом качественной и надёжной передачи электроэнергии на большие расстояния. От скорейшего развития и модернизации систем электроснабжения зависит экономическое благосостояние нашей страны.

1.2 Направления альтернативной энергетики

Альтернативная энергетика — перспективные способы получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, но представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района. 

Ветроэнергетика 

Автономные ветрогенераторы

Ветрогенераторы работающие параллельно с сетью 

 Гелиоэнергетика 

Солнечный водонагреватель

Солнечный коллектор

Фотоэлектрические элементы 

 Альтернативная гидроэнергетика 

Приливные электростанции

Волновые электростанции

Мини и микро ГЭС (устанавливаются в основном на малых реках)

Водопадные электростанции 

 Космическая энергетика

Выработка электроэнергии в фотоэлектрических элементах, расположенных на орбите Земли. Электроэнергия будет передаваться на землю в форме микроволнового излучения. 

 Водородная энергетика и сероводородная энергетика 

Водородные двигатели (для получения механической энергии)

Топливные элементы (для получения электричества) 

 Биотопливо 

Получение биодизеля

Получение метана и синтез-газа

Получение биогаза 

Классификация источников 

1.3 Портленд начал снабжаться электроэнергией, генерируемой в водопроводных трубах

Жители американского города Портленда в штате Орегон, обрели возможность получать электроэнергию, не нанося вреда экологии, просто открыв кран подачи воды в ванной или нажав кнопку смыва в туалете. По сообщению от Fast Company, в городе установили систему, разработанную по последнему слову науки и техники. Она позволяет получать энергию с помощью воды, протекающей по городским трубопроводам.
В трубопроводах установлены небольшие турбины, которые приводятся в действие благодаря проточной воде, а электроэнергия, вырабатываемая ими, направляется в генератор и оттуда в городскую электросеть.
«Очень трудно найти новый источник энергии, который будет безопасен для окружающей среды», — сказал гендиректор местной компании-стартапа Lucid Energy Грегг Семлер. «Самое важное, что здесь всё находится внутри трубы, так что не создаётся никакого вреда рыбе или другим находящимся под угрозой исчезновения видам». Как говорит Семлер, системы коммунального водоснабжения, обычно, потребляют много электроэнергии, поэтому новая система генерации поможет снизить затраты на водоснабжение города. Коммунальные службы могут решить, использовать ли дополнительную электроэнергию в своих целях или продавать её для пополнения бюджета. «У нас уже работает такой проект в Риверсайде в Калифорнии, где электроэнергия используется для уличного освещения в ночное время, — отмечает Семлер. — Днём, с помощью системы можно частично компенсировать эксплуатационные расходы». Мощности вырабатываемой электроэнергии по технологии Lucid Energy, используемой в водопроводной системе Портленда, недостаточно для энергообеспечения всего города, но её хватает для школ и библиотек.

В отличие от других альтернативных источников энергии— солнца или ветра — система Lucid может вырабатывать электроэнергию круглосуточно, благодаря беспрерывному потоку воды. Одним ограничением в новой технологии является то, что турбины могут генерировать электричество, если вода течёт естественным образом сверху вниз под действием силы тяжести. Трубы системы Lucid включают датчики, которые помимо прочего контролируют качество протекающей по трубам воды, что повышает значимость новой технологии и расширяет возможности её применения

Глава II.Альтернативная энергия своими руками

2.1 Анкетирование учащихся «Что вы знаете об альтернативных и традиционных источниках энергии?»

Мы провели опрос среди учащихся 10-11классов КГУ «ОСШ№11».

Вопросы анкетирования:

1.Что вы знаете о традиционных источниках энергии?

2. Что вы знаете об альтернативных источниках энергии?

По итогам анкетирования мы сделали следующий вывод:

Среди 42 опрошенных учащихся 16 учащихся не знают, что такое альтернативные источники энергии, что составляет 32% от общего количества. О традиционных не знают 9%. (Приложение№4)

2.2 Разработка макета действующей модели гидротурбины

А) Суть идеи: миниатюрную турбину помещают в трубопровод. Под действием непрерывно текущей воды турбина начинает вращаться и вырабатывать электроэнергию. Эту энергию можно использовать для функционирования различных электроприборов. С помощью такой турбины можно даже освещать целое здание.

Мини гидротурбина ставится в отвод канализационной трубы диаметром 100 мм высокоэтажного здания. Чем выше здание, тем более постоянный слив воды и сильней напор. Турбина может устанавливаться прямо на генератор, либо турбина устанавливается отдельно, а приводом на генератор с зубчатым колесом. Турбины можно разместить в шахматном порядке в сбросовой трубе (Приложение №1). Чем длинней сбросовая труба, отходящая от стояка канализации горизонтально, тем больше размещается турбин. Проводку от генераторов можно распределить в однофазную или в трёхфазную систему. Через диодный адаптер передается в аккумуляторный накопитель и после трансформатора передается потребителю.

Можно использовать для:

-освещение общего пользования (подъезды, подвалы, чердаки, домофоны и т.д.)

-подогрев пола

-электрические насосы

-освещение возле дома

-электрический котел (отопительная система)

-передача электрической энергии в общую систему дома.

При подключении в электросеть дома устанавливается автоматический регулятор. Он, при достаточной выработке электроэнергии местным источником, отключает внешнее питание и переходит на внутреннее и наоборот. А при избытке электроэнергии или при малом потреблении, передает избытки в общую систему города, уменьшая электрически и финансовые затраты.

Б) Расчет мощности воды, подаваемой в трубопровод.

1) Eр=mgh- потенциальная энергия падающей воды

2) за1сек.-вырабатываемая мощность

3) m=p*v=p*s*l=p*s*v*t t=1c-масса воды, проходимая в трубе за 1 секунду

-приобретаемая скорость воды при падении с высоты здания

H-высота здания -10 этажей, 1 этаж 2,5 м

h=25м.

5) - масса воды, проходящая в трубе за секунду

d=10см=0.1м-диаметр трубы, радиус трубы-5см=0,05м

r²=3.14*25*10^-4=78.5*10^-4м²- площадь поперечного сечения трубы

.

6)=6 кВт

Заключение.

1.Мы изучили научную литературу по использованию альтернативных источников энергии, рассмотрели большой объем видеоматериал по изготовлению различных альтернативных источников энергии, для получения энергии и пришли к выводам:

-существует огромное количество вариантов для получения энергии в больших и малых количествах;

-можно попробовать самим предложить вариант получения энергии с использованием энергии воды, протекающей в городских трубопроводах.

2.Мы провели анкетирование учащихся КГУ ОСШ №11 и выяснили, что они знают о традиционных и альтернативных источниках энергии;

3. После долгих поисков выбрали и изготовили действующую модель для выработки альтернативной энергии-мини гидротурбину, которая может быть установлена в отвод канализационной трубы в жилом здании. При этом мы сделали следующий вывод:

Данная система может производить электроэнергию круглосуточно, благодаря непрекращающемуся потоку воды. Единственным ограничением в новой технологии является то, что турбины могут генерировать электричество, когда вода течёт естественным образом сверху вниз под действием силы тяжести.

5.Сделали выводы и предложили модель к использованию.

Список использованных источников.

1.Благородов В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, Россия. Журнал Энергетик № 10, с. 16-18, 1999.

2.Веб сайт SolarGIS, Карта солнечного излучения. Солнечное излучение в разных частях планеты. www.solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI

3.Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С.Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с

4.Свободная энциклопедия Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Альтернативная энергетика

5.Свободная энциклопедия Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Солнечная батарея 

6. А.Н. Проценко, «Энергия будущего» , М., «Мол. Гвардия», 1980.

7. Е.Б. Борисов, И.И. Пятнова , «Ключ к Солнцу», М., Мол. Гвардия, 1964.

8. Л.С. Юдасин, «Энергетика: проблемы и надежды», М., «Просвещение», 1990.

9. А.Н. Проценко, «Энергетика сегодня и завтра», М., «Мол. Гвардия», 1987.

10. Ю.Г. Чирков, «Занимательно об энергетике», М., «Мол. Гвардия», 1981.

Приложение№1

8