Научно-исследовательская деятельность учащихся в области гидроэнергетики. Старшая группа

Научно-исследовательская деятельность

учащихся в области гидроэнергетики (старшая группа)

С восьмидесятых годов прошлого столетия в муниципальном бюджетном образовательном учреждении «Средняя общеобразовательная школа № 12» города Абакана Республики Хакасия работает «Научное общество учащихся» по физике. За это время школьники написали сотни различных работ школьного, муниципального, регионального и российского уровней, в том числе и научно-исследовательских в области гидроэнергетики. Были изготовлены различные нестандартные демонстрационные приборы, исследовательские установки, с помощью которых учитель с успехом демонстрирует явления на уроках физики и в период проведения элективных курсов.

Участники научного общества получают бесценный опыт исследовательской деятельности, опыт в изготовлении самодельных физических приборов, учебных плакатов, необходимых в учебном процессе учителю.

Исследования в области гидроэнергетики проводились с использованием моделей гидроэлектростанций. Так как такие модели громоздки, то хранить их неудобно. Поэтому при проведении экспериментов снимались видеофильмы, которые достаточно наглядно демонстрируют действие гидроэлектростанции.

За годы ведения научно-исследовательской деятельности учащихся сам учитель получил огромное удовольствие в формировании опыта такой деятельности учащихся. Учащиеся получают награды в виде престижных дипломов, как призёры и победители научно-практических конференций школьного муниципального, регионального и российского уровней. Многим учащимся такая деятельность и её результаты помогают поступить в ВУЗы различных направлений.

Примеры научно-исследовательских работ, выполненных учащимися старшей группы (10-11 классы) при исследовании гидроэнергетических установок:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 12» города Абакана

Секция практической физики

Исследование характеристик модели гидроэлектростанции постоянного тока

Автор:

Телечук Роман Вячеславович,

ученик 11 класса

Научный руководитель:

Парамонов Сергей Васильевич,

учитель физики

Абакан, 2017

Оглавление

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ВОДЫ, ПАДАЮЩЕЙ С ВЫСОТЫ

1.1.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Водяная мельница ................................................................................................................................................. 5

1.1.1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Определение водяной мельницы ......................................................................................................................... 5

1.1.2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                История использования водяной мельницы .............................................................................................. 5

1.1.3                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Применение водяной мельницы ......................................................................................................................... 5

1.2.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Гидроэлектростанция ................................................................................................................................................................... 6

1.1.4                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Определение гидроэлектростанции .................................................................................................................. 6

1.1.5                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                История использования гидроэлектростанции ....................................................................................... 6

1.1.6                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Принцип работы гидроэлектростанции ................................................................................................... 6

1.1.7                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Строение гидроэлектростанции .................................................................................................................. 7

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ МОДЕЛИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

2.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

2.1.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Представление модели экспериментальной установки............................................................................................ 8

2.2.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Представление модели гидроэлектростанции с различной высотой водовода.................................................... 9

2.3.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Общий вид рабочего колеса............................................................................................................................. 10

2.4.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Общий вид модели генератора с подстанцией........................................................................................... 11

2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.3                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.4                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.4.1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Принцип действия модели генератора постоянного тока.................................................................. 11

2.4.2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Фотографии электроизмерительных приборов необходимых и достаточных для экспериментов... 12

2.5                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Выяснение зависимостей ЭДС, мощности и КПД генератора от высоты водовода......................................... 14

2.5.1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Представление измеренных характеристик...................................................................................................... 14

2.5.2.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Расчет КПД модели генератора для различных случаев падения воды.......................................... 14

2.5.3.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Расчет мощности модели генератора для различных случаев падения воды...................... 14

2.6.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Графическое представление полученных зависимостей.............................................................................. 15

2.6.1.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Зависимость ЭДС от высоты падения воды.................................................................................................. 15

2.6.2.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Зависимость КПД от высоты падения воды................................................................................................. 15

2.6.3.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Зависимость мощности от высоты падения воды....................................................................................... 15

2.7.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Анализ полученных результатов.................................................................................................................. 16

2.6                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.7                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

2.7.1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Объяснение зависимости ЭДС от высоты падения воды......................................................................... 16

2.7.2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Объяснение зависимости КПД от высоты падения воды......................................................................... 16

2.7.3                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Объяснение зависимости мощности от высоты падения воды.............................................................. 16

2.8.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Заключение................................................................................................................................................................ 16

Проблемы:

1.   Исследовать зависимость ЭДС генератора постоянного тока от высоты падения воды

2.   Исследовать зависимость КПД генератора постоянного тока от высоты падения воды

3.   Исследовать зависимость мощности генератора постоянного тока от высоты падения воды

Актуальность:

В связи с большим количеством эксплуатируемых гидроэлектростанций важно уметь оценивать КПД, ЭДС и мощность генератора гидроэлектростанции на примере генератора постоянного тока

Практическая значимость:

а) знания исследованных зависимостей позволит улучшать характеристики гидроэлектростанции и конструировать более выгодные подобные технические устройства

Объект исследования:

Генератор постоянного тока в комплексе с рабочим колесом

Предмет исследования:

Зависимости КПД, ЭДС и мощности гидроагрегата от высоты падения воды на рабочее колесо

Задачи исследования:

1.   Изучение принципа действия гидроэлектростанции

2.   Изготовление исследовательской установки для проведения необходимых экспериментов

3.   Проведение необходимых экспериментов для:

а) выяснения зависимости ЭДС генератора постоянного тока от высоты падения воды

б) выяснение зависимости КПД генератора постоянного тока от высоты падения воды

в) выяснение зависимости мощности генератора постоянного тока от высоты падения воды

Методы работы:

1.   Наблюдение за работой гидроагрегата в процессе падения воды на рабочее колесо с разной высоты

2.   Измерение характеристик необходимых для расчета КПД, ЭДС и мощности генератора при падении воды на рабочее колесо с разной высоты

3.   Графическое представление исследуемых характеристик от высоты падения воды на рабочее колесо

4.   Анализ и интерпретация полученных результатов

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ВОДЫ, ПАДАЮЩЕЙ С ВЫСОТЫ

1.1.1.   Водяная мельница

1.1.2.   Определение водяной мельницы

Водяная мельница – гидротехническое сооружение, использующее гидроэнергию, получаемую с водяного колеса, движение которого выполняет полезную работу посредствам зубчатой передачи.

1.1.3.   История использования водяной мельницы

Водяные мельницы известны в Римской империи со II века до нашей эры, описаны Витрувием. Широкое распространение получили в Средневековье, особенно при монастырях. Бенедикт Нурсийский предписывал каждому монастырю обзавестись водяной мельницей.

1.1.4.   Применение водяной мельницы

Водяная мельница находит широкое применение с давних времен:

·       Для помола и просеивания зерна

·       В сукновальном деле (с 1223 года, в Германии)

·       Для изготовления бумаги (с 1238 года, в Испании)

·       Для ковки железа (с 1197 года, в Швеции)

·       Для резки бревен (гидравлическая пила)

·       Для дубления кожи

·       Для заточки инструментов и т.д.

Рис 1. Водянная мельница

1.1.5.   Гидроэлектростанция

1.2.1. Определение гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс в русловых водотоках и приливных движениях.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимо два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

1.2.2. История использования гидроэлектростанции

Гидроэнергия использовалась с древних времен, для молки муки и других нужд. При этом приводом служил колесный механизм, вращаемый потоком воды. В середине 1770-ч годах французский инженер Бернар Форест де Белидор в опубликованной им работе, привел описание гидромашин с вертикальной и горизонтальной осью вращения.

В 1878 году заработала «первая в мире ГЭС», разработанная английским изобретателем Уильямом Джорджем Армстронгом в Нортумберленде, Англия. Она представляла собой агрегат, предназначенный для питания одной единственной дуговой лампы в его картинной галерее.

1.2.3. Принцип работы гидроэлектростанции

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией – естественным потоком воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

1.2.4. Строение гидроэлектростанции

Рис 2. Схема плотины гидроэлектростанции

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ МОДЕЛИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

1.    

2.    

2.1.1.   Представление модели экспериментальной установки

Рис 3. Общий вид модели гидроагрегата

Экспериментальная установка (см. рис 3) состоит из водовода(1), изготовленного из шланга, нижний конец которого нависает над рабочим колесом(2), жёстко соединённым осью с  генератором(3). Генератором является двигатель постоянного тока, так как это машина обратимая. К генератору подключено нагрузочное сопротивление(4) через миллиамперметр(5). Напряжение на нагрузке измеряется с помощью вольтметра(6).

2.2.Модели гидроэлектростанции с различной высотой водовода

Рис 4. Модель гидроэлектростанции с водоводомвысотой 1,5 метра

Рис 5. Модель гидроэлектростанции с водоводом высотой 0,5 метра

На рисунках (см. рис. 4 и 5) показан общий вид модели гидроэлектростанции с

2.1.максимальной и минимальной высотой водовода. В моделях водохранилищем является двухлитровая пластиковая бутылка(2) с отрезанным дном и укреплённая на верхней части шланга-водовода(1). В горлышко бутылки вставлена специальная пробка со стержнем. С помощью стержня можно управлять подачей воды в водовод в период измерений. В бутылку помещается 1,5 кг воды. Испытания действия гидроэлектростанции и измерение характеристик проводились в таком порядке: сначала 1,5 килограммов воды подавались в шланг-водовод  высотой 1,5 метра несколько раз для того, чтобы измерить ЭДС, напряжение и силу электрического тока. В этих экспериментах подбирался оптимальный вариант комплекса приборов. Потом шланг-водовод отрезался, и всё повторялось сначала. Минимальная высота, с которой выпускалась вода, составляла 0,5 метра

2.2. 

2.3. Общий вид рабочего колеса

Рис 6. Рабочее колесо

На рисунке (см. рис. 6) показана конструкция рабочего колеса. По соображениям простоты изготовления рабочее колесо сделано по типу мельничного.

2.4.    Общий вид модели генератора с подстанцией

Рис 7. Генератор с нагрузочным сопротивлением и измерительными приборами

На рисунке (см. рис 7) представлена подстанция с генератором постоянного тока. Под номером 1 представлен сам генератор постоянного тока, под номером 2 представлен миллиамперметр, под номером 3 представлен магазин сопротивления и под номером 4 – вольтметр.

3    

3.1    

3.2    

3.3    

3.4    

2.4.1.   Принцип действия модели генератора постоянного тока

Рис 8. Принцип действия модели генератора постоянного тока

Простейший генератор постоянного тока – это прямоугольная рамка из проводника, концы которого соединены с двумя проводящими полукольцами, вращающаяся в магнитном поле индукцией . При вращении такой рамки на условные свободные положительные электрические заряды в моменты, указанные на рисунке 8 (а и б), действует сила Лоренца, в соответствии с правилом левой руки. Условные положительные заряды при этом движутся по направлению силы Лоренца. Поэтому в момент времени, соответствующий рисунку «а», направление электрического тока от точки «А» к точке «B» и от точки «С» к точке «D». В этот момент времени щетка, соприкасающаяся с правым полукольцом, является положительным полюсом данного источника тока, а щетка, соприкасающаяся с левым полукольцом, является отрицательным полюсом источника тока. Это генератор, в котором сторонней силой является сила Лоренца.

В момент времени, изображенный на рисунке 8 «б», то есть, когда активный участок провода «АВ» окажется в положении участка провода «СD», а активный участок провода «CD», в свою очередь, окажется в положении участка провода «АВ» через половину оборота, то щетка, касающаяся полукольца справа, останется положительным полюсом источника, а щетка, касающаяся полукольца слева, останется отрицательным полюсом источника тока. Если подключить к щеткам нагрузочное сопротивление, то при вращении рамки по такому проводнику все время будет протекать электрический ток одного направления.

2.4.2.   Фотографии электроизмерительных приборов необходимых и достаточных для экспериментов

              Рис 9. Вольтмет                             Рис 10. Миллиамперметр

                
        Рис 11. Милливольтметр                            Рис 12. Нагрузочное сопротивление

Рис 13. Прибор Ц-20

На рисунках (см. рис 9,10, 11, 12, 13) представлены электроизмерительные приборы. В различных случаях приходилось измерять электрические характеристики приборами с различными пределами измерения величин. Например, при измерении ЭДС генератора, когда воду пускали с высоты 1,5 метра, использовали вольтметр, а, когда её пускали с высоты 0,5 метра –милливольтметр

2.4.3.   Выяснение зависимостей ЭДС, мощности и КПД генератора от высоты водовода

3.5    

2.4.4.   Представление измеренных характеристик

№	m, кг	h, м	ε, В	U, В	I, А	t, с	η, %	P, Вт
1	1,5	1,5	0,420	0,4		2,2
2	1,5	1,25	0,430	0,4		2,2
3	1,5	1	0,420	0,4		3
4	1,5	0,75	0,410	0,3		3,2
5	1,5	0,5	0,390	0,27		3,2

2.4.5.   Расчет КПД модели генератора для различных случаев падения воды

2.4.6.   Расчет мощности модели генератора для различных случаев падения воды

2.4.7.   Графическое представление полученных зависимостей

3.6    

2.4.8.   Зависимость ЭДС от высоты падения воды

2.4.9.   Зависимость КПД от высоты падения воды

2.4.10.                      Зависимость мощности от высоты падения воды

2.4.11.                      Анализ полученных результатов

3.7                       

2.4.12.                      Объяснение зависимости ЭДС от высоты падения воды

ЭДС по мере уменьшения высоты водовода закономерно уменьшается, так как на меньшей высоте вода обладает меньшей потенциальной энергией. Поэтому на рабочее колесо приходит меньшая кинетическая энергия, и вода падает на него с меньшей скоростью. С меньшей скоростью раскручивается ротор генератора, что приводит к появлению меньшей ЭДС из-за меньшей скорости изменения потока магнитной индукции, проходящего через обмотки ротора. Отступление от правила наблюдается при падении воды с высоты 1,5 метра из-за разбрызгивания воды мимо рабочего колеса

2.4.13.                      Объяснение зависимости КПД от высоты падения воды

При падении воды с достаточно большой высоты происходило сильное разбрызгивание струи, что существенно уменьшало КПД модели гидрогенератора. При некотором значении высоты падения воды наблюдается резкий рост КПД по причине стабильности попадания водяного потока в лопатки рабочего колеса. В дальнейшем по мере уменьшения высоты падения воды закономерно уменьшался КПД электроустановки, так как все меньшее количество потенциальной энергии воды превращалось в кинетическую энергию рабочего колеса по сравнению с потерями энергии по разным причинам и, соответственно, в электрическую энергию генератора.

2.4.14.                      Объяснение зависимости мощности от высоты падения воды

Вследствие того, что при использовании достаточно высоких водоводов, происходило приблизительно одинаковое разбрызгивание струи воды (попадание мимо лопастей рабочего колеса), наблюдалось приблизительная стабильность мощности станции. По мере уменьшения высоты водовода от 1 метра до 0,5 метра стабильно наблюдается падение мощности станции, так как потенциальная энергия падающей воды уменьшается.

2.4.15.                      Заключение

Исследования модели гидроэлектростанции показали, что  основные ожидаемые параметры станции выполняются. Маленькое значение КПД станции объясняется тем, что очень малая потенциальная энергия падающей воды превращается в электрическую энергию. Это происходит по причине использования простейшего рабочего колеса и в качестве генератора двигателя постоянного тока. Их конструкции не позволяют получить лучший результат. В рабочем колесе много воды проходит мимо лопастей, а в генераторе вращающаяся часть – ротор, слабо охватывается магнитным полем постоянных магнитов. 
Используемая литература:

1. Вольшаник В.В. Конструкции водяных и ветряных мельниц России XIX—XX веков/Вольшаник В.В.; Юрченко А.Н. - 2010 г.
2. Википедия – свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроэлектростанция , свободный.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 12» города Абакана,

 Республики Хакасия

Сравнение характеристик моделей гидроэлектростанции постоянного тока при использовании турбин различной конструкции

Авторы:

Медведев Владислав Дмитриевич,

Белоногов Константин Николаевич,

ученики 11 класса

Научный руководитель:

Парамонов Сергей Васильевич,

учитель физики

Абакан, 2018
Содержание

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН

1.1.          Гидроэлектростанция……………………………………………………5

1.1.1.   Определение гидроэлектростанции………………………………….5

1.1.2.   История использования гидроэлектростанции……………………5

1.1.3.   Принцип работы гидроэлектростанции…………………………….5

1.1.4.   Строение гидроэлектростанции……………………………………..6

1.2.          Гидравлическая турбина…………………………………………………6

1.2.1.   Определение гидравлической турбины……………………………….6

1.2.2.   Первый аналог гидравлической турбины…………………………….6

1.2.3.   Устройство гидравлической турбины……………………………….7

1.2.4.   Классификация гидравлических турбин и их особенности……….8

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И СРАВНЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.           

2.1.          Представление модели экспериментальной установки…………….11

2.2.          Представление моделей гидроэлектростанции с различными видами рабочих колёс……………………………………………………12

2.3.          Представление используемых видов рабочих колес………………….12

2.3.1.   Представление мельничного колеса………………………………...13

2.3.2.   Представление фигурного колеса……………………………………14

2.3.3.   Представление рабочего колеса закрытого вида………………….15

2.4.          Общий вид модели генератора с подстанцией……………………….15

2.4.1.   Принцип действия модели генератора постоянного тока……...16

2.4.2.   Фотографии электроизмерительных приборов необходимых и достаточных для экспериментов…………………………………17

2.5.          Выяснение зависимостей ЭДС, мощности и КПД генератора от конструкции гидротурбины…………………………………………….18

2.6.          Графическое представление полученных зависимостей……………19

2.6.1.   Зависимость ЭДС от конструкции турбин……………………….19

2.6.2.   Зависимость КПД от конструкции турбин……………………….19

2.6.3.   Зависимость мощности от конструкции турбин………………20

2.7.          Анализ полученных результатов………………………………………20

2.8.          Объяснение зависимости ЭДС, КПД и мощности от конструкции гидравлических турбин………………………………………………….20

Заключение……………………………………………………………………...21

Используемая литература……………………………………………………..22

Проблемы:

4.     Исследовать зависимость ЭДС генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

5.     Исследовать зависимость КПД генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

6.     Исследовать зависимость мощности генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

Актуальность:

Малая гидроэнергетика - это на сегодняшний день наиболее экономичное решение энергетических проблем для территорий, относящихся к зонам децентрализованного электроснабжения. По некоторым данным к таким относится около 50-70% территории России, в связи, с чем важность источников энергии для автономного энергоснабжения возрастает. Быстрая окупаемость, социальное развитие региона и экологическая безопасность подтверждают актуальность развития данного направления. Силовые установки малых ГЭС существенно отличаются от крупных гидроэнергетических установок. Они имеют более простые конструкции, но при этом и более низкие технико-экономические показатели, что требует дополнительного анализа.

Практическая значимость:

Знания исследованных вышеуказанных зависимостей позволит улучшать характеристики (гидроэлектростанции) малых ГЭС и конструировать более выгодные подобные технические устройства.

Объект исследования:

Генератор постоянного тока в комплексе с рабочим колесом определенного вида

Предмет исследования:

Зависимости КПД, ЭДС и мощности гидроагрегата от конструкции рабочих колес

Задачи исследования:

4.     Изучение принципа действия гидроэлектростанции

5.     Изготовление исследовательской установки для проведения необходимых экспериментов

6.     Проведение необходимых экспериментов для:

а) выяснения зависимости ЭДС генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

б) выяснение зависимости КПД генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

в) выяснение зависимости мощности генератора постоянного тока от конструкции рабочего колеса

Методы работы:

5.     Наблюдение за работой гидроагрегата в процессе падения воды на рабочие колеса разной конструкции

6.     Измерение характеристик, необходимых для расчета КПД, ЭДС и мощности генератора при падении воды на разные рабочие колеса

7.     Графическое представление исследуемых характеристик

8.     Анализ и интерпретация полученных результатов

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН

1.1.          Гидроэлектростанция

1.1.1.   Определение гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс в русловых водотоках и приливных движениях.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимо два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и наличие напора

1.1.2.   История использования гидроэлектростанции

Гидроэнергия использовалась с древних времен, для помола муки и других нужд. При этом приводом служил колесный механизм, вращаемый потоком воды. В середине 1770-х годов французский инженер Бернар Форест де Белидор в опубликованной им работе привел описание гидромашин с вертикальной и горизонтальной осью вращения.

В 1878 году заработала «первая в мире ГЭС», разработанная английским изобретателем Уильямом Джорджем Армстронгом в Нортумберленде в Англии. Она представляла собой агрегат, предназначенный для питания одной единственной дуговой лампы в его картинной галерее

1.1.3.   Принцип работы гидроэлектростанции

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Необходимый напор воды создаётся посредством строительства плотины, и как следствие образуется сосредоточенный перепад уровней реки в определенном месте, или деривацией – переброской стока воды из верхового в низовой створ с помощью каналов, труб или туннелей. При этом напор создается за счет разницы уровней между верховым и низовым створом.  В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

1.1.4.   Строение гидроэлектростанции

Рис 1. Схема плотины гидроэлектростанции

1.2.          Гидравлическая турбина

1.2.1.   Определение гидравлической турбины

Гидравлической турбиной называется гидравлический двигатель, служащий для преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала турбины

1.2.2.   Первый аналог гидравлической турбины

Сегнерово колесо - устройство, основанное на реактивном действии вытекающей воды. Данная конструкция была изобретена венгерским учёным Я. А. Сегнером  в 1750 году и явилась прообразом гидравлической турбины. Сегнерово колесо состоит из вертикальной подводящей трубы, на которой укреплена свободно вращающаяся горизонтальная труба с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами; через них жидкость вытекает, приводя колесо во вращение. Сегнерово колесо служит главным образом как демонстрационный прибор, который применялся также для полива растений

Рис 2.Схема сегнерова колеса

Впервые направляющий аппарат к водяному колесу применил профессор Бюрден в 1827 году. Он же первый назвал свою машину турбиной (от латинского turbo – быстрое вращение), после чего это определение вошло в обиход. В 1832 году первую практически применимую гидротурбину создал французский инженер Фурнейрон

1.2.3.   Устройство гидравлической турбины

Гидравлическая турбина состоит из двух основных частей: неподвижного направляющего аппарата - статора, придающего потоку жидкости вполне определенное направление, и вращающегося рабочего колеса - ротора, имеющего лопасти, воздействуя на которые поток жидкости передает свою энергию, приводя ротор во вращение.

Помимо этих частей турбина имеет регулирующее устройство, чтобы поддерживать определенный режим работы турбины, отсасывающую трубу для отвода жидкости из турбины.

Представим принципиальную схему турбины (см. рис. 3), она имеет основные части: вращающий ротор с лопатками 1, неподвижный статор  с направляющим аппаратом 2, отсасывающую трубу 3 и вал 4

Рис 3.Строение гидравлической турбины

1.2.4.   Классификация гидравлических турбин и их особенности

Принципы классификации гидравлических турбин:

1.                 По направлению движения:

· диагональные

Рис 4.Устройство диагональной турбины

В диагональных турбинах поток подводится и отводится по конусным поверхностям, образующим с осью турбины некоторый угол.

·радиально-осевые

В радиально-осевых турбинах поток подводится к рабочему колесу по радиальным к оси турбины поверхностям, а отводится так же, как у осевых турбин параллельно оси турбины.

·осевые

 В осевых турбинах ротор имеет лопасти, направляющие поток параллельно оси вала.

Рис 5.Устройство радиально-осевой и осевой турбин

·ковшовые (тангенциальные)

Рис 6.Устройство ковшовой турбины

Тангенциальная турбина Пелтона (см. рис. 6) имеет ротор с ковшами 1, сопло 2, представляющее направляющие аппарат, вал 3, с которого снимается мощность.

Подвод воды к ковшовой турбине осуществляется с помощью сопел, при этом отработанная вода падает вниз в отводящий канал.

2.                 По расположению оси вращения турбины:

· вертикальные

· горизонтальные

Чаще всего ось вращения турбины расположена вертикально, и такие турбины называются вертикальными. Гораздо реже на ГЭС применяют горизонтальные турбины.

3.                 По характеру преобразования энергии:

· активные

· реактивные

Эти классы различаются внешним признаком: в активных турбинах рабочее колесо не погружено в поток, а в реактивных оно помещено внутрь потока.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И СРАВНЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.           

2.1.          Представление модели экспериментальной установки

Рис 7. Общий вид модели гидроагрегата

Экспериментальная установка (см. рис 7) состоит из водовода, изготовленного из шланга, нижний конец которого нависает над рабочим колесом, жёстко соединённым осью с генератором. Генератором является двигатель постоянного тока, так как это машина обратимая. К генератору подключено нагрузочное сопротивление через миллиамперметр. Напряжение на нагрузке измеряется с помощью вольтметра

2.2.          Представление моделей гидроэлектростанции

Рис 8. Модель гидроэлектростанции с водоводом высотой 0,5 метра

На рисунке (см. рис. 8) показан общий вид модели гидроэлектростанции с

2.3.высотой водовода 0,5 метра. В модели водохранилищем является двухлитровая пластиковая бутылка с отрезанным дном и укреплённая на верхней части шланга-водовода. В горлышко бутылки вставлена специальная пробка со стержнем. С помощью стержня можно управлять подачей воды в водовод в период измерений. В бутылку помещается 1,5 кг воды. Испытания действия гидроэлектростанции и измерение характеристик проводились в таком порядке. Сначала устанавливалась гидравлическая турбина открытого типа с каждым из имеющихся видов колес, и 1,5 килограмма воды подавались в шланг-водовод высотой 0,5 метра несколько раз для того, чтобы измерить ЭДС, напряжение и силу электрического тока, затем производилась замена открытой турбины на закрытую. Опыт повторялся, аналогично экспериментам с открытой турбиной.  В этих экспериментах подбирался оптимальный вариант комплекса приборов

2.4. 

1. 

2.3.          Представление используемых видов рабочих колес

1.    

2.    

2.1.    

2.2.    

2.3.    

2.3.1.   Представление мельничного колеса

Рис 9. Рабочее колесо типа мельничного (открытая турбина)

Рис 10. Отдельное представление колеса типа мельничного

На рисунках (см. рис. 9, рис. 10) показана конструкция рабочего колеса типа мельничного

2.3.2.   Представление фигурного колеса

Рис 11.Рабочее колесо фигурного типа (открытая турбина)

Рис 12. Отдельное представление рабочего колеса фигурного типа

На рисунках (см. рис. 11, 12) показана конструкция рабочего колеса фигурного типа

2.3.3.   Представление рабочего колеса закрытого вида

Рис 13.Гидравлическая турбина закрытого вида

2.4.          Общий вид модели генератора с подстанцией

Рис 14. Генератор с нагрузочным сопротивлением и измерительными приборами

2.4.1.   Принцип действия модели генератора постоянного тока

Рис 15. Принцип действия модели генератора постоянного тока

Простейший генератор постоянного тока – это прямоугольная рамка из проводника, концы которого соединены с двумя проводящими полукольцами, вращающаяся в магнитном поле индукцией (B). При вращении такой рамки на условные свободные положительные электрические заряды в моменты, указанные на рисунке 15 (а и б), действует сила Лоренца, в соответствии с правилом левой руки. Условные положительные заряды при этом движутся по направлению силы Лоренца. Поэтому в момент времени, соответствующий рисунку «а», направление электрического тока от точки «А» к точке «B» и от точки «С» к точке «D». В этот момент времени щетка, соприкасающаяся с правым полукольцом, является положительным полюсом данного источника тока, а  щетка, соприкасающаяся с левым полукольцом, является отрицательным полюсом источника тока.

В момент времени, изображенный на рисунке 15 «б», то есть, когда активный участок провода «АВ» окажется в положении участка провода «СD», а активный участок провода «CD», в свою очередь, окажется в положении участка провода «АВ» через половину оборота, то щетка, касающаяся полукольца справа, останется положительным полюсом источника, а щетка, касающаяся полукольца слева, останется отрицательным полюсом источника тока. Если подключить к щеткам нагрузочное сопротивление, то при вращении рамки по такому проводнику все время будет протекать электрический ток одного направления

2.4.2.   Фотографии электроизмерительных приборов необходимых и достаточных для экспериментов

Рис 16. Миллиамперметр            Рис 17. Милливольтметр

Рис 18. Нагрузочное сопротивление Рис 19. Прибор Ц-20

На рисунках (см. рис 16,17,18,19) представлены электроизмерительные приборы. В различных случаях приходилось измерять электрические характеристики приборами с различными пределами измерения величин

2.5.          Выяснение зависимостей ЭДС, мощности и КПД генератора от конструкции гидротурбины

Таблица 1.

Представление измеренных характеристик рабочих колес открытого типа

№	Турбина открытого типа	m, кг	h, м	ε, В	U, В	I, А	t, с	P, Вт	η, %
1	Колесо типа мельничного	1,5	0,5	140∙10-3	110∙10-3	0,2∙10-3	3,33	22∙10-6	97,68∙10-5
2	Фигурное колесо	1,5	0,5	130∙10-3	70∙10-3	0,15∙10-3	3,24	10,5∙10-6	45,36∙10-5

Таблица 2.

Представление измеренных характеристик рабочих колес закрытого типа

№	Турбина закрытого типа	m, кг	h, м	ε, В	U, В	I, А	t, с	P, Вт	η, %
1	Колесо типа мельничного	1,5	0,5	130∙10-3	70∙10-3	0,15∙10-3	3,65	10,5∙10-6	51,1∙10-5
2	Фигурное колесо	1,5	0,5	80∙10-3	40∙10-3	0,15∙10-3	3,64	6∙10-6	29,12∙10-5

2.6.          Графическое представление полученных зависимостей

2.6.1.   Зависимость ЭДС от конструкции турбин

Диаграмма 1. Зависимость ЭДС от конструкции рабочих колес

2.6.2.   Зависимость КПД от конструкции турбин

Диаграмма 2. Зависимость КПД от конструкции рабочих колес

2.6.3.   Зависимость мощности от конструкции турбин

Диаграмма 3. Зависимость мощности от конструкции рабочих колес

2.7. Анализ полученных результатов

По диаграммам 1, 2, 3, в которых отображаются зависимости соответствующих характеристик (ЭДС, КПД, мощности) от конструкции турбин, выясняется, что все параметры зависят от конструкции рабочего колеса, на основе чего сделан вывод, что мельничное колесо является более эффективным при работе гидравлической электростанции, чем фигурное. Так же было выявлено, что колеса закрытого вида имеют почти в 2 раза меньший КПД по сравнению с открытым видом для тех же самых колес

2.8. Объяснение зависимости ЭДС, КПД и мощности от конструкции гидравлических турбин

Экспериментально выяснили, что мельничное колесо при производстве электрической энергии выгоднее фигурного. Возможно, это потому, что вода проскальзывает вдоль фигурных лопастей, слабо взаимодействуя с ними. Колесо типа мельничного из-за отсутствия изгибов лопастей взаимодействует с потоком воды более эффективно. Поэтому фигурное колесо приобретало меньшую скорость вращения.

Так же было выяснено, что закрытый вид турбин менее эффективен открытого вида в наших исследуемых конструкциях. Возможно, в нашей конструкции возникали встречные потоки воды, препятствующие эффективному вращению рабочего колеса

Заключение

В исследовательской работе «Сравнение характеристик моделей гидроэлектростанции постоянного тока при использовании турбин различной конструкции» в соответствии с поставленными целями и задачами были проведены теоретические и экспериментальные действия, приведшие к результатам:

а)     представлены сведения о строении и принципах действия гидравлических электростанций, необходимые для понимания принципа работы гидравлической турбины и для построения экспериментальной установки;

б)    собраны экспериментальные установки для проведения исследований;

в)    измерены и рассчитаны необходимые характеристики каждой самодельной гидравлической турбины;

г)     выяснены зависимости ЭДС, КПД и мощности от конструкции гидравлических турбин;

д)    выявлены причины различия эффективности работы исследуемых самодельных гидравлических турбин

Используемая литература

1. А.С. Енохович. Физика. Техника. Производство. Краткий справочник. Пособие для учителей физики средней школы. Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР. М: 1962. Гидротурбины и гидрогенераторы. Стр. 298;

2. Аннабел Крейг и Клифф Росни. НАУКА, Энциклопедия. Перевод с английского А.М.Голова. М: «Росмэн». 1994. Альтернативные виды энергии. Стр. 26;

3. А.В. Пёрышкин. Физика. 7 класс. М: «Дрофа». 2013. Потенциальная и кинетическая энергия. Стр. 193;

4. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика. 10 класс. Базовый и профильный уровень. Под редакцией профессора Н.А. Парфентьевой. М: «Просвещение». 2014. Глава 15. Законы постоянного тока. Стр. 289;

5. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика. 11 класс. Базовый и профильный уровень. Под редакцией профессора В.И. Николаева, профессора Н.А. Парфентьевой. М: «Просвещение». 2010. Глава 2. Электромагнитная индукция. Стр. 27. Гл. 5. Производство, передача и использование электрической энергии. Стр. 111;

6. Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. Учебник. 10 класс. М: «Мнемозима» 2009. Механическая работа. Мощность. Стр. 129, Энергия. Закон сохранения механической энергии. Стр. 135;

7. .Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. Учебник. 11 класс. М: «Мнемозима» 2009. Глава 3. Электромагнитное поле. Стр. 53;

8.А.В.Перышкин,Физика,8 класс.2013. Глава 1.Тепловые явления. Стр. 69;

9. А.В.Перышкин,Физика,8 класс. М: «Дрофа». 2013. Глава 2. Электрические явления. Стр. 145;

10. А.В.Перышкин, Е.М. Гутник, Физика. 9 класс. М: «Дрофа». 2014. Глава 3. Электромагнитное поле. Стр. 145-163;

11.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/41.htm ,свободный.-Загл. с экрана.

12. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://mirnovogo.ru/gidravlicheskaya-turbina ,свободный.-Загл. с экрана.

13. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://knowledge.su/g/gidravlicheskaya-turbina ,свободный.-Загл. с экрана.

14. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://mydocx.ru/1-10249.html ,свободный.-Загл. с экрана.

15.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/291/%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F  ,свободный.-Загл. с экрана.

16.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://enciklopediya-tehniki.ru/promyshlennost-na-g/gidravlicheskaya-turbina.html ,свободный.-Загл. с экрана.

17.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://studopedia.org/2-5118.html  ,свободный.-Загл. с экрана.

18.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00077545_0.html  ,свободный.-Загл. с экрана.

19.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://blog.rushydro.ru/?p=4158 ,свободный.-Загл. с экрана.

20.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/history-of-hydropower/ancient-ages/Vodyanoe_koleso/segnerovo-koleso-ot-kolesa-k-turbine ,свободный.-Загл. с экрана.

21.[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.krsk.kp.ru/daily/25972/2908539/  ,свободный.-Загл. с экрана.

22. Смирнов И. Н. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пособие для энерг. и политехнич. вузов. М., «Высш. школа», 1969. Стр. 400

23.Шварцбурд Б. И. Технология производства гидравлических машин. М., «Машиностроение», 1978. Стр. 352

24. Барлит В. В. Гидравлические турбины. Киев, Издательское объединение «Высшая школа», 1977 - 360 стр.

25. М.М. Филиппов, М.М. Уздин, Ю.И. Ефименко . Железные дороги. 4-ое издание, переработанное и дополненное. Учебник для студентов ВУЗов. 292 стр.