В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Источник альтернативной энергии - микро-гидроэлектростанция" ученик 11 класса школы провел исследование истории гидроэлектрофикации, дал определение понятия "гидроэлектроснация" и рассмотрел разные виды микро-ГЭС.

Подробнее о проекте:

В ученической исследовательской работе по физике "Источник альтернативной энергии - микро-гидроэлектростанция" автор выясняет, какая существует классификация микро-ГЭС по вырабатываемой мощности и по конструкции. Также в работе представлено краткое описание работы ГЭС, найдены ключевые характеристики микро-ГЭС.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Источник альтернативной энергии - микро-гидроэлектростанция" автор рассчитывает и рассматривает возможность оптимизации расходов за электроэнергию дачного дома путем установки микро-ГЭС на реке. По сделанному расчету ученик подобрал микро-ГЭС и оборудовал место на реке, где и установил прибор. В практической части описано осуществление замера параметров выработки и преобразования электроэнергии в реальных условиях и окупаемость этого проекта.

Оглавление

Введение
1. Гидроэлектростанции. 
1.1. Классификация микро-ГЭС по вырабатываемой мощности.
1.2 Классификация микро-ГЭС по конструкции.
2. Практическая часть.
2.1 Определение потребления электроэнергии жилого дома.
2.2 Определение скорости течения реки.
2.3 Определение размеров верхнебойного колеса и параметры шкива на генератор и редуктора.
Заключение
Список литературы

Одним из наиболее освоенных возобновляемых источников энергии принято считать малую гидроэнергетику, в которой используется большой гидроэнергетический потенциал рек и притоков. Во многих случаях малая гидроэнергетика позволяет обеспечить локальное электроснабжение отдаленных районов или населенных пунктов, особенно в слаборазвитых и развивающихся странах с ограниченной системой централизованного электроснабжения.

Одним из достоинств малых ГЭС можно считать относительно небольшой объем инвестиций и короткий срок строительства, что позволяет ускорить получение прибыли, а также обеспечить минимальное воздействие на окружающую среду, надежность электроснабжения и близость к потребителю.

Постоянный рост тарифов на электрическую энергию, постепенный спад строительства крупных энергообъектов, а также постоянное повышение цен на органическое топливо обуславливают возобновление интереса к малой энергетике. Особенно актуальной эта проблема является для удаленных населенных пунктов на севере и северо-востоке страны. Затраты на доставку топлива в эти районы приводят к увеличению в разы себестоимости электроэнергии на ДЭС.

Поэтому малая гидроэнергетика для изолированных районов, недоступных для подачи электроэнергии в них по ЛЭП, рассматривается как альтернативный источник энергии, способный если не полностью снять, то в значительной степени уменьшить проблему транспортировки дизельного топлива.

Строительство малых ГЭС в удаленных районах может улучшить ситуацию с энергоснабжением и повысить энергетическую независимость отдельных регионов.

Предметом исследования данной работы является малая гидроэнергетика России, а объектом - микро ГЭС.

Цель проекта рассчитать и рассмотреть возможность оптимизации расходов за электроэнергию дачного дома путем установки микро-ГЭС на реке.

Задачи проекта:

1. Изучить теоретический материал по данной теме
2. Получить, исходя из расчетов электроэнергии, полный объем мощности вырабатываемой микро- ГЭС
3. Подобрать по данным расчетам микро-ГЭС исходя также из измерения уровня и скорости реки в разные сезоны года.
4. Оборудовать место на реке и установить микро-ГЭС.
5. Сделать замер параметров выработки и преобразования электроэнергии в реальных условиях и окупаемость этого проекта,  вывод по проделанной работе.

Гипотеза: При установке микро-ГЭС на реке, предполагаю, что этот проект будет более выгодным источником энергии для дачного дома, чем традиционный и период окупаемости составит 3 года.

План работы:
Теоретическая часть
1.  Сбор информации по теме проекта.
Практическая часть
2. Расчет параметров электроэнергии, реки для подбора необходимого  оборудования микро-ГЭС
1. Подбор оборудования для изготовления микро-ГЭС  
2. Монтаж оборудование
Исследовательская часть
3. Проверка работы и коррекция оборудования, настройка, отладка, замеры параметров, наблюдение.
Заключительный этап.

Микро-гидроэлектростанция предназначена для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в электрическую для дальнейшей передачи сгенерированной электроэнергии в энергосистему. Под термином микро подразумевается, что данная гидроэлектростанция устанавливается на малых водных объектах – небольших речках или даже ручьях, технологических протоках или перепадах высот систем водоподготовки, а мощность гидроагрегата не превышает 10 кВт.

Принцип работы малых гидроэлектростанций ничем не отличается от принципа работы станций большой мощности. Вода водного образования, реки, озера, водохранилища, под действием напора, создаваемого своей массой, перемещается в заданном направлении и поступает на лопасти гидравлической турбины. Турбина передает свое вращательное движение на вращательное движение генератора, который вырабатывает электрический ток. Напор воды создается путем строительства плотины или естественным течением воды, либо обоими способами одновременно.

Классификация по вырабатываемой мощности (области применения).

Вырабатываемая микро ГЭС мощность определяется сочетанием двух факторов, первый это напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие вырабатывающий электроэнергию генератор, и второй фактор – расходом, т.е. объемом воды, проходящем, через турбину за 1 секунду.

Расход является определяющим фактором при отнесении ГЭС к определенному типу.

По вырабатываемой мощности МГЭС подразделяются на:

Бытовые мощностью до 15 кВт: используются для обеспечения электроэнергией частных домовладений и ферм.

Коммерческие мощностью до 180 кВт: питают электроэнергией небольшие предприятия.

Промышленные мощностью свыше 180 кВт: генерируют электроэнергию на продажу, либо энергия передается на производство.

Осевые турбины. У турбин такого типа поток воды движется вдоль оси, попадая на лопасти.

Радиально-осевые турбины. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход).

Ковшовые турбины. В этом типе турбин вода подаётся через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. При этом она, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая.

Данный тип конструкции очень распространен в микро-гидроэнергетике.

Поворотно-лопастные турбины. У данной турбины лопасти поворачиваются вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется.

Местоположение жилого дома: Тверская область, Фировский р-н, деревня Сосновка. Данное помещение  используется не для постоянного проживания, имеет печное отопление.

Расчет текущих затрат за электроэнергию

(период: 2020 год, тариф: 2.99 руб./кВт)    

№ мес.	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
кВт	195	234	219	187	212	200	221	167	189	227	235	250
Сумма/руб.	583	699	654	559	633	598	660	499	565	678	702	747
											Итого (руб./год):	7577

Для того чтобы получить большее количество электроэнергии нам необходимо микро-ГЭС с максимальным КПД. Одним из таких является «верхнебойное колесо», по конструкции оно относится к классу ковшовых.

Данная модель микро-ГЭС имеет высоких технические характеристики за счет того, что вода под своим весом падает вниз,  тем самым толкает колесо, вырабатывает электроэнергию. В связи  с особенностями местного ландшафта и климатическими условиями  это устройство максимально подходит для преобразования энергии.

Определение скорости течения реки Цна (июль 2021 год)
Определяем  расстояние отрезка, на котором измеряется скорость течения реки.
бросаем предмет, который будет плыть по данному отрезку реки.
с помощью секундомера определяем время, за которое предмет проплывает это расстояние.
делаем три таких захода для определения среднего  времени.
с помощью формулы V = s/t, где

V - скорость течения

S - расстояние которое проплыл  предмет

t - среднее время за которое проплыл это расстояние предмет

С помощью этого способа мы получили скорость 1 м/c в летний период

(В зимний период скорость реки замедляется в два раза).

Определение размеров верхнебойного колеса и параметры шкива на генератор и редуктора.

1. измерим:

- размеры шкива генератора

R генератора=0,03м

-размеры передаточного колеса

L = 2*3.14*R пер. колеса=0.27м

2. найдем длину окружности шкива генератора, передаточного колеса, шкива на верхнебойном колесе при помощи формулы длинны окружности:

L генератора=2*3.14*Rгенератора

L генератора=2*3.14*0.03=0.18

L пер. колеса=2*3.14* пер. колеса

L пер. колеса=2*3.14*0.27=1.71

L верх. бор. колесо=2*3.14*0.14=0.9м

3. Определим длину окружности маленького шкива на передаточном колесе, связанную цепью с верхнебойным колесом.

L мал. шкива=2*3.14*0.33=0.21м

Составим отношения радиусов для определения количества оборотов  относительно генератора.

Т.к. линейная скорость на  одном и том же колесе (где находится маленький шкив и передаточное колесо) одинакова, то частота вращения одинакова.

R пер. колеса/

R верх.бор.колеса/R мал. шкива=0.9/0.21=4.2, следовательно

На 1 оборот верхнебойного колеса приходится 39.9 оборота генератора.

При скорости течения 1м/c один оборот верхнебойное колесо сделает за 6.28сек. т.к. его радиус равен 1м, следовательно за 1мин шкив низкооборотистого генератора сделает 379 оборотов, что вполне достаточно для генератора.

При этом количестве оборотов  генератор вырабатывает от 0,3 до 0,75 кВт электроэнергии. Соответственно можно сделать вывод, что потребляемая среднемесячная мощность электричества в  данном помещении вырабатывается с запасом. Для стабильности поступающего в помещение тока в цепи необходимо установить как минимум один аккумулятор на 55 А/ч.

Для монтажа всей конструкции необходимо приобрести и смонтировать следующее оборудование:

Номер п.п.	Наименование	Стоимость /руб.
1.	Генератор ГТ-1А	4000
2.	Ремень клиновой (А)	300
3	Вал + подшипники	1100
4	Металлическая П-образная конструкция+ верхнебойное колесо (нерж. металл)	13000
5	Кабель 2.5 кв(100 метров)	3200
6	Аккумулятор 55А/ч	5500
7	Инвертор(500Вт) Итого:	3000 30100

Выполнив задачи данного проекта, изучив теоретический материал, проведя ряд замеров и расчетов, составив калькуляцию необходимого оборудования можно сделать вывод, что сформулированная  ранее мною гипотеза подтвердилась частично. Приобретение оборудования нецелесообразно.

Объективно,  можно сказать, что микро-ГЭС действительно является хорошим альтернативным источником электроэнергии в случае нахождения недвижимости вблизи с реками с течением воды не менее 1 м/с, если объект недвижимости  находится в  большой удаленности от линий электропередач и сложности их подведения к объектам недвижимости.

В рассматриваемом мною варианте альтернатива нецелесообразна в связи с тем, что дачный дом уже ранее подключен к линиям ЛЭП (и за эти услуги оплачены ранее денежные средства). Дом не используется круглогодично, затраты на электроэнергию в месяц не превышают 800 рублей. В случае приобретения необходимого оборудования для микро-ГЭС затраты составят не менее 30100 рублей, что окупится не ранее чем через 3, 5 года исходя из расхода электроэнергии для дачного дома. Помимо долгого периода окупаемости проекта, в зимний период, когда скорость реки значительно снижается, микро-ГЭС не сможет работать, что может привести к ущербу.

Таким образом, в данном случае, считаю нецелесообразным приобретение  оборудования для микро-ГЭС не смотря на все оптимальные показатели выдаваемой электроэнергии. 

• Малая гидроэнергетика: проблемы, трудности и пути их преодоления. Статья.
• Официальный сайт РусГидро.
• ГОСТ Р51238-98 Гидроэнергетика малая.
• Бляшко Я.И., Опыт МНТО ИНСЭТ по созданию и эксплуатации Оборудования для микро- и малых ГЭС, периодический научно-технический журнал «Малая энергетика» № 1, 2004;
• Историк Б.Л., Усачев И.Н., Шполянский Ю.Б., Малая нетрадиционная морская, речная и геотермальная энергетика, периодический научно- технический журнал «Малая энергетика» № 1, 2004.
• Мини ГЭС. Статья. Как в Италии строят мини ГЭС без вреда окружающей среде. Статья.
• Березовский Н.И. и др. Технология энергосбережения Мунц В.А.
• Энергосбережение в энергетике и теплотехнологиях
• Самойлов М.В. Основы энергоргосбережения.