Как сделать своими руками гидроэлектростанцию: Как самому сделать мини-ГЭС?

Содержание

Автономная мини-гидроэлектростанция (ГЭС) своими руками

Сила водного потока – это возобновляемый природный ресурс, позволяющий получать практически бесплатное электричество. Подаренная природой энергия предоставит возможность сэкономить на коммунальных услугах и решить проблему с подзарядкой техники.

Если рядом с вашим домом протекает ручей или река, ими стоит воспользоваться. Они смогут обеспечить электроэнергией участок и дом. А уж если построена гидроэлектростанция своими руками, экономический эффект возрастает в разы.

В представленной статье детально описаны технологии изготовления частных гидротехнических сооружений. Мы рассказали о том, что потребуется для устройства системы и подключения ее к потребителям. У нас вы узнаете о всех вариантах миниатюрных поставщиков энергии, собранных из подручных материалов.

Содержание статьи:

Гидроэлектростанции непромышленного назначения

Гидроэлектростанции – это сооружения, способные преобразовать энергию движения воды в электричество. пока активно эксплуатируются только на Западе. На территории нашей страны эта перспективная отрасль лишь делает первые робкие шаги.

Галерея изображений

Фото из

Получение электроэнергии при извлечении потенциала воды — одно из перспективных направлений «зеленой» энергетики. Ее плюсы заключаются в использовании неисчерпаемых бесплатных ресурсов планеты с нанесением наименьшего ущерба природной обстановке

К объектам, задействованным в сфере малой гидроэнергетики, относятся мини гидроэлектростанции, вырабатывающие от 3-100 кВт до 25 МВт

Для получения электричества при использовании энергии воды необязательно наличие бурной горной реки или сооружение большой плотины. Достаточно сузить русло небольшой речки или ручья

Турбину небольшой гидроэлектростанции сможет заставить вращаться даже относительно небольшой по объему канал, в который вода поступает из близлежащего водоема или речки

Небольшие ГЭС, устроенные прямо в потоке воды просты, но не позволяют регулировать силу и объем стока. Возможность регулировки обеспечит миниатюрное водохранилище

Наиболее перспективными для организации мини ГЭС являются горные ручьи с характерной разницей высот в русле. Однако подобные условия можно создать и для речки, текущей по равнинной местности

Повысить производительность миниатюрной ГЭС помогут всевозможные водообороты и завихрения, которые можно соорудить искусственно, путем заливки бетонных конструкций

Для увеличения КПД разработчиками малых гидроэлектростанций усовершенствуются турбины. К примеру, обычное колесо с лопастями заменяется многовитковым шнеком

Использование воды для получения электроэнергии

Один из традиционных вариантов малой гидроэнергетики

Сужение канала для извлечения энергии

Устройство направленного на лопасти канала

Приплотинный вариант с небольшим водохранилищем

Разница высоты в русле ручья или речки

Искусственно сооруженное завихрение

Шнековый тип турбины с повышенным КПД

Небольшими частными гидроэлектростанциями могут быть плотины на больших реках, вырабатывающие от десятка до нескольких сотен мегаватт или мини-ГЭС с максимальной мощностью в 100 кВт, которых вполне достаточно для нужд частного дома. Вот о последних и узнаем подробней.

Гирляндная станция с гидровинтами

Конструкция состоит из цепи роторов, закрепленных на гибком стальном тросе, перетянутом поперек реки. Сам трос исполняет роль вращательного вала, один конец которого фиксируется на опорном подшипнике, а второй – активирует вал генератора.

Каждый гидроротор «гирлянды» способен вырабатывать около 2 кВт энергии, правда, скорость водного потока для этого должна быть не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не превышать 1,5 м.

Принцип действия гирляндной ГЭС прост: напор воды раскручивает гидровинты, а те вращают трос и заставляют генератор вырабатывать энергию

Гирляндные станции с успехом использовались еще в середине прошлого века, но роль винтов тогда играли самодельные пропеллеры и даже консервные банки. Сегодня же производители предлагают несколько видов роторов для различных условий эксплуатации.

Они комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из листового металла, и позволяют получить максимальный КПД от работы станции.

Но хотя в изготовлении этот гидрогенератор достаточно прост, его эксплуатация предполагает ряд специальных условий, не всегда осуществимых в реальной жизни. Такие сооружения перегораживают русло реки, и вряд ли соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологических служб, разрешат использовать энергию потока для ваших целей.

Кроме того, в зимний период установку использовать можно только на незамерзающих водоемах, а в условиях сурового климата – консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции возводятся временно и преимущественно в безлюдной местности (например, около летних пастбищ).

Роторные станции мощностью от 1 до 15 кВт/час вырабатывают до 9,3 МВт за месяц и позволяют самостоятельно решить проблему с электрификацией в регионах, отдаленных от централизованных магистралей

Современный аналог гирляндной установки – погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами. В отличие от своей гирляндной предшественницы, эти конструкции не перегораживают всю реку, а задействуют только часть русла, причем установить их можно на понтоне/плоте или вовсе опустить на дно водоема.

Вертикальный ротор Дарье

Ротор Дарье – устройство турбины, которое получило название в честь своего изобретателя в 1931 г. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, зафиксированных на радиальных балках, и работает за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», который широко задействован в кораблестроительстве и авиации.

Хотя такие установки больше используются для создания ветрогенераторов, они могут работать и с водой. Но в этом случае нужны точные расчеты, чтобы подобрать толщину и ширину лопастей в соответствии с силой водного потока.

Ротор Дарье напоминает «ветряк», только установленный под водой, причем работать он может вне зависимости от сезонных колебаний скорости потока

Для создания локальных гидростанций вертикальные роторы используется редко. Несмотря на неплохие показатели КПД и кажущуюся простоту конструкции, оборудование достаточно сложное в эксплуатации.

Перед началом работы систему нужно «раскрутить», зато и остановить запущенную станцию сможет только замерзание водоема. Поэтому используется ротор Дарье преимущественно на промышленных предприятиях.

Интересное решение в сфере проектирования малых ГЭС с вертикально работающей турбиной предложил австрийский изобретатель Франц Цотлётерер:

Галерея изображений

Фото из

Мини станция водоворотно-гравитационного действия

Сооружение отдельного канала с водоворотом

Турбина в центре вращения

Устройства для сбора вырабатываемой энергии

Веским плюсом водоворотных станций вполне обоснованно считается сохранение рыбных ресурсов. Работа вертикальной турбины не наносит вреда живым организмам реки. К тому же на стенках сооружений не задерживается тина из-за специфического движения потока воды.

Подводный винтовой пропеллер

По сути, это самый простой воздушный ветряк, только устанавливается он под водой. Размеры лопастей, чтобы обеспечить максимальную скорость вращения и минимум сопротивления, рассчитываются в зависимости от силы движения потока. Например, если скорость течения не превышает 2 м/сек, то ширина лопасти должна быть в пределах 2-3 см.

Подводный пропеллер несложно сделать своими руками, но он подходит только для глубоких и быстрых рек – на мелком водоеме вращающиеся лопасти могут нанести травмы рыбакам, купальщикам, водоплавающим птицам и животным

Такой ветряк устанавливается «навстречу» потоку, но его лопасти работают не за счет давления водного напора, а благодаря возникновению подъемной силы (по принципу самолетного крыла или винта корабля).

Водяное колесо с лопастями

Водяное колесо – один из простейших вариантов гидравлического двигателя, известный еще со времен Римской Империи. Эффективность его работы во многом зависит от типа источника, на котором его установили.

Подливное колесо может вращаться только благодаря скорости потока, а наливное – с помощью напора и веса воды, ниспадающей сверху на лопасти

В зависимости от глубины и русла водотока можно установить различные типы колес:

  • Подливные (или нижнебойные) – подойдут для мелководных рек с быстрым течением.
  • Среднебойные – располагаются в руслах с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно на середину вращающегося барабана.
  • Наливные (или верхнебойные) – устанавливаются под плотиной, трубой или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжила путь через вершину колеса.

Но принцип работы у всех вариантов один и тот же: вода попадает на лопасти и приводит в действие колесо, которое заставляет вращаться генератор для миниэлектростанции.

Производители гидрооборудования предлагают готовые турбины, лопасти которых специально адаптированы под определенную скорость водного потока. Но домашние умельцы изготавливают барабанные конструкции по старинке – из подручных материалов.

Ознакомиться с шагами сооружения простейшего варианта мини ГЭС поможет следующая фото-подборка:

Галерея изображений

Фото из

Шаг 1: Сужение русло и формирование перепада

Шаг 2: Раскрой деталей для сборки турбины

Шаг 3: Фиксация лопастей в самодельной турбине

Шаг 5: Установка опоры в русле ручья

Шаг 5: Установка турбины на опорную конструкцию

Шаг 6: Подключение генератора и аккумуляторов

Шаг 7: Устройство ременной передачи

Шаг 8: Тестирование устройства после сборки

Возможно, отсутствие оптимизации отразится на показателях КПД, зато себестоимость самодельного оборудования обойдется в разы дешевле покупного аналога. Поэтому водяное колесо наиболее популярный вариант для организации собственной мини-ГЭС.

Условия для установки гидроэлектростанции

Несмотря на заманчивую дешевизну энергии, вырабатываемую гидрогенератором, важно учесть особенности водного источника, ресурсы которого вы планируете задействовать для собственных нужд.

Ведь далеко не каждый водоток подойдет для эксплуатации мини-ГЭС, тем более круглогодичной, поэтому не помешает иметь в резерве возможность подключения к централизованной магистрали.

Несколько «за» и «против»

Основные плюсы индивидуальной гидроэлектростанции очевидны: недорогое оборудование, которое вырабатывает дешевое электричество, да еще и природе не вредит (в отличие от плотин, перекрывающих ток реки). Хотя абсолютно безопасной систему назвать нельзя – все-таки вращающиеся элементы турбин могут нанести травмы жителям подводного мира и даже людям.

Чтобы предупредить несчастные случаи, гидростанцию нужно оградить, а если система полностью скрыта водой – установить на берегу предупреждающий знак

Преимущества мини-ГЭС:

  1. В отличие от других «бесплатных» энергоисточников (солнечных батарей, ветрогенераторов), гидросистемы могут работать вне зависимости от времени суток и погоды. Единственное, что может им помешать – замерзание водоема.
  2. Для установки гидрогенератора необязательно наличие большой реки – те же водяные колеса с успехом можно использовать даже в мелких (но быстрых!) ручьях.
  3. Установки не выделяют вредных веществ, не загрязняют воду и работают практически бесшумно.
  4. Для монтажа мини-ГЭС мощностью до 100 кВт не нужно оформлять разрешительную документацию (хотя все зависит от местных властей и типа установки).
  5. Избыток электричества можно продавать в соседние дома.

Что касается недостатков – серьезной помехой для продуктивной эксплуатации оборудования может стать недостаточная сила течения. В этом случае придется возводить вспомогательные сооружения, что сопряжено с дополнительными затратами.

Если потенциальной энергии расположенной рядом реки при приблизительном расчете не хватит на выработку электричества в объеме, достаточном для практического применения, стоит обратить внимание на . Ветряк послужит эффективным дополнением.

Измерение силы водного потока

Первое, что нужно сделать, чтобы задуматься о виде и способе монтажа станции, – измерить скорость водного потока на облюбованном источнике.

Самый простой способ – опустить на стремнину любой легкий предмет (например, теннисный мячик, кусок пенопласта или рыбацкий поплавок) и засечь секундомером время, за которое он проплывет расстояние до какого-нибудь ориентира. Стандартная дистанция для «заплыва» – 10 метров.

Если водоем находится далековато от дома, можно построить отводной канал или трубопровод, и заодно и позаботиться о перепадах высоты

Теперь нужно пройденное расстояние в метрах разделить на количество секунд – это и будет скорость течения. Но если полученное значение будет меньше 1 м/сек, потребуется возвести искусственные сооружения, чтобы ускорить поток перепадами высот.

Это реально осуществить с помощью разборной плотины или неширокой сливной трубы. Но без хорошего течения от идеи с гидростанцией придется отказаться.

Изготовление ГЭС на основе водяного колеса

Разумеется, собрать «на коленке» и возвести махину, предназначенную для обслуживания предприятия или населенного пункта даже из десятка домов – идея из области фантастики. Но соорудить своими руками мини-ГЭС для экономии электричества – вполне реально. Причем задействовать можно как готовые комплектующие, так и подручные материалы.

Поэтому рассмотрим пошагово изготовление наиболее простого сооружения – водяного колеса.

Необходимые материалы и инструменты

Чтобы сделать своими руками мини-ГЭС, нужно подготовить сварочный аппарат, болгарку, дрель и набор вспомогательных инструментов – молоток, отвертку, линейку.

Из материалов понадобятся:

  • Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
  • Трубы из ПВХ или оцинкованной стали для изготовления лопастей.
  • Генератор (можно использовать готовый покупной или сделать самому, как в данном примере).
  • Тормозные диски.
  • Вал и подшипники.
  • Фанера.
  • Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
  • Медный провод на 15 мм для самодельного генератора.
  • Неодимовые магниты.

Учтите, что конструкция колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому металлические и деревянные элементы необходимо выбирать с защитой от влаги (или позаботится об их пропитке и покраске самостоятельно). В идеале, фанеру можно заменить пластиком, но деревянные детали проще достать и придать им нужную форму.

Сборка колеса и изготовление сопла

Основой для самого колеса могут стать два стальных диска одинакового диаметра (если есть возможность достать стальной барабан от кабеля – отлично, это намного ускорит процесс сборки).

Но если металла в подручных материалах не нашлось, можно вырезать круги и из водостойкой фанеры, хотя прочность и срок службы даже обработанного дерева не сравнится со сталью. Затем на одном из дисков нужно прорезать круглое отверстие под установку генератора.

После этого изготавливаются лопасти, а их понадобится не меньше 16 шт. Для этого оцинкованные трубы разрезаются вдоль на две или четыре части (зависит от диаметра). Затем места резки и саму поверхность лопастей нужно отшлифовать, чтобы уменьшить потери энергии при трении.

Лопасти устанавливаются под наклоном примерно в 40-45 градусов – это поможет увеличить площадь поверхности, на которую будет воздействовать сила потока

Расстояние между двумя боковыми дисками должно быть максимально приближено к длине лопастей. Чтобы наметить место для расположения будущих ступиц, рекомендуется сделать шаблон из фанеры, на котором будет обозначено место для каждой детали и отверстия для фиксации колеса к генератору. Готовую разметку можно прикрепить на внешней стороне одного из дисков.

Затем круги устанавливаются параллельно друг к другу с помощью стержней со сплошной резьбой, а лопасти привариваются или фиксируются болтами в нужных позициях. Барабан будет вращаться на подшипниках, а в качестве опоры используется рама из уголков или труб небольшого диаметра.

На этом этапе сборку барабана можно считать законченной, осталось оснастить его самодельным генератором и соплом, направляющим поток воды

Сопло предназначено для водных источников каскадного типа – такая установка позволит использовать энергию потока по максимуму. Изготавливается этот вспомогательный элемент путем выгибания листового металла с последующей сваркой швов, а после насаживается на трубу.

Однако если в вашей местности протекает равнинная река без порогов и других высотных препятствий, в этой детали нет необходимости.

Важно, чтобы ширина выходного отверстия сопла соответствовала ширине самого колеса, иначе часть потока будет идти «вхолостую», не попадая на лопасти

Теперь колесо нужно насадить на ось и установить на подпорку из сваренных или скрепленных болтами уголков. Осталось сделать генератор (или установить готовый) и можно отправляться к реке.

Генератор своими руками

Для изготовления самодельного генератора нужно сделать обмотку и заливку статора, для чего понадобятся катушки со 125-ю витками медной проволоки на каждой. После их соединения вся конструкция заливается полиэстеровой смолой.

Каждая фаза состоит из трех последовательно прикрепленных мотков, поэтому соединение можно сделать в форме звезды или треугольника с несколькими наружными выводами

Теперь нужно подготовить фанерный шаблон, совпадающий по размерам с тормозным диском.

На деревянном кольце выполняется разметка и делаются прорези для установки магнитов (в данном случае использовались неодимовые магниты толщиной 1,3 см, шириной 2,5 см и длиной 5 см). Затем полученный ротор также заливается смолой, а после просушки – присоединяется к барабану колеса.

Водяное колесо с ротором из тормозных дисков и генератором из мотков медной проволоки – окрашенное, презентабельное и готовое к эксплуатации

Последним монтируется алюминиевый кожух с амперметром, закрывающий выпрямители. Задача этих элементов – преобразовывать трехфазный ток в постоянный.

После установки колеса в поток небольшой речки с каскадом или отводной трубой, можно рассчитывать на производительность мини-ГЭС в 1,9А * 12В при 110 оборотах за минуту

Чтобы в колесо не попадали листья, песок и другой мусор, принесенный с потоком, желательно поставить перед устройством защитную сетку.

Также можно поэкспериментировать с зазорами между магнитами и катушками с увеличенным количеством витков для увеличения КПД гидростанции.

О всех видах вы узнаете, ознакомившись со статьей, посвященной внедрению в быт “зеленых технологий”.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Пример работающей гидроустановки с самодельным генератором на базе трехфазного двигателя:

Видео #2. Мини-ГЭС, сконструированная по принципу водяного колеса:

Видео #3. Станция на основе велосипедного колеса – интересный вариант решения проблемы с энергообеспечением на отдыхе вдали от цивилизации:

Как видите, построить водяную миниэлектростанцию своими руками не так уж и сложно. Но так как большинство расчетов и параметров для ее комплектующих определяется «на глазок», следует быть готовым к возможным поломкам и сопутствующим затратам.

Если вы чувствуете нехватку знаний и опыта в данной сфере, стоит довериться специалистам, которые выполнят все необходимые расчеты, посоветуют оптимальное для вашего случая оборудование и качественно произведут его установку.

Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке. Делитесь интересными сведениями и полезными рекомендациями, оставляйте тематические фото. Возможно, вы хотите рассказать, как соорудили собственными руками действующую гидроэлектростанцию на загородном участке? Будем рады прочитать ваш рассказ о процессе устройства и эксплуатации.

Бесплатное электричество — мини ГЭС своими руками

Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.

Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.

Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет. Так:

  • 0.5 м/с – 0.03 кВт,
  • 0.7 м/с – 0.07 кВт,
  • 1 м/с – 0.14 кВт,
  • 1.5 м/с – 0.31 кВт,
  • 2 м/с – 0.55 кВт,
  • 2.5 м/с – 0.86 кВт,
  • 3 м/с -1.24 кВт,
  • 4 м/с – 2.2 кВт и т.д.

Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.

Типы мини-ГЭС

Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.

Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.

Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии. Вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.

Гирляндная гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.

Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «подводный ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.

Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих ( длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.

Ротор Дарье — сложен в расчете и изготовлении. В начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока — это плюс.

Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.

Пример простейшей мини-ГЭС

Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.

Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.

Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.

Источник

Гидрогенератор своими руками или самодельная гидроэлектростанция

Гидрогенератор своими руками или самодельная гидроэлектростанция

Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.

Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.

В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.

Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.

В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.

Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.

Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.

Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.

Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах. Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.

Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.

Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.

На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.

Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность — 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так – круглый год работает.

Перевод: Ярослав Николаевич

Соорудить мини-ГЭС своими руками под силу каждому

«Зеленые» всего мира все чаще и все более активно протестуют против разработки новых месторождений нефти, газа, угля, а также массового использования двигателей внутреннего сгорания во всем мире, которые и приносят самые сильные загрязнения нашей среды обитания. Знаменитости из мира моды, театра, кино, призывают жить экономнее в плане расхода электроэнергии. Они устанавливают на крышах своих особняков солнечные батареи, ветровые генераторы (как актёр Леонардо Ди Каприо, например).

Все больше простых людей также понимают, что и от их поведения что-то может зависеть, и если хотя бы один человек найдет альтернативу двигателю внутреннего сгорания, то тогда мир станет чуточку чище. Поэтому в деревнях, поселках и в нашей стране, там, где есть падающая или бегущая вода, некий бассейн с водой на возвышенности, есть возможность сделать мини ГЭС своими руками и, тем самым, помочь и себе и ее Величеству Природе. Это ведь альтернатива бензиновому или дизельному генератору, который все равно работает на топливе и дает едкий выхлоп в окружающую среду.

А если не один человек, не одно домохозяйство решило найти альтернативный путь получения электроэнергии? Если целый поселок, деревня, аул? Тут уже нагрузка на Природу уменьшится значительно. Да и в кармане у потребителя останется больше денег на домашние нужды, ибо электричество от мини ГЭС, созданной руками и умом энтузиастов выходит примерно раза в три дешевле, чем покупать его от штатных производителей (ТЭЦ, Атомные станции, промышленные ГЭС).

В поисках нужной воды

Недавно я увидел небольшое видео, где показывалось, как в обычной индийской деревне студенты одного из западных колледжей решили сделать мини ГЭС. Электричества в той глуши нет, молодые люди бегут в города, а что произойдёт, если дать жителям свет? Реки как таковой в деревне нет, зато есть водоем. Природная чаша с огромным количеством воды расположена немного выше уровня деревни. Что придумали студенты?

Они своими умными головами сообразили, что раз нет здесь течения от Природы, его можно создать! Руками нанятых рабочих была смонтирована крытая длинная труба диаметром с метр, и один конец ее замкнулся на водоем, а другой — внизу, уходил в небольшую и тихоходную речку. За счет перепада высоты вода из водоема по трубе устремлялась вниз, разгоняясь все больше, и на выходе уже создавался довольно мощный поток, который упирался в лопасти мини ГЭС. Труба, в которую заключили воду водоема, сбегает вниз по склону холма настолько живописно, что кажется, будто огромный питон медленно ползет сверху вниз и своими размерами вселяет ужас в местных жителей. Его хочется потрогать руками, пощупать, почувствовать его мощь.

Если нечто подобное создают в индийской деревушке, то почему не попробовать сделать то же самое в российской? Если рядом нет быстротечной реки, но есть водоем, то и тут возможно строительство мини ГЭС. Нужно просто смотреть рельеф местности, но понятно одно: водоём — пусть он будет природный, или искусственный — должен быть расположен выше, нежели место, где будет установлена гидроэлектростанция. Если разница высот значительная – еще лучше! Поток воды будет бежать сильнее сверху вниз, а значит, возрастет возможная мощность получаемой электроэнергии.

Необязательно покупать дорогие трубы для организации искусственного водного течения. Можно своими руками сделать некий желоб, и пусть пока по нему разгоняется вода из водоема. Для начала лучше вообще взять любые подручные средства, старые трубы пусть и небольшого диаметра пока, и соорудить пробный вариант слива воды из водоема, что расположен выше. Так можно будет измерить скорость потока (как это сделать я уже писал ранее). Если же под боком течет река с быстрым течением, то тогда и не надо строить ни плотин, ни желобов, ни создавать поток воды искусственно. Мини ГЭС в форме гирлянды, пропеллера, ротора Дардье или водяного колеса могут быть установлены в таких местах без особых проблем.

Важно будет защитить сооружение. Как? Впереди мини ГЭС следует установить защитный экран из сетки, или рассеиватель, чтобы плывущие по реке обломки деревьев, а то и целые бревнышки, а также живая и мертвая рыба, всякого рода мусор не попадали на лопасти турбины, а проплывали мимо.

Простейшая мини гидроэлектростанция станция своими руками

Создать собственную мини-ГЭС своими руками способен почти каждый. Примеры? Многие туристы для получения освещения в условиях похода используют обыкновенный велосипед, на котором и передвигаются. На любое колесо велосипеда они устанавливают между спицами перемычки из кусков, скажем, тонкого железа и сначала руками, а затем плоскогубцами заводят края листа за спицу, тем самым фиксируя перемычку. Длина перемычки должна соответствовать половине диаметра колеса, то есть перекрывать расстояние от обода до втулки. По сути, она должна быть равна длине спицы. Оптимальным будет установить четыре таких перемычки по типу сторон света: Север, Юг, Запад, Восток. Далее потребуется обычный велогенератор и фонарик подключенный к нему.

Пора выбираться в поход. На ночлег нужно остановиться у реки. Ну и пусть, что комары закусают! Зато получится сделать видео вечеринки, наделать фотографий у костра. Это же очень живописно! Вода в реке должна иметь заметное течение и тогда наша походная мини гидроэлектростанция будет работать. «Да будет свет!» — сказал монтер и сделал замыкание. Нет, это не про нас.

«Да будет свет!» — сказал турист и опустил колесо с перемычками из железа на треть в воду бегущей реки. Сам велосипед ставится на небольшую подставку, или подвешивается за дерево или колышек на берегу так, чтобы колесо на треть было погружено в поток. Вода давит на перемычки, крутит колесо, генератор преобразует энергию воды в ток и мини-фонарик освещает место стоянки.

Нет риска, что батарейки попались бракованные, как в случае применения обычного фонаря, нет риска, что они «сядут», их не надо брать собой в поход в большом количестве. Течение реки никуда не исчезнет. Туристы, чаще всего, предпочитают останавливаться в проверенных местах. Так что, единожды получив электрический ток посредством минивело-ГЭС на месте ночлега, они будут помнить это место и постараются коротать темное время суток именно здесь.

Трудности согласования

Однако, зажечь одну свечу, образно говоря, это одно, а вот зажечь тысячи, дать людям свет, как то сделал Прометей, это совсем иное дело. Компактная гидроэлектростанция как источник электричества своим появлением в обыденном применении может нарушить устоявшуюся картину и состояние дел.

Крупнейшие монополии привыкли, что именно они производят электроэнергию для малых поселений, сбытовые дочерние структуры привыкли получать деньги за доставку товара – КВт\час потребителю. Куда в эту схему вписать мини — ГЭС? Да еще не подконтрольную монополистам? Сразу скажу, что согласовать такой проект с местными властями в России будет непросто, как впрочем, и всякое иное новое дело. Но результат стоит затраченных усилий.

В целом под компактной (мини) гидроэлектростанцией подразумевается такая станция, что выдает мощность до 100 квт. Народные умельцы, работая руками и головой, могут достаточно легко соорудить сию полезную штуку у себя в поселке или деревне, даже в частном домовладении. Но только если имеются соответствующие природные условия и желание что-то создать НОВОЕ, сэкономить денег, то есть в будущем меньше платить за электричество.

Если вы посмотрите видео, или фото некоторых мини- ГЭС, то увидите, что подчас они выглядят весьма странно. Но ведь для современников Леонардо Да Винчи его махолеты с огромными крыльями тоже казались по меньшей мере странными, а своими дерзкими опытами и идеями великий итальянец и вовсе наводил ужас на многих людей своего времени. Ну и что? Людей тех мы не помним. А чертежи и творения Леонардо будут жить в веках. Стройте мини-ГЭС своими руками, экспериментируйте, дерзайте! Природа и потомки скажут вам лишь «Спасибо»!

Михаил Берсенев

В Таджикистане тоже есть умельцы, не хуже индийских:

Как построить автономную мини-ГЭС своими руками

Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.

Преимущества и недостатки ГЭС

Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:

  • Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от солнечных электростанций). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
  • Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
  • Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ветряков).
  • Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.

К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.

Скорость течения и способы его усиления

При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:

  • Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
  • Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.

Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС — 1 м/с.

Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.

Как сделать мини-ГЭС из велосипеда

Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.

Для монтажа станции понадобится:

  • Переднее колесо от велосипеда.
  • Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
  • Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина — от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.

Как построить мини-ГЭС на основе водяного колеса

Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.

Для станции необходимы следующие элементы:

  • Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
  • На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
  • Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
  • Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.

Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.

Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.

Как сделать мини-ГЭС своими руками / GEF Small Grants Programme, Программа малых грантов в Узбекистане

Главная > Новости > Как сделать мини-ГЭС своими руками


Если недалеко от вашего дома есть небольшая речка, вы можете использовать такой генератор для получения чистой энергии. Это схему разработал один американский рационализатор и собрал мини-ГЭС всего за три дня.




 


Читайте также:


Blue Freedom — самая маленькая гидроэлектростанция
Как сделать солнечный водонагреватель из пластиковых бутылок за 6 шагов
Самодельный трактор на солнечных батареях



Он использовал неработающий генератор от фирмы Cummins Onan, с которого взял диски для колеса турбины, а электрический генератор он изготовил из двух тормозных роторов размером по 28 см. Также использовал ступицу колеса от старого Доджа. Лопасти турбины выполнены из 10-ти сантиметровых стальных труб, разрезанных на четыре части.

Далее конструктор изготовил шаблон двенадцати дюймовых колес, на которые были нанесены метки необходимых отверстий, а также места для лопастей в количестве 16 штук.

Сверление должно быть выполнено очень точно — от этого зависит эффективность всей установки.

После сверления отверстий, диски были соединены металлическими прутьями, длиной 25 см.

В полученном изделии было сделано отверстие на 10 см для того, чтобы облегчить монтаж электрического генератора и для того, чтобы была возможность лучшего доступа.

Для усиления приливного водяного потока к турбине была присоединена специальная насадка в трубу, выполнена из согнутого металлического листа.

В результате получена своя электростанция — труба с оригинальной насадкой была закреплена под углом 45 градусов, а саму турбину предварительно установили на втулку. Такой подход позволил конструктору производить регулировку. Установленая труба может осуществлять движение во всех четырех направлениях, а турбина и генератор могут отклоняться только взад-вперед.

Для генератора американский конструктор использует следующий подход: из проволоки был изготовлен статер, который имеет 9 одинаковых колец, на каждое из которых было плотно намотана 125 витков.

Также от статера было отведено 6 жил, а сам статер залит эпоксидным компаундом.

Ротор имеет 12 магнитов, расположенных по краях.

Соединение ротора и статера было выполнено с помощью смеси полиэстера и стекловолокна.

Созданный генератор закрепили с одной стороны турбины.

Со свободной стороны электрического генератора прикрепили преобразователь, который помещен в специальный кожух из алюминия. Он превращает трехфазный переменный ток в постоянный. Мощность установки составила 12,5 Вт при 38 оборотах в минуту.

Для работы установки использовали ручей, который протекал у дома конструктора.

С этого ручья вода набирается и подается к турбине.

После выбора правильного угла наклона средняя скорость вращения турбины 110 оборотов в минуту.

В результате этого турбина обеспечивает ток в 2 ампера (при напряжении 12 В).
Плотина Смита


 



 

Метки: мини, гидро, станция, возобновляемая, энергия

Комментарии

Поделитесь статьей

Как сделать генератор для домашней ГЭС | by Maxim Zalevski

Сегодня мы будем изучать проект создания генератора для домашней гидроэлектростанции. Гидроэнергетика является одним из основных источников возобновляемой энергии в мире и составляет пятую часть электроэнергии по всему миру.

Читайте также:
Как сделать мини-ГЭС своими руками
Turbulent — новая вихревая мини-ГЭС которая не вредит рыбе и не сбивает силу течения
Blue Freedom — самая маленькая гидроэлектростанция

Есть два способа сделать электрический генератор дома, либо с помощью динамо или построить свой собственный генератор.
Генератор состоит из двух частей:

  • Статор, та часть, которая не двигается и оборудована катушками для сбора электроэнергии.
  • Ротор, движущаяся часть и имеющая магниты, которые индуцируют электричество в катушках.

Создание гидроагрегата.

Первое, что мы делаем, это печать дисков лопастей, которые вы можете найти здесь.

Этот вентиль будет придерживаться куском гофрированного картона, старайтесь избежать комков при вставке. С помощью резака вырезаем ротор и статор.
Мы сделаем небольшое отверстие в центре ротора, используя гвоздь.
Сложите кусок картона 3 х 16 см пополам и намотайте проволку как показано на рисунке. Эта коробка будет нашим проводником к катушкам.

Подготовьте 8 полосок 4 см ленты перед следующей стадией. Раскатайте эмаль медной проволоки через направляющую, чтобы сформировать первую катушку так чтобы было около 200 кругов.

Тщательно зафиксируйте катушки изолентой, чтобы сохранить их форму. Зачистите кончики каждого провода наждачной бумагой (около 1 см от каждого конца). Убедитесь, что часть кабеля полностью заизолированна. Повторите описанные выше шаги, чтобы сделать остальные три катушки.

Сборка бабины

Поместите катушки на диске статора, соблюдая направление, указанное в шаблоне (две катушки, намотанные по часовой стрелке и две против часовой стрелки). Подключите провода так, чтобы ток следовал по пути, указанному стрелками, начиная с катушки против часовой стрелки нижнюю левую сторону. Каждое соединение обязательно заизолируйте.
Проверьте правильно ли выполнены соединения измеряя сопротивление с помощью мультиметра. Если соединения хорошо сделаны, сопротивление должно быть небольшим (<10 Ом).
После того, как вы подтвердили хорошую производительность, закрепите катушки статора с помощью силикона. Дождитеть пока силикон высохнет перед размещением очередной катушки.
Возьмите 4 керамических магнита примерно 18 мм в диаметре. С помощью магнитного компаса определите полярность каждой стороны магнита и пометьте два магнита северных и два южных.
Закрепите силиконом магниты, чередуя полярность (NSNS) как показано на рисунке.

Сборка турбины

Для сборки турбины, мы должны проколоть центр пробки от 3 до 5 см сверлом 1/4 “. Поместите пробку на шаблоне с помощью карандаша и отметьте места, где будут расставлены ложки.

С помощью ножа, просверлите отверствия в отмеченных местах. Нарежьте 8 пластиковых ложек, оставляя сантиметр от ручки. Зафиксируйте ложки в пробке и отрегулируйте угол и глубину каждой ложке таким образом, чтобы они имели один и тот же угол наклона по отношению к пробке. Закрепите все ложки силиконом.
Возьмите пластиковую бутылку 4 л прямоугольной формы, вырежьте ее ножницами или острым ножом, как показано на фото.

С помощью линейки отмерьте центр на одной из боковых сторон. Отметьте эту точку несмываемым маркером. Повторите на противоположной стороне. Пробейте обе стороны сверлом 1/4 на отметке, которую вы сделали.
С помощью ножниц вырежьте 2 трубки ПВХ 1/4 “. Трубка должна проходить через центр пластикового контейнера, статор и вал, как показано на рис.

Дюбель вставляется через турбину и контейнер, как показано на рисунке выше. Турбина расположена внутри контейнера таким образом, чтобы ложки находились ниже узкого места. также регулируем положение винилового шланга так, чтобы они не касались внутренней части контейнера. Теперь поместите вторую трубку после того, как установите статор. Трубки помогают держать все части турбины на месте, когда он крутится. Включаем турбину, чтобы проверить, что турбина не падает внутрь контейнера.
Вставьте ротор на валу. Магниты должны быть около 2 или 3 мм от катушек. Поверните вал, чтобы проверить, что магниты не попали на катушки. Регулирутйе угол наклона диска, если это необходимо.
Если ротор вращается плавно, он фиксирует положение размещения горячего клея на дюбель.
Поместите контейнер рядом с трубой и вращайте турбину с водой. Измеряйте с помощью мультиметра энергию, которую они производят.
Вот некоторые видео-примеры по созданию домашней гидроэлектростанции:

По материалам: Re-Energy

Можете ли вы превратить свой дом в гидроэлектростанцию?

Автор New Scientist, партнер Energy Realities

Ни у кого нет ответов на все вопросы мировой энергетики, поэтому New Scientist объединилась с
Статойл
для поиска решений в аудитории New Scientist.

Был задан вопрос: сколько электричества можно было бы произвести, если бы вы подключили турбину к системе подачи воды под давлением, поступающей в ваш дом? Повлияет ли это на поставщика воды или ваших соседей?

В то время, когда нам нужно больше низкоуглеродных источников электроэнергии, домашняя гидроэнергетика кажется отличной идеей.

И оказывается, что выработка электроэнергии из воды, протекающей по трубам, уже используется, хотя и не так, как предусмотрено в вопросе. Эндрю Лобихлер, основатель и технический директор XYZ Interactive из Торонто, отмечает в LinkedIn, что некоторые водомеры уже включают в себя небольшую турбину для выработки электроэнергии для питания радио, которое отправляет данные о потреблении домашних хозяйств на ретрансляционную станцию. Они используют лишь небольшую часть энергии потока, поэтому вода по-прежнему достигает самых высоких частей домов, которые они обслуживают.

Турбины также могут использоваться в гораздо больших водяных трубах. Майкл Полод, аналитик по рискам и нормативным требованиям TransCanada, указывает на их использование в трубах диаметром более 60 сантиметров. Его свидетельство исходит от компании Lucid Energy из Портленда, штат Орегон, которая устанавливает турбины с вертикальной осью внутри труб и генераторы электроэнергии на них. Компания считает, что, удаляя избыточное давление в системах с гравитационным питанием, она может генерировать 100 киловатт и более без нарушения потоков. Замечательно, что эта система также может работать со сточными водами — новой формой энергии из отходов.

Если гидроэнергетика работает на больших трубах, будет ли она работать в масштабе отдельных домов? Даже если ответ положительный, Стив Орчард из Глостершира указывает, что существует юридическое препятствие, которое необходимо преодолеть, по крайней мере, в Великобритании. Это связано с тем, что использование водопроводного крана для выработки электроэнергии противоречит частям Положения о водоснабжении (водопроводной арматуре) 1999 года, которые призваны избежать потерь воды.

Но есть ли ответ «да»? Мы получили много ответов от людей, которые проводили эксперименты и сложные математические вычисления, чтобы проверить идею. Физика Престижность всем вам. Скорость потока воды сильно различалась, но ответов не было. Был достигнут полный консенсус в отношении ценности этой схемы, о чем свидетельствуют заявки-победители в этом месяце:

Дома я провел простой эксперимент, чтобы разобраться в этом, подсчитав, сколько времени нужно, чтобы наполнить ведро известного объема водой при полностью открытом кране. Я обнаружил, что мой внешний кран, питаемый непосредственно из восходящей магистрали, идущей с улицы, будет подавать 30 литров в минуту, или 0.5 литров в секунду. Это поток из одного крана, но на практике восходящая магистраль может питать сразу несколько кранов, каждый из которых работает на полный проход. Я мог запустить сразу три крана, прежде чем расход уменьшился. Так что, похоже, моя восходящая магистраль имеет приблизительную производительность 1,5 литра в секунду. Это массовый расход 1,5 килограмма в секунду. Я знаю, что диаметр магистрали составляет около 13 миллиметров — стандартный размер трубы здесь, в Великобритании, — поэтому я могу подсчитать, что вода движется со скоростью 11 метров в секунду (это объемный расход, деленный на площадь поперечного сечения трубы. ). 2, где м — 1,5 кг / с, а v — 11 м / с. Обработка чисел дает энергию около 90 джоулей в секунду — или 90 ватт, если вы можете собрать ее со 100-процентной эффективностью.

Но вы не можете сделать турбину такой хорошей. Самая лучшая из практичных турбин имеет КПД около 66 процентов, так что реально вы получите около 60 Вт на валу турбины в вашей магистральной трубе. Но, опять же, небольшие электрические машины заведомо неэффективны, так что вам повезет, если вы получите половину этой суммы в виде электричества.Я мог рассчитывать получить около 30 ватт электроэнергии от турбины, если бы я был доволен тем, что не использовал воду из нее для каких-либо других целей.

Однако это было бы серьезно антиобщественным поступком. Вода, которая поступает в мой дом, течет из хозяйственного резервуара на вершине близлежащего холма. Сама по себе она не дойдет, и моей водопроводной компании приходится тратить энергию, чтобы перекачивать ее в гору. Вода, конечно же, подвергается дорогостоящей обработке, чтобы сделать ее пригодной для питья, поэтому ее сливают в канализацию со скоростью 1.5 литров в секунду — это 130 тонн воды в день — для производства незначительного количества энергии было бы ужасной тратой.

«Я только что проверил, сколько моя местная компания водоснабжения будет взимать за такое количество воды (около 47 500 тонн в год) при поставке по счетчику. Это около 57 600 фунтов стерлингов. Это смехотворно дорогой способ выработать 30 ватт электроэнергии. Попробуй это дома, ребята! »

Ричард Эллам, Бристоль, Великобритания

«Поставщик воды, безусловно, будет смутно относиться к этой деятельности, считая ее неправильным использованием воды, но ее влияние на общее водоснабжение будет незначительным.Ваш сосед тоже не заметит никакой разницы, если вы не используете очень длинную подающую трубу с малым диаметром. Причина неутешительного количества вырабатываемой электроэнергии не в низком давлении — многие электростанции «русла» работают на одинаковых напорах (высота водохранилища над турбиной). Проблема в очень низком расходе. Напротив, относительно небольшой гидроэлектрический генератор мощностью 10 мегаватт будет иметь производительность около 60 кубических метров в секунду. Это много ведер.»

Алан Брукман, Сабден, Ланкашир, Великобритания

«Если электричество, произведенное таким образом, будет рассматриваться как« бесплатная »энергия, и если вам повезет не измерить воду, возникнет великое искушение позволить большему количеству воды проходить через вашу турбину. Это повлияет на ваш соседей, если это поможет ввести запреты на использование шлангов раньше во время засухи, и потому, что поставщикам воды необходимо будет поставлять больше воды, и их расходы будут переложены на потребителей.»

Пенни Джонсон, Уоттон-андер-Эдж, Глостершир, Великобритания

Этот контент редактируется независимо New Scientist по заказу Statoil. Номер ранее появлялся в блоге Energy Realities.

Узнайте больше об энергетических реалиях.

Наполните свой дом водой — мероприятие

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9
(9-11)

Требуемое время: 3 часа

(Провести как углубленный дизайн-проект с тремя классами. )

Расходные материалы на группу: 2,00 доллара США

Размер группы: 3

Зависимость действий: Нет

Тематические области:
Земля и космос, Физические науки, физика, наука и технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:


Поделиться:

Резюме

Студенты узнают, как инженеры проектируют устройства, использующие воду для выработки электроэнергии, путем создания моделей водяных турбин и измерения результирующего тока, вырабатываемого в двигателе.Команды учащихся работают в процессе инженерного проектирования, чтобы построить турбины, проанализировать производительность своих турбин и произвести расчеты, чтобы определить наиболее подходящие места для строительства плотин.
Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

На протяжении всего времени люди использовали энергию падающей и текущей воды для производства электроэнергии — от водяных колес, используемых для измельчения зерна, до современных плотин гидроэлектростанций и городов-источников энергии.Инженеры разрабатывают многие из этих технологий. В некоторых регионах вода является надежным, чистым и недорогим возобновляемым источником энергии, подходящим для замены электростанций, работающих на ископаемом топливе. Сегодня инженеры-строители, инженеры-механики, экологи и электрики работают вместе, чтобы использовать энергию воды и вырабатывать электричество из этого ресурса.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

  • Спроектировать, построить и испытать модель ветряной турбины.
  • Опишите, как водяные турбины преобразуют энергию воды в электричество.
  • Перечислите несколько преимуществ и недостатков использования гидроэлектроэнергии.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12,
образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) ,
проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика;
внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS

HS-PS3-3.Спроектируйте, создайте и доработайте устройство, которое работает с заданными ограничениями для преобразования одной формы энергии в другую.

(9–12 классы)

Вы согласны с таким раскладом?


Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.

В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Разработайте, оцените и / или доработайте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках доказательств, созданных студентами, критериях приоритета и компромиссных решениях.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

В макроскопическом масштабе энергия проявляется множеством способов, например, в движении, звуке, свете и тепловой энергии.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Хотя энергия не может быть уничтожена, ее можно преобразовать в менее полезные формы — например, в тепловую энергию в окружающей среде.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Критерии и ограничения также включают выполнение любых требований, установленных обществом, таких как учет вопросов снижения риска, и они должны быть количественно определены, насколько это возможно, и сформулированы таким образом, чтобы можно было определить, соответствует ли им данный проект.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Энергия не может быть создана или уничтожена — она ​​только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и / или полями или между системами.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Современная цивилизация зависит от основных технологических систем. Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования для увеличения выгод при одновременном снижении затрат и рисков.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

  • Решите простые рациональные и радикальные уравнения с одной переменной и приведите примеры, показывающие, как могут возникнуть посторонние решения.(Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте единицы как способ понять проблемы и направить решение многоэтапных проблем; последовательно выбирать и интерпретировать единицы в формулах; выбрать и интерпретировать масштаб и начало координат на графиках и дисплеях данных. (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

  • Решите квадратные уравнения путем осмотра (например,g., для x² = 49), извлечение квадратного корня, завершение вычисления квадрата, квадратная формула и факторизация в соответствии с исходной формой уравнения. Определите, когда квадратная формула дает комплексные решения, и запишите их как a ± bi для действительных чисел a и b.
    (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

  • Перегруппируйте формулы, чтобы выделить интересующее количество, используя те же рассуждения, что и при решении уравнений.(Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

  • Решите линейные уравнения и неравенства с одной переменной, включая уравнения с коэффициентами, представленными буквами. (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

  • Прототип — это рабочая модель, используемая для проверки концепции проекта путем проведения реальных наблюдений и необходимых корректировок. (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

  • Энергетические ресурсы могут быть возобновляемыми или невозобновляемыми.(Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?


    Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ

Колорадо — математика

Колорадо — наука

  • Разработать, передать и обосновать научно обоснованное научное объяснение потенциальной и кинетической природы механической энергии.
    (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?

    Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте соответствующие измерения, уравнения и графики для сбора, анализа и интерпретации данных о количестве энергии в системе или объекте.
    (Оценки
    9 —
    12)

    Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом?

    Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов


Каждой группе необходимо:

  • цилиндрический деревянный брусок не менее 1 дюйма (2.54 см) в диаметре и около 8 дюймов (20 см) в длину
  • Рабочий лист водяной турбины

Пример цифрового мультиметра. Авторское право

Copyright © 2005 André Karwath, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital_Multimeter_Aka.jpg

На долю всего класса:

  • 1 или 2 мультиметра или вольтметра
  • 2 двухжильных щупа с зажимом типа «крокодил»
  • 1-2 электродвигатели постоянного тока для хобби (доступны в RadioShack [рекомендуемые номера деталей: 273-223, 273-047 или 273-106] или в магазинах для хобби; убедитесь, что на валу нет шестерни)
  • дрель
  • Сверло

  • размером, равным диаметру вала мотора хобби
  • два деревянных блока 2 x 4, каждый примерно 5 дюймов (12.7 см) длинный
  • два гвоздя или шурупа 2,5 дюйма (6,35 см)
  • молоток или отвертка
  • один кусок ПВХ-трубы диаметром 3-5 дюймов (7,6-12,7 см) с внутренним диаметром, немного превышающим диаметр цилиндрических деревянных блоков, используемых для строительства турбины
  • различные материалы, из которых могут быть изготовлены лопатки турбины, такие как учетные карточки, пластиковые бутылки, бумажные или пластиковые стаканчики, картон, ДСП, толстый картон для плакатов, пенопласт, тонкие дюбели, бамбуковые шпажки и т. Д.
  • ножницы
  • клей
  • прочная лента, например изолента или упаковочная лента
  • вода
  • кувшин, пластиковые бутылки или чашки для хранения и наливания воды (чем больше, тем лучше)

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_housing_lesson04_activity1], чтобы распечатать или загрузить.

Больше подобной программы

Предварительные знания

Базовое понимание концепций кинетической и потенциальной энергии, работы и мощности.Чтобы заполнить рабочий лист, умение решать основные алгебраические уравнения.

Введение / Мотивация

Плотина Гувера, Невада, США. Авторское право

Copyright © Pixabay.com 2018. https://pixabay.com/photos/hoover-dam-colorado-river-nevada-3780254/

Кто из вас когда-либо видел плотину Гувера в Неваде или видел изображение плотины Гувера? Одна из причин строительства плотины Гувера заключалась в том, чтобы не допустить попадания ила и отложений в реку Колорадо.Кто-нибудь знает, какую еще роль играет плотина Гувера? Верно; это еще и силовая установка. Плотина Гувера преобразует энергию движущейся воды реки Колорадо в электричество. Гидроэлектростанции есть по всему миру. Когда в 1935 году была построена плотина Гувера, это была крупнейшая в мире электростанция, вырабатывающая электроэнергию. В настоящее время это только 58 -я гидроэлектростанция в мире. Инженеры продолжают вносить значительные улучшения в конструкцию плотин, чтобы использовать силу воды.

Гидроэлектростанции, такие как плотина Гувера, вырабатывают электричество из воды, протекающей через плотину. Как только вода достигает турбин плотины Гувера, она движется со скоростью около 38 метров в секунду (85 миль в час). Учитывая, что весь поток реки Колорадо проходит через плотину Гувера, этот поток содержит много кинетической энергии. Вода получает эту кинетическую энергию из-за перепада высоты от резервуара к выпускному отверстию. Это падение высоты преобразует потенциальную энергию воды в кинетическую энергию.Разница в высоте воды известна как напор .

Пример закона сохранения массы: удерживая большим пальцем воду, текущую из шланга, проталкивает воду через меньшее отверстие, ускоряя поток. Copyright

Copyright © Pikist.com 2020. https: //www.pikist .com / free-photo-viwpg

Вода также ускоряется за счет протекания потока через меньшее отверстие, аналогично тому, как вы кладете палец на кран или шланг.Вы уменьшаете площадь потока воды, и чтобы компенсировать уменьшение площади, вода течет быстрее (в соответствии с законом сохранения массы ). Объединив эти два эффекта, сужая поперечное сечение, через которое протекает вода, и увеличивая передачу энергии от потенциальной до кинетической, инженеры спроектировали плотину Гувера для выработки максимальной мощности 2080 мегаватт.

Плотины, такие как плотина Гувера, также могут контролировать свою мощность.Когда спрос высок, производятся корректировки, чтобы больше воды протекало и производилось больше электроэнергии. Гидроэлектроэнергия не всегда вырабатывается так же, как плотина Гувера. В некоторых гидроэлектрических технологиях для выработки электроэнергии используется только напор между водохранилищем и выпускным отверстием. Вместо плотины другие гидроэлектростанции просто используют небольшой канал для направления речной воды через турбину. Другие заводы перекачивают воду только через трубу, а затем через турбины, используя поток реки для выработки электроэнергии.

Принцип работы турбины довольно прост. Вода ударяется о лопатки турбины и раскручивает турбину, которая соединена с генератором валом. Вал вращает генератор, заставляя его производить ток. Вырабатываемая электроэнергия направляется по линиям электропередач энергосистемы туда, где она необходима. Не вся энергия воды переходит в электрическую; во время передачи часть энергии теряется из-за трения между валом и генератором, а также между водой и лопастями.Даже в этом случае многие турбины работают с КПД выше 90%.

В настоящее время во всем мире используются несколько различных типов турбин. У каждого из них есть преимущества и недостатки, связанные с величиной напора и расходом воды. Инженеры должны проанализировать все, что касается плотины, реки и образовавшегося водохранилища, чтобы определить лучший тип турбины для использования.

Пример турбины. Обратите внимание на формы лезвия. Copyright

Copyright © Pikist.com 2020. https: // www.pikist.com/free-photo-idehr

Традиционно для выработки электроэнергии на электростанциях использовался уголь. Почему община может захотеть использовать воду вместо угля в качестве источника энергии и электричества для своих зданий? Уголь — это пример невозобновляемого источника энергии или источника энергии, который естественным образом не восполняется за короткий промежуток времени. Однако вода — это возобновляемый источник энергии. Круговорот воды на Земле обеспечивает заполнение рек и озер. Вода также является более чистым способом производства электричества, поскольку во время процесса в атмосферу не попадают загрязнители и углекислый газ.При сжигании угля в воздух выбрасываются многочисленные загрязнители, влияющие на здоровье людей и окружающую среду. Один из способов, которым инженеры помогают нам увеличить использование возобновляемых источников энергии, — это проектирование и строительство плотин гидроэлектростанций.

Плотина Гувера — пример огромной гидроэлектростанции, которая вырабатывает огромное количество электроэнергии для национальной энергосистемы. Но гидроэлектроэнергия также является жизнеспособным возобновляемым ресурсом в меньших масштабах; это то, что используют некоторые люди, когда они живут в отдаленных районах возле круглогодичных ручьев.Размышляя о проектировании энергоэффективного дома, использование энергии воды — это один из способов выработки электроэнергии вне сети и повышения эффективности конструкции нашего жилья. Сегодня мы собираемся разработать и проанализировать модели водяных турбин и то, как их можно использовать для выработки электроэнергии для энергоэффективных домов.

Процедура

Фон

Для плотин, вырабатывающих электроэнергию за счет разницы в высоте воды, расчет мощности на выходе может быть выполнен за несколько математических шагов.Начните с определения энергии системы. Если вы знаете напор воды (или разницу в высоте воды), то потенциальная энергия воды в резервуаре равна:

где PE — потенциальная энергия, m — масса воды, g — ускорение свободного падения (9,8 м / с 2 ), h — напор воды. Эта потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью следующего уравнения:

где v — скорость воды.Поскольку энергия никогда не может быть создана или потеряна (закон сохранения энергии ), потенциальная энергия равна кинетической энергии системы. Используйте кинетическую энергию, чтобы определить скорость воды, протекающей через турбины.

Мощность, вырабатываемая плотиной, зависит от расхода воды. Расход воды — это просто объем во времени (наиболее распространенные единицы: м 3 / с). Самый простой способ рассчитать расход воды — это сначала вычислить или определить скорость воды.Скорость воды, умноженная на площадь поперечного сечения, через которую она протекает, дает вам расход Q.

Массовый расход воды — это просто масса воды во времени или кг / с. Используйте следующее уравнение для расчета массового расхода:

, где Q — расход, а ρ — плотность воды (1000 кг / м 3 ). (Примечание: любая переменная с точкой просто означает, что переменная изменяется во времени. Таким образом, ṁ [массовый расход] — это просто масса, деленная на время.) Мощность, генерируемая этой текущей водой, тогда просто:

Перед мероприятием

  • За несколько дней до мероприятия попросите учащихся собрать и принести из дома различные пластиковые бутылки, картон и другие материалы, из которых можно сделать лопатки турбин.
  • Соберите материалы и сделайте копии рабочего листа гидротурбины, по одной на группу.
  • Просверлите на одном конце каждого цилиндрического деревянного бруска отверстие, диаметр которого равен диаметру вала электродвигателя хобби.Поместите отверстие как можно ближе к точному центру дерева.
  • Соберите устройство (а) для испытания турбины, используя деревянные бруски, гвозди или винты, трубу из ПВХ, двигатель постоянного тока, изоленту и провода с зажимом типа «крокодил», как показано ниже. Соберите устройство для испытания классовой турбины. Прибейте или прикрутите два деревянных бруска. Приклейте ПВХ-трубу и двигатель к основанию из деревянного блока. Подключите двигатель к мультиметру. Авторское право

    Copyright © 2009 Джейкоб Кросби, Программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере

  • В этом упражнении каждая группа создает турбину на своих цилиндрических деревянных блоках, а затем по очереди размещает свои турбины на устройстве (ах) для испытания турбин класса для измерения напряжения.

Со студентами

  1. Разделите класс на группы по три ученика в каждой.
  2. Раздайте рабочие листы и деревянные бруски.
  3. В ходе обсуждения в классе сформулируйте задачу, которую ученики пытаются решить, проектируя водяные турбины; это должно включать, как вырабатывать электричество для дома с использованием возобновляемых источников энергии.
  4. В группах предложите учащимся обсудить, как они могли бы спроектировать свои водяные турбины. Возможные вопросы для рассмотрения: Сколько лезвий? Как их разложить? Из какого материала делать лезвия? Какая форма для лезвий? Попросите учащихся записать все свои идеи мозгового штурма на своих рабочих листах.
  5. На основе анализа результатов своих мозговых штурмов попросите каждую группу согласовать одну конструкцию для своей модели турбины. Предложите им нарисовать свои рисунки на листах и ​​объясните, почему они выбрали этот дизайн.
  6. Затем попросите каждую группу использовать доступные материалы для создания прототипа своей турбины на основе проекта. Примечание. Поскольку двигатель будет помещен непосредственно в цилиндрический деревянный брусок, убедитесь, что учащиеся прикрепляют лопасти турбины к концу, противоположному отверстию, просверленному в деревянном бруске; это предотвращает падение двигателя прямо на пути воды во время тестирования.Вид спереди и сбоку на установку для занятий с мотором для хобби и мультиметром, подключенным к деревянному блоку одной команды и прототипу водяной турбины. Авторское право

    Авторские права © 2009 Джейсон Кросби, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

  7. Когда группа завершит строительство своей турбины, попросите команду выйти на улицу или над большой раковиной, чтобы проверить, насколько хорошо она работает.
  8. Для тестирования попросите группу продеть конец модели турбины через трубу из ПВХ на испытательном устройстве и на вал двигателя.Вы можете приклеить передний конец тестирующего устройства к поверхности, на которой он сидит, чтобы предотвратить движение во время тестирования. После подключения турбины попросите одного ученика налить воду на турбину. Попросите учителя или другого ученика измерить и записать время, в течение которого вода попадает на лопасти. Опытный образец конструкции водяной турбины студенческой команды испытывается путем непрерывного полива воды сверху лопастей. Авторское право

    Copyright © 2009 Джейсон Кросби, Программа ITL, Колледж наук, Университет Колорадо, Боулдер,

  9. Попросите каждую группу по очереди поливать лопасти своей турбины водой с трех разных высот, записывая данные в рабочий лист.
  10. Попросите учащихся выполнить вычисления и анализ на своих рабочих листах.
  11. Завершите обсуждение в классе, чтобы рассмотреть и сравнить результаты групп. Какие улучшения они бы внесли? Где бы они разместили турбины возле своих энергоэффективных домов? См. Дополнительные вопросы для обсуждения после занятия в разделе «Оценка».
  12. Предложите студенческим командам представить свои проекты остальному классу, как описано в разделе «Оценка».

Словарь / Определения

сохранение энергии: физический закон, гласящий, что энергия системы должна оставаться постоянной и что энергия не может быть создана.

сохранение массы: физический закон, гласящий, что масса не может быть ни создана, ни разрушена.

энергия: способность объекта выполнять работу.

Передача энергии: процесс преобразования энергии из одной формы в другую.

Генератор: устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

голова: разница высоты воды между двумя точками.

гидроэнергия: энергия, вырабатываемая при движении или падении воды.

кинетическая энергия: энергия объекта из-за его движения.

невозобновляемый источник энергии: источник энергии, который не восполняется за короткий период времени.

потенциальная энергия: энергия, запасенная в объекте, в зависимости от его положения.

возобновляемая энергия: энергия, полученная из возобновляемых источников.

возобновляемый источник энергии: источник энергии, который восполняется естественным путем за короткий период времени.

вольтметр: прибор, измеряющий напряжение.

водяная турбина: механическое устройство, вырабатывающее электричество из движущейся воды.

работа: Механическая передача энергии от одного объекта к другому.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Мозговой штурм : В небольших группах предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении.Напомните студентам, что никакая идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует уважительно выслушивать. Спросите у студентов:

  • Как воду можно использовать для производства энергии и электричества?
  • Какие преимущества в создании и использовании гидроэлектроэнергии?
  • Какие есть недостатки?

Встроенная оценка деятельности

Рабочий лист : Попросите учащихся заполнить рабочий лист. Просмотрите их ответы, чтобы оценить их уровень владения предметом.

Оценка после деятельности

Обсуждение в классе : Обсудите в классе следующие вопросы:

  • Какие части ваших конструкций, по-видимому, повышают эффективность способности турбин преобразовывать энергию воды в электричество?
  • Какие части ваших проектов, казалось, давали более низкую эффективность?
  • Как мы могли бы объединить различные дизайнерские идеи из всех групп в одну турбину, которая могла бы иметь больший КПД, чем отдельные турбины?

Презентация в классе : Попросите группы учащихся представить свои проекты остальной части класса.Попросите их включить описание того, насколько хорошо работают водяные колеса и какие улучшения они могут внести в свои конструкции.

Вопросы безопасности

  • Следите за тем, чтобы не проводить испытания турбины в местах, где пол станет скользким при намокании.
  • Не допускайте попадания воды прямо на двигатель. Небольшое разбрызгивание — это нормально, но поскольку здесь задействованы некоторые электрические соединения, большое количество воды может потенциально повредить двигатель или нанести вред ученику.

Советы по поиску и устранению неисправностей

Некоторые двигатели имеют разъемы, которые легко обнаружить (два металлических куска торчат из двигателя с отверстием посередине), которые упрощают подключение проводов и мультиметров / вольтметров к выводам двигателя, в то время как другие этого не делают. При использовании двигателя, в котором разъемы отсутствуют на двигателе, ищите (как минимум) две прорези для разъемов на противоположных сторонах двигателя. Попросите учащихся вставить провода или мультиметры в две из этих прорезей.Если прорезей больше двух, попросите учащихся вставить провода в одну пару прорезей и вручную повернуть вал двигателя. Если мультиметр / вольтметр считывает напряжение или ток при вращении вала, то это разъемы. Если это не так, то другая пара прорезей — это соединитель. Попросите учащихся проверить двигатель на предмет показаний напряжения и тока на мультиметре / вольтметре.

Один из простых способов измерить напряжение на двигателе — присоединить электрический провод к разъемам двигателя и использовать зажимы типа «крокодил» на концах выводов мультиметра / вольтметра.Таким образом вы можете создать одну или несколько испытательных станций, и ученики могут просто прикрепить свои водяные турбины к установке.

Расширения деятельности

Попросите каждую команду поработать с другой группой, чтобы объединить части обеих конструкций для создания турбины, которая имеет лучший рейтинг эффективности, чем оригинальные прототипы турбин любой группы. Попросите учащихся написать пару коротких абзацев, описывающих, что они хотели бы добавить и исключить, и почему они думают, что эти изменения сделают их новую турбину более эффективной, чем отдельные турбины, которые они изначально сделали.

Решение задач — поток энергии и воды : попросите учащихся решить следующие математические задачи: Решение задач — поток энергии и воды: попросите учащихся решить следующие математические задачи:

  1. При обсуждении использования электроэнергии часто используется киловатт-час (кВтч). Покажите, что единицы киловатт-часа эквивалентны единице энергии, джоуля. (Подсказка: Ватт = Дж / с)

Ответ на задачу 1.

  1. Мощность, связанная с перепадом высоты текущей текучей среды, указана выше и равна: P = (массовый расход) gh.Покажите, что единицы этого уравнения эквивалентны единицам мощности СИ, ваттам.

Ответ на задачу 2.

Масштабирование активности

Для младших школьников удалите математический анализ с рабочего листа.

Дополнительная поддержка мультимедиа

См. Превосходный график, показывающий ключевые части гидроэлектростанции, включая резервуар, водозабор, регулирующий затвор, напорный водовод, генератор, турбину, трансформатор, электростанцию, отвод и линии электропередач на этом веб-сайте HowStuffWorks: http: // people.howstuffworks.com/hydropower-plant1.htm

использованная литература

Бонсор, Кевин. Как работают гидроэлектростанции. 6 сентября 2001 г. HowStuffWorks.com. По состоянию на 31 марта 2009 г. http://people.howstuffworks.com/hydropower-plant1.htm

Плотина Гувера, посещение плотины Гувера. Последний раз рассмотрено в марте 2009 г. Регион Нижнего Колорадо, Бюро мелиорации, Министерство внутренних дел США. По состоянию на 31 марта 2009 г.http://www.usbr.gov/lc/hooverdam/

Основы гидроэнергетики. Последнее обновление 8 января 2008 г. Программа ветроэнергетических и гидроэнергетических технологий, энергоэффективность и возобновляемые источники энергии, Министерство энергетики США. (как работает гидроэнергетика, типы гидроэлектростанций, типы гидроэнергетических турбин, глоссарий терминов) По состоянию на 31 марта 2009 г. http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/hydropower.html

авторское право

© 2007 Регенты Университета Колорадо

Авторы

Тайлер Малин; Лорен Купер; Малинда Шефер Зарске; Дениз В.Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет грантов Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда (грант GK-12 No.0338326). Однако это содержание не обязательно отражает политику DOE или NSF, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 25 сентября 2021 г.

Water Power — Activity — TeachEngineering

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4
(3-5)

Требуемое время: 45 минут

Расходные материалы на группу: 1 доллар США.00

Размер группы: 4

Зависимость действий: Нет

Тематические области:
Земля и космос, Физические науки, наука и технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:


Поделиться:

Резюме

Студенты наблюдают за модельным водяным колесом, чтобы исследовать преобразования энергии, связанные с вращением лопастей гидротурбины.Они работают инженерами, создавая модели водяных колес, учитывая при проектировании такие ресурсы, как время и материалы. Студенты также обсуждают и изучают характеристики гидроэлектростанций.
Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Плотины улавливают энергию из возобновляемого источника энергии — воды — и могут сократить количество ископаемого топлива, используемого для выработки электроэнергии.Инженеры в области строительства, строительства, механики, электричества, программного обеспечения и окружающей среды проектируют и перепроектируют плотины гидроэлектростанций, чтобы сделать их более экологически чистыми и производить больше электроэнергии.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

  • Определить плотины как источник гидроэнергии.
  • Объясните преимущества и недостатки искусственных плотин.
  • Объясните, как инженеры проектируют и модернизируют гидроэнергетические технологии.
  • Используйте счет для измерения скорости вращения водяного колеса.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12,
образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) ,
проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика;
внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS

3-5-ETS1-1.Определите простую проектную проблему, отражающую потребность или желание, которая включает определенные критерии успеха и ограничения по материалам, времени или стоимости.

(3-5 классы)

Вы согласны с таким раскладом?


Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.

В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Определите простую задачу проектирования, которая может быть решена путем разработки объекта, инструмента, процесса или системы, и включает несколько критериев успеха и ограничений по материалам, времени или стоимости.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Возможные решения проблемы ограничены доступными материалами и ресурсами (ограничениями). Успешность разработанного решения определяется с учетом желаемых характеристик решения (критериев). Различные предложения по решениям можно сравнивать на основе того, насколько хорошо каждое из них соответствует указанным критериям успеха или насколько хорошо каждое из них учитывает ограничения.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Потребности и желания людей со временем меняются, равно как и их потребности в новых и улучшенных технологиях.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Ожидаемые характеристики NGSS

3-5-ETS1-2.Сгенерируйте и сравните несколько возможных решений проблемы в зависимости от того, насколько каждое из них соответствует критериям и ограничениям проблемы.

(3-5 классы)

Вы согласны с таким раскладом?


Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.

В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Сгенерируйте и сравните несколько решений проблемы на основе того, насколько хорошо они соответствуют критериям и ограничениям задачи проектирования.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Прежде чем приступить к разработке решения, необходимо провести исследование проблемы. Тестирование решения включает в себя исследование того, насколько хорошо оно работает в ряде вероятных условий.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

На любом этапе общение с коллегами по поводу предлагаемых решений является важной частью процесса проектирования, а общие идеи могут привести к улучшению дизайна.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Инженеры улучшают существующие технологии или разрабатывают новые, чтобы увеличить их преимущества, снизить известные риски и удовлетворить потребности общества.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Ожидаемые характеристики NGSS

4-ПС3-4.Примените научные идеи для разработки, тестирования и усовершенствования устройства, преобразующего энергию из одной формы в другую.

(4 класс)

Вы согласны с таким раскладом?


Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.

В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Применяйте научные идеи для решения задач проектирования.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Энергию также можно передавать с места на место с помощью электрического тока, который затем можно использовать локально для создания движения, звука, тепла или света. С самого начала токи могли быть созданы путем преобразования энергии движения в электрическую.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Выражение «производить энергию» обычно относится к преобразованию накопленной энергии в желаемую форму для практического использования.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Возможные решения проблемы ограничены доступными материалами и ресурсами (ограничениями). Успешность разработанного решения определяется с учетом желаемых характеристик решения (критериев). Различные предложения по решениям можно сравнивать на основе того, насколько хорошо каждое из них соответствует указанным критериям успеха или насколько хорошо каждое из них учитывает ограничения.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Энергия может передаваться различными способами и между объектами.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Инженеры улучшают существующие технологии или разрабатывают новые.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Большинство ученых и инженеров работают в группах.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Наука влияет на повседневную жизнь.

Соглашение о выравнивании:
Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

ГОСТ

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Введение / Мотивация

Рисунок 1.Плотина Гувера в Боулдер-Сити, Невада. Авторское право

Авторское право © Бюро мелиорации США http://www.usbr.gov/lc/hooverdam/

Люди долгое время использовали воду в качестве источника энергии. Более 2000 лет назад фермеры использовали водяные колеса для измельчения пшеницы в муку. Водяное колесо вращается, когда поток воды, притягиваемый силой тяжести, ударяет по его лопастям. Шестерни колеса приводят в движение тяжелые плоские вращающиеся камни, которые измельчают пшеницу в муку. Гидроэлектростанции используют то же действие падающей воды для выработки электроэнергии.Турбина и генератор преобразуют энергию падающей воды в механическую, а затем в электрическую энергию. Самым большим преимуществом использования гидроэнергии для производства электроэнергии является то, что она является возобновляемым ресурсом и не загрязняет воздух во время работы.

Плотины также используют концепцию водяного колеса для выработки электроэнергии. Плотины — одни из крупнейших построек на Земле, созданных руками человека. Фактически, плотина Гувера на реке Колорадо в Неваде имеет высоту 221 метр, длину 379 метров и ширину 14 метров наверху.Это довольно много! Он имеет 17 электрогенераторов и обеспечивает электричеством около 500 000 домов в Неваде, Аризоне и Калифорнии.

Инженеры проектируют и улучшают плотины для получения энергии из возобновляемого источника — воды. Использование плотин — это способ вырабатывать электроэнергию без сжигания ископаемого топлива. Инженеры также перепроектируют существующие плотины, чтобы они были более удобными для рыбы и лучше работали при производстве гидроэлектроэнергии.

Процедура

Фон

Гидроэлектростанции

Основными элементами гидроэлектростанции являются плотина, водозабор, турбина, генератор, трансформатор, линии электропередач и отвод.Большинство гидроэлектростанций опираются на плотину, которая задерживает воду, создавая большой резервуар . Большие плотины жизненно важны для крупномасштабной гидроэнергетики, но плотины всех размеров также используются для борьбы с наводнениями, хранения воды и ирригации во всем мире. Ворота на плотине открываются, и сила тяжести втягивает забираемую воду через напорный трубопровод, трубопровод, который ведет к турбине. Вода создает давление, когда течет по этой трубе. Вода ударяется и вращает большие лопасти турбины, которая прикреплена к генератору над ней посредством вала.Вместе с лопастями турбины вращаются и магниты внутри генератора. Гигантские магниты вращаются мимо медных катушек, производя переменный ток (AC). Трансформатор внутри электростанции преобразует переменный ток в ток высокого напряжения, который передается по высоковольтным линиям электропередачи. Использованная вода переносится по трубопроводам, называемым отводами, и этот сток снова попадает в реку вниз по течению.

Рисунок 2. Плотина гидроэлектростанции. Авторское право

Авторское право © Управление научной и технической информации Министерства энергетики США http: // www.osti.gov/

Вода в резервуаре считается запасенной энергией. Когда ворота открываются, вода, протекающая через затвор, имеет кинетическую энергию, потому что находится в движении. Количество вырабатываемой электроэнергии определяется несколькими факторами. Двумя из этих факторов являются объем потока воды и величина гидравлического напора . Гидравлический напор относится к расстоянию между водной поверхностью резервуара и турбинами и зависит от количества воды в резервуаре.По мере увеличения напора и расхода увеличивается и количество вырабатываемой электроэнергии.

Большинство людей знакомо с крупномасштабной гидроэнергетикой; однако энергию движущейся воды можно улавливать в гораздо меньшем масштабе, называемом микрогидроэнергетика , в котором генераторы небольшого и среднего размера размещаются в реках и ручьях для обеспечения электричеством нескольких зданий или других небольших объектов.

Во всем мире гидроэлектростанции производят около 17% мировой электроэнергии и снабжают электроэнергией миллионы людей.Коммунальные предприятия в США эксплуатируют около 2000 гидроэлектростанций, что делает гидроэнергетику одним из крупнейших возобновляемых источников энергии в стране.

Плотины

В США инженеры участвовали в строительстве более 80 000 плотин. Это в среднем строительство одной плотины каждый день с момента подписания Декларации независимости. Темпы строительства резко снизились в последние годы. Фактически, инженеры-строители, инженеры-строители и инженеры-экологи с большей вероятностью будут реконструировать или демонтировать плотины.Существующие плотины могут быть перепроектированы, чтобы они были более благоприятными для рыбы и более эффективными для выработки гидроэлектроэнергии.

Хотя плотины важны для борьбы с наводнениями и выработки электроэнергии, они оказывают значительное влияние на рыболовство и речные экосистемы. Плотины могут нарушить характер мигрирующих рыб и их нерестовые привычки, особенно таких мигрирующих видов, как лосось. Это может иметь разрушительные последствия как для популяции рыб, так и для людей, средства к существованию которых зависят от этих рыб.

Первые инженерные усилия по оказанию помощи лососю были сосредоточены на разработке систем, которые позволили бы рыбе обходить турбины или саму плотину.Наиболее распространенный метод обхода турбин — это выпуск воды через плотину, чтобы обеспечить альтернативный путь для рыбы, движущейся вниз по течению. Менее чем впечатляющие результаты этих первых усилий по сохранению лосося побудили инженеров спроектировать более благоприятные для рыбы плотины. Поскольку наибольшее количество смертей лосося происходит, когда рыба проходит через турбины, инженеры сосредоточили свои усилия именно на этом.

За последние несколько лет было снесено несколько десятков плотин с целью восстановления среды обитания диких животных.Инженеры играют решающую роль в принятии решения о том, стоит ли сохранять плотину. Если нет, они должны спланировать лучший способ удаления плотины. После снятия плотины инженеры-экологи должны следить за илом и мусором по мере того, как он стекает вниз по течению, и они участвуют в восстановлении среды обитания.

Преимущества и недостатки крупных плотин гидроэлектростанций

Преимущества крупномасштабных плотин гидроэлектростанций включают следующее: сокращает потребление невозобновляемых ископаемых видов топлива, а также производство парниковых газов и загрязнения, может предотвращать наводнения и обеспечивает зоны для орошения и отдыха (например, для катания на лодках и рыбалки).К недостаткам можно отнести следующие: очень дорого строить; может заставить людей покинуть свои дома; препятствует естественному течению воды; крупномасштабное разрушение среды обитания, особенно там, где образуются водоемы; препятствует естественной миграции некоторых видов животных; сокращает площади для определенных видов отдыха, включая походы, рыбалку, кемпинг, охоту; может повлиять на естественный рыбный промысел, что вредит людям, которые полагаются на этот промысел для заработка; все плотины заилены; требует обслуживания; и может потерпеть катастрофу.

Перед мероприятием

  • Подготовьте и испытайте модель водяного колеса перед тем, как продемонстрировать ее классу.

Со студентами

  1. Обсудите, что студенты уже знают о гидроэнергетике. Чтобы разогреть класс, задайте следующую серию вопросов «правда / ложь» и попросите учащихся проголосовать, подняв палец вверх за истину и вниз за ложь. Подсчитайте количество истинных и ложных и напишите число на доске. Дайте правильный ответ.
    • Верно или неверно: плотины гидроэлектростанций уменьшают загрязнение (Ответ: Верно)
    • Верно или неверно: строительство плотин гидроэлектростанций обходится дешево (Ответ: Неверно: их строительство может быть очень дорогостоящим.)
    • Верно или неверно: плотины гидроэлектростанций редко мешают естественной дикой природе (Ответ: Неверно: плотины могут нарушить характер мигрирующих рыб и их нерестовые привычки, особенно для таких видов, как лосось. Это может иметь разрушительные последствия как для рыбной популяции, так и для людей, от которых зависят средства к существованию. рыба.)
  1. Покажите учащимся модель водяного колеса.
  2. В качестве общего теста налейте определенное количество воды на водяное колесо и подсчитайте количество оборотов, которые оно делает.Попросите учащегося отследить этот тест, используя секундомер, чтобы записать прошедшее время.
  3. Спросите студентов, как можно определить скорость вращения. Затем с классом определите скорость вращения (количество оборотов разделите на затраченное время).
  4. Спросите студентов, чем похожи гидро- и ветряные мельницы. (Ответ: у обоих есть «лопатки» и вал турбины, и оба используют возобновляемую энергию.)
  5. Прикрепите шнурок к горлышку 2-литровой бутылки. Привяжите предметы к другому концу веревки и с помощью мельницы потяните их вверх, пока веревка наматывается на горлышко бутылки.Исследуйте объекты, какого размера может перемещать водяное колесо.
  6. Разделите класс на группы и скажите им, что они работают в h3O Solutions, проектно-конструкторской фирме, которая в основном работает с водяными колесами и водной энергией. Городские власти попросили их спроектировать более эффективную водяную мельницу. Фирма разделена на несколько инженерных команд (студенческих групп). Скажите командам, что они должны спроектировать работающее водяное колесо, которое вращается, и их ограничение заключается в использовании только материалов, предусмотренных для их проектов.Попросите их набросать новый дизайн и протестировать его. Попросите несколько групп представить свои проекты остальному классу, указав, какие элементы сработали хорошо и что можно улучшить.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Голосование: Чтобы разогреть класс, задайте следующий вопрос «верно / неверно» и попросите учащихся проголосовать, подняв палец вверх за истину и палец вниз за ложь. Подсчитайте голоса и напишите числа на доске.Дайте правильные ответы.

  • Верно или неверно: плотины гидроэлектростанций уменьшают загрязнение (Ответ: Верно)
  • Верно или неверно: строительство плотин гидроэлектростанций обходится дешево (Ответ: Неверно: строительство может быть очень дорогостоящим).
  • Верно или неверно: плотины гидроэлектростанций редко мешают естественной дикой природе (Ответ: Неверно: плотины могут нарушить характер мигрирующих рыб и их нерестовые привычки, особенно для таких видов, как лосось. Это может иметь разрушительные последствия как для рыбной популяции, так и для людей, от которых зависят средства к существованию. рыба.)

Встроенная оценка деятельности

Вопрос / ответ: Спросите студентов, чем похожи гидро- и ветряные мельницы. (Оба имеют «лопатки» и вал турбины, и оба вырабатывают возобновляемую энергию) .

Оценка после деятельности

Engineering Design project: Разделите студентов на группы и скажите им, что они работают в h3O Solutions, фирме инженерного проектирования, которая в основном работает с водяными колесами и водной энергией.Городские власти попросили их спроектировать более эффективную водяную мельницу. Фирма разделена на несколько инженерных команд (студенческих групп). Скажите командам, что они должны спроектировать работающее водяное колесо, которое вращается, и их ограничение заключается в использовании только материалов, предусмотренных для их проектов. Попросите их набросать новый дизайн и протестировать его. Попросите несколько групп представить свои проекты остальному классу, указав, какие элементы сработали хорошо и что можно улучшить.

  • Попросите студентов описать в общих чертах, как работает гидроэнергетика.Они могут использовать некоторую информацию из демонстрации / упражнения для поддержки своих идей.
  • Попросите учащихся провести мозговой штурм, как, по их мнению, они могли бы повысить эффективность своей водяной мельницы, если бы у них было еще больше ресурсов (материалов, времени).
  • Попросите учащихся сравнить проекты других команд на основе того, насколько хорошо каждая из них соответствует критериям и ограничениям задачи. Решите, какой новый дизайн лучше всего и почему?

Making Sense: Попросите учащихся поразмышлять о научных явлениях, которые они изучали, и / или о научных и инженерных навыках, которые они использовали, при выполнении теста Making Sense.

Масштабирование активности

Для младших классов проведите это задание как классную демонстрацию.

Для старшеклассников добавьте больше ограничений для их проектов (например, стоимость материалов, время).

Попросите старшеклассников оценить гидро-мельницу как источник энергии. Эта оценка будет включать измерение количества воды, необходимого для поворота мельницы на определенное количество оборотов с грузом.Для этого поставьте под мельницу большое ведро, чтобы собирать воду, которая падает с мельницы. Затем посмотрите, сколько оборотов нужно, чтобы поднять объект на заданное расстояние, повернув шнур вокруг горлышка бутылки. Сравните этот идеал с реальными затратами на электроэнергию. (Рассчитайте эффективность в процентах, разделив вес объекта на вес воды, необходимой для поднятия объекта на такое же расстояние, на которое упала вода — около 1 фута — затем умножьте результат на 100.)

Попросите студентов также изучить различные переменные: типы / формы турбины, количество и положение ребер на турбине и т. Д.

использованная литература

Американские реки, https://www.americanrivers.org/

Энергетическая комиссия Калифорнии, https://www.energy.ca.gov/

How Stuff Works, www.howstuffworks.com/hydropower-plant.htm

Фонд образования в области водных и энергетических ресурсов, fwee.org

PBS Online, www.pbs.org/wgbh/buildingbig/dam/index.html

Геологическая служба США, Наука о воде для школ, ga.water.usgs.gov/edu

Геологическая служба США, Водные ресурсы США, water.usgs.gov

National Geographic, «Гидроэнергетика, объяснение» https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warming/hydropower/#:~:text=Today%2C%20hydropower%20provides%20about%2016,all%20but% 20два% 20США% 20 штатов.

Управление энергетической информации США, объяснение возобновляемой энергии, https: // www.eia.gov/energyexplained/renewable-sources/

Развитие гидроэнергетических технологий | Министерство энергетики

Гидроэлектроэнергия является крупнейшим источником возобновляемой электроэнергии в Соединенных Штатах, производя около 6,3% всей электроэнергии страны за последнее десятилетие. Даже после столетия доказанного опыта работы с этим надежным возобновляемым ресурсом все еще существуют значительные возможности для расширения гидроэнергетических ресурсов страны за счет немеханических дамб, систем водоснабжения, гидроаккумулирующих гидроэлектростанций и строительства новых площадок.Программа гидроэнергетики поддерживает гидроэнергетику и дополняет существующие инвестиции за счет разработки и внедрения новых технологий и ключевых компонентов, а также путем определения ключевых областей возможностей, с помощью которых можно увеличить производство гидроэнергии.

Помимо обычной гидроэнергетики, гидроаккумулирующая гидроэнергетика является важной частью портфеля возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, поскольку она действует как технология хранения энергии в энергосистеме общего пользования. Программа гидроэнергетики может сыграть важную и каталитическую роль в демонстрации преимуществ гидроаккумулирующей гидроэнергии как части нашего будущего экологически чистой энергии, выступая в качестве возобновляемой формы стабилизации энергосистемы и способствующей широкому распространению переменных возобновляемых источников энергии (таких как ветер и солнечная).В отчете Министерства энергетики США, представленном Конгрессу за 2015 год, описываются основные мероприятия, которые могут помочь ускорить развитие гидроаккумулирующих систем в Соединенных Штатах.

В связи с тем, что более 2500 американских компаний поддерживают гидроэнергетическую отрасль, добавление дополнительной выработки гидроэлектроэнергии создаст большую и устойчивую экономическую выгоду за счет оживления отечественного производства и гидроэнергетики.

Узнайте больше о работе Программы гидроэнергетики в следующих областях развития гидроэнергетических технологий:

Гидроэнергетика с низким напором

По всей стране существует значительная возможность добавить новые мощности по производству гидроэлектроэнергии на участках с низким напором (т.е., работающие с перепадом высот от 2 до 20 метров). Эти типы водных путей часто присутствуют на существующих плотинах, каналах и водоводах без привода в различных областях Соединенных Штатов. Программа гидроэнергетики инвестирует в исследования и разработки в области инновационных технологий гидроэнергетики с низким напором, таких как установка Percheron Power первой в стране гидродинамической винтовой системы Archimedes. Этот проект продемонстрировал, что технология низкого напора проста, надежна и экономична.

Материалы и производство

Программа «Гидроэнергетика» финансирует НИОКР по выявлению и тестированию новых материалов и технологий производства для повышения производительности и снижения затрат на гидроэнергетику.Исследования, финансируемые программой, сосредоточены на материалах или покрытиях, которые снижают стоимость жизненного цикла рабочих колес турбин, отсасывающих труб и затворов. НИОКР также сосредоточены на выявлении и тестировании способов повышения эффективности и надежности генераторов.

Гидроэнергетические системы

Программа гидроэнергетики направлена ​​на разработку и испытание новых технологий и методов, которые могут снизить эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание; увеличить коэффициенты готовности агрегата и мощности завода; снизить риск за счет повышения надежности системы; и улучшить качество — экологические характеристики, а также преимущества дополнительной мощности — производимой энергии.Приоритетными направлениями являются оптимизация водопользования, применение передовых материалов и методов производства, а также оценка стоимости услуг электросетевого водоснабжения. Например, существующие гидроэнергетические объекты в США демонстрируют признаки износа, а данные, используемые для оценки этих объектов, разрознены и устарели. Программа гидроэнергетики работает с партнерами над интеграцией и обновлением информации, чтобы понять снижение выработки электроэнергии, факторов мощности и доступности объектов.

Достижения в области развития технологий

Программа предусматривает многочисленные достижения в области развития гидроэнергетических технологий. Описанные ниже проекты подчеркивают лишь некоторые из новых возможностей программы и недавние успехи в сокращении затрат, оптимизации водопользования и модернизации объектов.

Новые возможности для перспективных исследований и разработок в гидроэнергетике

В 2011 году, после пересмотра своих усилий в области гидроэнергетики, Программа гидроэнергетики опубликовала свой первый крупный запрос на НИОКР в гидроэнергетике за более чем десятилетие.Эти проекты направлены на снижение затрат на гидроэнергетические технологии и демонстрацию динамических преимуществ передовой гидроэнергетики и гидроаккумулирующих систем. Например, Natel Energy по согласованию с исследовательской лабораторией Alden спроектировала, построила и ввела в эксплуатацию надежную трансмиссию для Schneider Linear hydroEngine ™. За счет снижения капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание этот силовой агрегат позволяет разрабатывать новые гидроэлектростанции с низким напором, обеспечивая экономию энергии на уровне около 2 долларов на мегаватт-час.Узнайте больше о проекте Natel Energy и других в Отчете по гидроэнергетическим проектам.

Краткая история гидроэнергетики

От зарождения до современной эпохи

Некоторые из первых инноваций в использовании воды для производства электроэнергии были изобретены в Китае во времена династии Хань между 202 г. до н.э. и 9 г. н.э. Отбойные молотки с приводом от вертикально установленного водяного колеса использовались для измельчения и лущения зерна, дробления руды и на ранних этапах производства бумаги.

Доступность гидроэнергии долгое время была тесно связана с ускорением экономического роста.Когда Ричард Аркрайт основал в 1771 году Кромфорд Милл в долине Дервент в Англии для прядения хлопка и, таким образом, основал одну из первых в мире фабричных систем, он использовал гидроэнергетику.

Участие во Всемирном конгрессе по гидроэнергетике 2021 года бесплатное.
Зарегистрируйтесь сегодня и приобретите знания в области гидроэнергетики.

Изобретения в технологии турбин

Некоторые из ключевых достижений в гидроэнергетике произошли в первой половине девятнадцатого века. В 1827 году французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал турбину, способную производить около 6 лошадиных сил, — самую раннюю версию реактивной турбины Фурнейрона.

В 1849 году британско-американский инженер Джеймс Фрэнсис разработал первую современную водяную турбину — турбину Фрэнсиса, которая до сих пор остается самой широко используемой водяной турбиной в мире. В 1870-х годах американский изобретатель Лестер Аллан Пелтон разработал колесо Пелтона, импульсную водяную турбину, которую он запатентовал в 1880 году.

В 20-м веке австрийский профессор Виктор Каплан разработал турбину Каплана в 1913 году — турбину пропеллерного типа с регулируемой лезвия.

Первые гидроэнергетические проекты

Первый в мире гидроэнергетический проект был использован для питания одной лампы в загородном доме Cragside в Нортумберленде, Англия, в 1878 году.Четыре года спустя первая электростанция, обслуживающая систему частных и коммерческих клиентов, была открыта в Висконсине, США, и в течение десятилетия уже работали сотни гидроэлектростанций.

В Северной Америке гидроэлектростанции были установлены в Гранд-Рапидс, штат Мичиган (1880 г.), Оттаве, Онтарио (1881 г.), Долгевилле, штат Нью-Йорк (1881 г.), и Ниагарском водопаде, штат Нью-Йорк (1881 г.). Их использовали для снабжения мельниц и освещения некоторых местных построек.

На рубеже веков технология распространилась по всему миру: Германия произвела первую трехфазную гидроэлектрическую систему в 1891 году, а Австралия запустила первую государственную электростанцию ​​в Южном полушарии в 1895 году.В 1895 году на Ниагарском водопаде была создана крупнейшая в мире гидроэлектростанция того времени — электростанция Эдварда Дина Адамса.

К 1900 году сотни малых гидроэлектростанций уже работали по мере распространения новой технологии по всему миру. В Китае в 1905 году на ручье Синдянь недалеко от Тайбэя была построена гидроэлектростанция установленной мощностью 500 кВт.

Век быстрых изменений

Двадцатый век стал свидетелем стремительных инноваций и изменений в конструкции гидроэнергетических объектов.

Политика, принятая президентом США Франклином Рузвельтом, включая «Новый курс» 1930-х годов, способствовала строительству нескольких многоцелевых проектов, таких как плотины Гувера и Гранд-Кули, где к 1940 году гидроэнергетика обеспечивала 40% выработки электроэнергии в стране. [ 1] [2]

С 1940-х по 1970-е годы, первоначально вызванные Второй мировой войной, за которой последовал сильный послевоенный экономический рост и рост населения, государственные коммунальные предприятия построили значительные объекты гидроэнергетики по всей Западной Европе, а также в Советском Союзе. Союз, Северная Америка и Япония. [3]

Дешевая гидроэнергетика рассматривалась как один из лучших способов удовлетворения растущего спроса на энергию и часто была связана с развитием энергоемких отраслей, таких как алюминиевые заводы и сталелитейные заводы.

За последние десятилетия двадцатого века Бразилия и Китай стали мировыми лидерами в гидроэнергетике. Плотина Итайпу, охватывающая Бразилию и Парагвай, открылась в 1984 году с мощностью 12 600 МВт — с тех пор она была увеличена и модернизирована до 14 000 МВт — и сегодня уступает по размеру только плотине «Три ущелья» мощностью 22 500 МВт в Китае.

Десятилетний рост производственных мощностей в конце 1980-х годов стагнировал, а затем упал в 1990-х. Это произошло из-за растущих финансовых ограничений и озабоченности по поводу экологических и социальных последствий развития гидроэнергетики, что привело к остановке многих проектов по всему миру. [4]

Кредитование и другие формы поддержки со стороны международных финансовых институтов (МФИ), в первую очередь Всемирного банка, прекратились в конце 1990-х годов, что особенно повлияло на строительство гидроэнергетики в развивающихся странах.

Повышенное внимание к устойчивости

К концу века, в течение которого глобальное понимание экологических и социальных последствий возросло, начался процесс переоценки значения и роли гидроэнергетики в национальном развитии. В 2000 году исторический отчет, опубликованный Всемирной комиссией по плотинам (WCD), бросил вызов существующей практике и инициировал изменения в планировании и развитии гидроэнергетики с акцентом на устойчивость и затронутые сообщества. [5] [6]

Международная ассоциация гидроэнергетики (IHA), созданная под эгидой ЮНЕСКО в 1995 г., начала работу над Руководящими принципами устойчивого развития IHA в 2004 г., в которых также учтены стратегические приоритеты WCD. как Политика безопасности Всемирного банка, Стандарты деятельности Международной финансовой корпорации и Принципы Экватора. Эти руководящие принципы привели к разработке Протокола оценки устойчивости гидроэнергетики (HSAP), многостороннего инструмента для оценки проектов на всех этапах их жизненного цикла.

Эти разработки привели к фундаментальному сдвигу в том, как лучше всего планировать, разрабатывать и эксплуатировать гидроэнергетические проекты, и привели к растущему признанию роли технологии в борьбе с изменением климата, сокращении бедности и повышении благосостояния.

Новая эра гидроэнергетики

Вскоре после начала двадцать первого века развитие гидроэнергетики получило новый импульс, особенно в Азии и Южной Америке.

В период с 2000 по 2017 год во всем мире было добавлено почти 500 ГВт установленной мощности гидроэлектростанций, что представляет собой рост на 65 процентов, причем с 2010 года рост уже опережает рост, зафиксированный в первом десятилетии века.

Значительный рост установленной мощности и выработки гидроэлектроэнергии был вызван множеством часто взаимосвязанных факторов, в частности:

Спрос на энергию в странах с развивающейся экономикой

Развивающимся странам, включая Бразилию и Китай, требовался доступный и надежный и устойчивый источник электроэнергии для поддержки быстрого экономического роста. С 2000 года Китай более чем в четыре раза увеличил установленную мощность до 341 ГВт (2017 год), что составляет более половины мирового роста гидроэнергетических мощностей.

Инвестиции и торговля по линии Юг-Юг

Бум инвестиций и торговли по линии Юг-Юг (между развивающимися странами) стал важнейшим источником финансирования гидроэнергетики и передачи технологий. С 2004 по 2012 год торговля продуктами и оборудованием гидроэнергетики по линии Юг-Юг увеличилась с менее 10 процентов от общего объема мировой торговли до почти 50 процентов.

Национальные банки развития и частные инвесторы из стран с развивающейся экономикой, таких как Китай, Бразилия и Таиланд, стали основными участниками прямых иностранных инвестиций (ПИИ), которые в прошлом в основном предоставлялись международными агентствами развития и многосторонними банками развития.

В рамках стратегии правительства Китая «Выход» и инициативы «Один пояс, один путь» китайские компании и банки вложили около 25 миллиардов долларов США в зарубежные проекты в период с 2000 по 2016 год и в результате стали мировыми лидерами в развитии гидроэнергетики.

Многосторонние соглашения и цели

В последнее десятилетие возросло признание роли гидроэнергетики в достижении согласованных на международном уровне результатов в области развития, например, посредством Целей устойчивого развития и климатических целей, включая Парижское соглашение, которые повлияли на цели национальной политики.В частности, для проектов малой гидроэнергетики (менее 20 МВт) был использован механизм чистого развития, который был введен в рамках Киотского протокола, предшествующего Парижскому соглашению, для поощрения чистого и устойчивого развития.

Поддержка Всемирного банка и международных финансовых организаций

Кредитование Всемирного банка на развитие гидроэнергетики увеличилось с нескольких миллионов долларов в 1999 году до почти 2 миллиардов долларов в 2014 году. Всемирный банк также расширил свою роль с «первичной» инвестора »важному« организатору », который предоставляет помощь в технических знаниях и привлекает к участию других финансистов.Хотя денежная стоимость кредитов Всемирного банка составляет небольшую часть от общей суммы, инвестируемой в сектор каждый год, возобновление обязательств банка в области гидроэнергетики наряду с другими международными финансовыми учреждениями, включая Азиатский банк развития, способствовало увеличению инвестиций и участия частного сектора.

Будущее

Ожидается, что благодаря многочисленным услугам и преимуществам гидроэнергетика останется крупнейшим в мире источником возобновляемой электроэнергии на долгие годы и со значительным неиспользованным гидроэнергетическим потенциалом; Ожидается, что большая часть будущего роста сектора будет приходиться на Африку и Азию.

В 2018 году IHA в своем ежегодном отчете о состоянии гидроэнергетики сообщило, что установленная мощность гидроэнергетики во всем мире выросла до 1267 ГВт, при этом рекордные 4185 ТВтч были выработаны в 2017 году.

По данным Международного энергетического агентства, Для достижения основных связанных с энергетикой компонентов Целей устойчивого развития, включая обязательство Парижского соглашения ниже двух градусов Цельсия, в течение следующих двух десятилетий необходимо будет ввести в действие около 800 ГВт дополнительной гидроэнергетики.

Затраты и преимущества гидроэнергетики | Инновация

Визуализация Шона Макдермотта для Undark

Ранним весенним вечером на юго-западе Албании Таулант Хазизай идет между серебристо-серыми оливковыми деревьями у реки Вьоса. Фермы простираются по широкой речной долине, участки орошаемой зелени уступают место скалистым холмам окружающих холмов. Он указывает на древнее дерево, чей корявый ствол шире, чем человеческие руки. «Эта деревня существует здесь уже 2000 лет», — говорит Хазизадж о своем родном городе Куте, спрятанном над водой.Но в 2016 году правительство Албании продало концессию на строительство дамбы в нескольких милях вниз по течению, и теперь эта оливковая роща и большая часть долины, включая саму деревню, могут скоро оказаться под водой.

«Если плотина будет построена, все это исчезнет», — говорит Хазизадж.

Река Вьоса считается последней дикой рекой Европы.

Визуальный от Undark

Возвращаясь к центру города, он проезжает кладбище, где вековые надгробия склоняются к вечернему ветру.Если плотина будет построена, могилы придется перенести. «Мой отец сказал:« Одна маслина похожа на сына », — вспоминает Хазизадж. Он оглядывается через плечо на реку.

Считающаяся последней дикой рекой Европы, Вьоса питается десятками горных притоков, протекающих в 169 милях от гор Пинд на севере Греции до Адриатического моря. Пока она остается неповрежденной, но в ближайшие годы планируется построить 31 плотину вдоль реки и ее притоков. Это заставляет как разработчиков, так и защитников окружающей среды спорить о том, лучше ли осознавать истинную ценность этого особого места, используя его для получения киловатт, или сохраняя его ради его биоразнообразия и питания, которое оно обеспечивает сообществам вдоль его берегов.

Ответить на этот вопрос непросто — здесь или где-нибудь. Предлагаемая плотина в Куте — лишь один пример растущего энтузиазма, особенно в странах с низкими доходами, в отношении гидроэнергетики и ее обещания дешевой, чистой и обильной энергии. Только на Балканах в настоящее время разрабатывается около 2700 новых гидроэнергетических проектов различного масштаба — больше, чем все действующие гидроэлектростанции в Соединенных Штатах. И это намного меньше, чем количество запланированных плотин в Азии, Африке и Южной Америке.

Это резко контрастирует с тенденцией в более развитых регионах, таких как США и Западная Европа, где новая наука направляет усилия по демонтажу существующих плотин. Старение водохранилищ стало неэффективным, воздействие на местные экосистемы и среду обитания может быть серьезным, а накопленные исследования показывают, что водохранилища гидроэнергетики могут вносить гораздо больший вклад в метан — парниковый газ примерно в 30 раз сильнее, чем углекислый газ, — чем предполагалось ранее. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале BioScience, исследователи обнаружили, что водохранилища могут производить до миллиарда тонн эквивалента углекислого газа — большая часть выбросов происходит в форме метана — каждый год, что больше, чем общие выбросы из страны Канада.

«Если плотина будет построена, — говорит Таулант Хазизай, чья деревня находится на берегу реки Вьоса в Албании, — все это исчезнет».

Визуализация Шона Макдермотта для Undark

Другой анализ показал, что даже гидроэнергетические технологии нового поколения являются проблематичными — и в развивающихся странах, в частности, проекты плотин часто сопровождаются сомнительной экономикой, местной коррупцией и неопределенными долгосрочными выгодами.

Конкурирующие затраты и выгоды представляют собой особую загадку для стран с низким и средним уровнем доходов, дальнейшее развитие которых зависит от энергетики.Социальные и экологические последствия гидроэнергетики могут быть проблематичными, но местное загрязнение и загрязнение атмосферы, создаваемое типичной гидроэлектростанцией, все еще меньше, чем угольная электростанция сопоставимых размеров, которая, наряду с нефтью, является другим основным источником энергии в Албании. Кроме того, некоторые из наиболее бедных с точки зрения электроэнергии стран мира также обладают одним из наименее используемых гидроэнергетических потенциалов, что позволяет им задумываться, имея мало четких ответов, как лучше всего использовать свои ресурсы, устраняя при этом широкий спектр социальных и экологических рисков.

Для правительств и инвесторов, которые сейчас присматриваются к Вьосе, а также для сообществ, чьи дома и жизнь будут навсегда изменены надвигающимися проектами строительства плотин, это не академический вопрос. На протяжении большей части 20-го века Албания была изолирована под властью бывшего коммунистического правителя Энвера Ходжи, поэтому большая часть реки оставалась неисследованной учеными, а о ее экосистемах мало что известно. В мае прошлого года комплексное обследование выявило удивительное разнообразие растений и животных — видов, которые уже давно исчезли в других европейских водах и теперь находятся под угрозой, если планы по строительству плотины на реке будут продвигаться.

«Когда вы строите плотину, вы разрушаете самое важное в реке: течение», — говорит Рок Розман, словенский биолог и каякер, который стал яростным защитником Вьосы. «Вы убиваете всю экосистему».

Как первая мегаплотина, плотина Гувера, построенная в 1935 году, ознаменовала поворотный момент в эффективности и амбициозности гидроэнергетических проектов. Дин Пульсифер, в то время чернорабочий подросток, вспоминает, как впервые увидел место будущей плотины Гувера. «К реке Колорадо шла просто коровья тропа», — сказал он историку Деннису Макбрайду.Пульсифер не мог понять, как там можно построить плотину. «Этот каньон был полон воды — там не было отмелей. Я думал, что это невыполнимая задача, что они когда-нибудь с этим справятся », — сказал он.

Он также создал озеро Мид, крупнейшее водохранилище США, с максимальной емкостью почти 30 миллионов акров футов.Визуализация Кэти Монтгомери / Unsplash

м, укротившая реку Колорадо в 1935 году, способствовала развитию Лос-Анджелеса, Лас-Вегаса и Феникса.
Визуальный от Dsimic / Викимедиа

Отменить

Сначала пришлось вырыть туннели, чтобы отвести воду.Рабочие взбирались на стены каньона, неся тяжелые отбойные молотки, чтобы сбрить рыхлую породу. Из десятков тысяч человек, работавших на объекте, десятки погибли от обвалов, другие от теплового истощения. Было замешано более 6,5 миллионов тонн бетона, в том числе на самом высохшем русле реки. Сегодня массивная арочная плотина возвышается на 60 этажей и ежегодно вырабатывает 4,5 миллиарда киловатт-часов электроэнергии, чего достаточно для обслуживания около 1,3 миллиона человек. Контроль над дикой рекой Колорадо стимулировал развитие Лос-Анджелеса, Лас-Вегаса и Феникса.Он также создал озеро Мид, крупнейшее водохранилище США, с максимальной емкостью почти 30 миллионов акров футов.

Достоинства этого зависят от вашей точки зрения — «убить реку», как описывает это Гэри Вокнер, директор двух организаций по охране реки и воды в Колорадо. Но сегодня плотины в Азии и Южной Америке намного массивнее, чем плотины Гувера, и на гидроэнергетику приходится 16 процентов всей мировой электроэнергии, а также некоторые из наиболее легко доступных неиспользованных источников энергии.

Поскольку изменение климата оказывает все большее давление на сокращение выбросов, правительства начали уделять больше внимания тому, как производится их электроэнергия. В то же время спрос на дешевую электроэнергию в развивающихся странах быстро растет. Согласно отчету международной консалтинговой компании McKinsey за 2015 год, «существует прямая взаимосвязь между экономическим ростом и поставками электроэнергии».

Но препятствия для многих бедных стран обескураживают, и они, как правило, усиливают неравенство.Возьмем, к примеру, регион Африки к югу от Сахары с наихудшим доступом к электроэнергии в мире. Согласно отчету McKinsey, «в нем проживает 13 процентов населения мира, но 48 процентов населения мира не имеют доступа к электричеству». Это 600 миллионов человек без электричества. Южная Азия имеет аналогичную статистику. «Потребление электроэнергии и экономическое развитие тесно связаны; рост невозможен без скачкообразных изменений в электроэнергетике », — говорится в отчете.

На самом деле трудно представить, что этот спрос будет удовлетворен только с помощью ветра или солнечной энергии, которые сталкиваются с серьезными инфраструктурными препятствиями.Хотя цена на обе технологии падает, исторически они были сравнительно дорогими, и из-за такой репутации трудно найти финансирование для крупномасштабных проектов. Распределенное производство энергии также требует строительства дорогостоящих линий электропередачи. Поскольку инфраструктура электросетей обычно не рассчитана на то, чтобы справляться с изменчивостью поставок ветровой или солнечной энергии, страны также должны платить за содержание традиционных электростанций, чтобы покрыть пробелы в производстве.

Гидроэнергетика, с другой стороны, не подвержена рыночным колебаниям, как нефть или уголь, и не имеет таких же проблем с периодичностью или хранением (но сильно зависит от засухи и изменения погодных условий).При использовании в сочетании с ветровой и солнечной энергией он может помочь сгладить переменное производство. Это один из самых дешевых видов энергии, и его очень много; менее 10 процентов возможного гидроэнергетического потенциала в Африке к югу от Сахары было разработано, что оставляет потенциальные 400 гигаватт — достаточно, чтобы в четыре раза увеличить объем электроэнергии, производимой в Африке в настоящее время. Билл Гейтс принадлежит к числу гуманитариев, которые считают, что по всем этим причинам ветер и солнце не являются достаточными источниками энергии для развивающихся стран.

«Главное — быть агностиком, а не идеологом», — говорит Уильям Рекс, ведущий специалист Всемирного банка по водным ресурсам.В своей работе с ведущими гидроэнергетическими проектами Всемирного банка он говорит, что «очевидно, что энергосистема каждой страны или бассейна отличается в зависимости от того, где они начинаются». Рассмотрение гидроэнергетических проектов «сводится к размышлению о более широком спектре услуг, в которых нуждается общество», — говорит Рекс. «Это может быть городское водоснабжение, или борьба с наводнениями, или продовольственная безопасность через орошение».

Плотины часто обеспечивают не только электричество, но и важнейшие запасы воды и орошение. «Плотины — не единственный способ хранить воду, но обычно они являются частью этой головоломки», — говорит Рекс.Поскольку изменение климата делает пресную воду менее надежной, все большее значение будут приобретать как орошение, так и борьба с наводнениями. Уже сейчас наводнения и засуха обходятся беднейшим странам мира в 10 процентов ВВП в год.

В 1990-х годах Всемирный банк и другие крупные инвестиционные организации отказались от проектов гидроэнергетики из-за их огромного экологического и социального воздействия. Но около 15 лет назад Банк пришел к выводу, что использование неразвитого гидроэнергетического потенциала Африки и Азии необходимо для сокращения бедности и сокращения выбросов углерода.«Мы должны справедливо уравновесить потребности бедных стран … с этой другой более крупной целью борьбы с изменением климата», — сказал The Guardian Джим Ён Ким, президент Банка.

Вместе со Всемирным союзом охраны природы Банк учредил Всемирную комиссию по плотинам, обновляя руководящие принципы для проектов, пытаясь уменьшить вредное воздействие. Совсем недавно организация Nature Conservancy разработала Hydropower by Design — подход, который использует данные и компьютерное моделирование для максимального использования электроэнергии в рамках проектов, пытаясь вырабатывать электроэнергию, сохраняя при этом как можно больше рек свободным течением.«Мы систематически думаем о гидроэнергетике и о том, как лучше сбалансировать экологические и экономические аспекты», — говорит Рекс. «Мы очень поддерживаем представление о гидроэнергетике в более широком смысле».

По мере того, как инвесторы проявляют новый интерес, технология также совершенствуется. Инженерный корпус армии США разрабатывает новые, более эффективные турбины. В 2016 году они установили две новые конструкции на шлюзе и плотине Ледяной гавани в Вашингтоне, которые более безопасны для рыб и, по прогнозам, увеличат выработку электроэнергии до 4 процентов по сравнению с существующей плотиной.Инженеры также изучают новые применения гидроэнергетики как в рамках существующей инфраструктуры, например, в канализационных трубах под улицами Портленда, штат Орегон, так и в совершенно новых районах.

«Кинетическая энергия в океанских волнах и водных течениях в приливных устьях и реках изучается для новых типов гидроэнергетических проектов», — говорится в отчете «Прогноз по водным ресурсам» за 2011 год, подготовленном армейским корпусом. «Существуют значительные возможности для разработки новых, более эффективных технологий в гидроэнергетике, особенно в областях, которые связаны с повышением как энергетических, так и экологических показателей, которые имеют решающее значение для новых разработок.”

В ясный день на реке Вьоса каяк скользит по строительной площадке в Каливаце, маленьком городке в дикой албанской долине, заполненной скрытыми семейными полями марихуаны. Розман, биолог, который начал выступать за реки после олимпийской карьеры гребца, ранее пытался остановиться на месте плотины, где строительство останавливали несколько раз, но жители деревни отказывались от него, защищая свою марихуану.

Рок Розман (слева) — биолог и речной активист из Албании.«Речь идет не только об улитках и рыбе», — говорит Розман о планируемых плотинах на реке Вьоса. «Речь идет о людях, потому что мы зависим от рек.

Визуализация Шона Макдермотта для Undark

Частично построенный проект, совместное предприятие Deutsche Bank, других международных финансовых спонсоров и известного итальянского бизнесмена Франческо Беккетти, остановился после ареста Беккетти за мошенничество и отмывание денег. Предыдущий премьер-министр Албании предоставил концессию в 1997 году в качестве одной из многих плотин, получивших зеленый свет по политическим причинам; Замир Дедей, генеральный директор Национального агентства охраняемых территорий, говорит, что концессии на гидроэнергетику достигли пика во время выборов.Хотя нынешнее правительство за закрытыми дверями заявляет, что предпочло бы найти способы отказаться от многих из этих уступок, «сделка заключена», — говорит Дедей.

«Дело не только в улитках и рыбе», — говорит Розман о проектах. «Речь идет о людях, потому что мы зависим от рек». Органические материалы накапливаются за плотинами, потребляя кислород при разложении. Это осаждение может создать бескислородные мертвые зоны, в которых не может выжить ни одна речная жизнь любого вида. Когда вода перестает течь, ее температура повышается.Даже несколько градусов могут быть опасными для жизни, поскольку большинство водных организмов очень чувствительно к температуре. Осаждение также постепенно снижает емкость резервуара, уменьшая количество вырабатываемой электроэнергии.

На территорию ниже по течению плотины, очевидно, влияет сокращение потока воды — например, река Колорадо больше не достигает океана, — но также из-за отсутствия камней, бревен и наносов. «Ниже плотины река лишена строительных материалов и не может обеспечить среду обитания», — сообщает Коалиция за реформу гидроэнергетики, объединяющую 150 экологических групп.«Большинство плотин не просто проводят линию в воде; они уничтожают среду обитания в своих водоемах и в реке внизу ». На Вьосе эта потеря среды обитания может нанести ущерб 40 видам, живущим вдоль ее берегов, в дополнение к двум новым видам, которые были обнаружены в сентябре в районе предполагаемой плотины.

Неудивительно, что реки с наименьшим количеством плотин имеют лучшее качество воды и самое высокое биоразнообразие по сравнению с реками того же региона. Большинство запланированных плотин находится в развивающихся странах, в основном в тропических или субтропических регионах, где число видов, подвергающихся риску, особенно велико.«Фрагментация из-за плотин является значительным фактором потери биоразнообразия», — утверждает некоммерческая экологическая группа International Rivers, базирующаяся в Калифорнии. С 1970 года, параллельно с бумом строительства плотин за последние несколько десятилетий, мир потерял 80 процентов пресноводных животных.

Эта потеря, в свою очередь, сказывается на людях, живущих поблизости. В отчете Центра мониторинга внутреннего перемещения за 2017 год говорится, что из-за плотин было перемещено 80 миллионов человек. «Реки представляют огромную ценность для сообществ, живущих внутри и вокруг реки», — говорит Кейт Хорнер, исполнительный директор International Rivers.«Меконг — один из самых ярких примеров. Буквально миллионы людей зависят от пресноводного рыболовства, и они останутся голодными, когда эти рыбные запасы истощатся, когда у них не будет среды обитания и нерестилищ ».

В отчете Центра мониторинга внутреннего перемещения за 2017 год говорится, что из-за плотин было перемещено 80 миллионов человек.

Центр мониторинга внутреннего перемещения

Но самым разрушительным эффектом гидроэнергетики может быть то, что, вопреки распространенному мнению, на самом деле она не свободна от выбросов.«Было много дискуссий о выбросах парниковых газов из водохранилищ из-за затопленной растительности», — говорит Хорнер.

По мере разложения захваченного материала в резервуарах высвобождаются пузырьки метана; тропические районы, как правило, имеют больше растительности и, следовательно, более высокие выбросы метана. Эти пузыри возникают и в естественных резервуарах, но их скорость увеличивается, когда вода проходит через турбины.

Еще в 2000 году исследования показали, что гидроэнергетика является чистым источником парниковых газов, но эти данные оспаривались влиятельными лобби гидроэнергетики.(Поскольку они возникают спорадически, пузыри метана трудно изучать, и их необходимо отслеживать с помощью гидролокатора.) Сегодня трудно отрицать изобилие свидетельств. В 2016 году исследователи из Университета штата Вашингтон провели всесторонний метаанализ, изучив 100 исследований выбросов из более чем 250 резервуаров, и обнаружили, что каждый квадратный метр поверхности резервуара выбрасывает на 25 процентов больше метана, чем считалось ранее.

В некоторых случаях выбросы парниковых газов от гидроэнергетики фактически выше, чем от сопоставимой электростанции, работающей на ископаемом топливе.Филип Фирнсайд, эколог, обнаружил, что всего через 13 лет после постройки плотина Куруа-Уна в Амазонской Бразилии выбрасывала в 3,6 раза больше парниковых газов, чем вырабатывала такое же количество электроэнергии из нефти.

Постепенно новые исследования меняют подход к гидроэнергетике в рамках Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Хотя панель ясно дает понять, что плотины производят гораздо меньше выбросов, чем вырабатываемая углем электроэнергия, тем не менее, с 2006 года в углеродный бюджет каждой страны включены выбросы из искусственно затопленных регионов.Фирнсайд и другие считают, что руководящие принципы МГЭИК не заходят достаточно далеко, поскольку они не являются обязательными, а методология учитывает только первые 10 лет эксплуатации плотины и измеряет только поверхностные выбросы.

Но каким бы ни был вклад плотин в глобальное потепление, одно лишь повышение температуры делает круговорот воды, от которого зависят плотины, более хаотичным, и это тоже меняет расчет гидроэнергетики. Исследование, опубликованное в журнале Energy в 2016 году, предполагает, что согласно одной модели изменчивость количества осадков из-за изменения климата снизит среднегодовую выработку гидроэлектроэнергии в Калифорнии на 3.1 процент. Это, конечно, только в среднем по одному региону; исследование, опубликованное в журнале Nature Climate Change, предполагает, что на 86% гидроэнергетических объектов может наблюдаться заметное сокращение выработки электроэнергии.

Это окажет сильное влияние на отрасли, которые являются наиболее убедительными лоббистами гидроэнергетики. Уже в Замбии, где 95 процентов электроэнергии вырабатывается за счет плотин, засуха в 2015 году привела к острой нехватке электроэнергии, что нанесло ущерб медным рудникам страны, которые являются важной частью экономики.

«Гидроэнергетика не является устойчивым к изменению климата источником энергии», — говорит Хорнер.

Розман недавно взял группу каякеров на реку Морача в Черногории. «Река не из этого мира, — говорит Розман. Во время поездки этой весной он добавляет: «Я пил воду в столице — до того, как пойдут сточные воды, — и это не проблема, она такая чистая».

Дуглас Херрик и Алиса Голенко, консультант и младший политический аналитик, соответственно, в Организации экономического сотрудничества и развития, были среди тех, кто присоединился к нему на Мораке.«Вы можете видеть, как вода врезается в карстовые образования», — говорит Херрик. Он описывает его как «такое прозрачное, как стекло».

Правительство Черногории планирует строительство четырехкаскадной плотины на реке, и Херрик только что был на собраниях, чтобы обсудить этот проект. «Я взял их на сплав, и они были в шоке, — говорит Розман. «Они разговаривали с политиками, думали, что все в порядке. Но потом они увидели.

Голенко, говоря о своем собственном впечатлении, а не о политике ОЭСР, признает, что «я не знала о ее основных преимуществах и проблемах.”

Розман надеется, что, показывая людям, что поставлено на карту в связи с сооружением плотин, они станут более мотивированными защищать реки. «Если, в конце концов, нам все еще нужно построить гидроэлектростанцию, давайте построим большую, где она наносит наименьший ущерб людям и окружающей среде, вместо 400 маленьких, которые просто распространяют разрушения».

Но даже сокращение количества плотин не может быть решением. В гидроэнергетике размер имеет значение; просто не всегда понятно, как это сделать. Большие плотины — те, что выше четырехэтажного здания — оказывают значительное воздействие на окружающую среду.В мире насчитывается более 57 000 крупных плотин и по крайней мере 300 крупных плотин высотой более 490 футов. На строительство этих плотин могут потребоваться десятилетия, они будут стоить миллиарды долларов и в среднем превысят прогнозируемые затраты на 90 процентов.

Например, плотина

Итайпу, построенная между Бразилией и Парагваем в 1980-х годах, обошлась в 20 миллиардов долларов, на строительство потребовалось 18 лет и вырабатывает на 20 процентов меньше электроэнергии, чем предполагалось. «Большие плотины в подавляющем большинстве случаев не являются экономически жизнеспособными», — говорится в отчете Оксфорда за 2014 год, в котором проанализировано 245 крупных плотин в 65 различных странах.«Вместо того, чтобы получить желанное богатство, страны с развивающейся экономикой рискуют поглотить свою хрупкую экономику в долгах из-за неосмотрительного строительства больших плотин».

Между тем, правительство Албании предоставило несколько концессий на гидроэнергетику на реке Валбона — якобы без необходимых публичных уведомлений.

Визуализация Шона Макдермотта для Undark

Учитывая столь ужасающие статистические данные, растет энтузиазм по поводу небольших гидроэнергетических проектов. Так называемые «русловые» проекты направляют поток реки через турбину без создания водохранилища, и считается, что они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, потому что они не останавливают реку полностью.Но название может вводить в заблуждение; они по-прежнему отводят воду, и многие до сих пор хранят воду за водохранилищами. «Небольшие гидро [проекты] или русловые гидроэлектростанции не защищены от значительных социальных и экологических последствий для реки», — говорит Хорнер.

Хотя многие страны, включая Китай, Индию и Бразилию, приняли политику, продвигающую проекты малой гидроэнергетики, полагая, что они более безопасны для окружающей среды, исследователи из Университета штата Орегон недавно рассчитали масштабное воздействие плотин на реку Ну в Китае. и обнаружил, что по определенным критериям малая гидроэнергетика на самом деле оказывала большее влияние на мегаватт.«Одна из вещей, к которой мы настаиваем, что важно как для малых, так и для больших гидроэлектростанций, — это необходимость оценивать воздействия не по проектам, а в совокупности», — говорит Хорнер. «Если у вас есть каскад малых гидроэлектростанций, он может иметь такое же влияние, как и одна большая установка».

Это не говоря уже об ущербе, который может нанести одна плотина в неправильном месте. В северной Албании река Валбона вытекает из Проклятых гор, где крутые образования белого известняка окружают обширную пойму.Каждую весну в результате наводнения камни реки поют, а валуны несутся с гор. Затем вода замедляется. Через несколько недель устье реки превращается в ручей, через который можно практически перешагнуть.

В декабре 2015 года Кэтрин Боне, жительница долины, запросила информацию о строительстве небольшой гидроэлектростанции на реке Валбона. Поскольку это был сезон отпусков, она не успела просмотреть документы, когда к ее двери подошел человек из местного правительства с огромной картой, на которой были показаны планы четырех крупных заводов.В замешательстве она открыла полученный конверт и поняла, что случайно запросила информацию не о том гидроэнергетическом проекте. Дальнейшие раскопки выявили планы строительства еще девяти электростанций, в результате чего их общее количество достигло 14. Оказывается, что правительство предоставило несколько концессий на гидроэнергетику на реке Валбона, якобы без необходимых публичных уведомлений. Со своей стороны, одна из компаний, Dragobia Energy, утверждает, что соблюдала соответствующие процедуры; местная некоммерческая организация EcoAlbania сообщает, что компания подписывала имена людей, погибших за фальсификацию записей публичных собраний.

Проекты Valbona подчеркивают сложные юридические вопросы, связанные с утверждением таких планов, и огромную разницу между стандартами на бумаге и тем, что происходит на местах. Dragobia Energy представила оценку воздействия на окружающую среду в процессе выдачи разрешений. Предположительно, меры по защите окружающей среды, предусмотренные Европейской Бернской конвенцией, которую подписала Албания, были поддержаны. В действительности, однако, восемь гидроэнергетических проектов находятся в близлежащем национальном парке, который с 1996 года является охраняемой территорией.Проект Dragobia Cascades, строительство которого началось в марте, уже снесен бульдозером на северном берегу реки, отводя воду через подающий туннель шириной 10 футов.

На недавнем заседании Организации по безопасности и сотрудничеству в Европе Эмирджета Адхами, представитель Всемирного фонда дикой природы, подчеркнула пробелы в оценке компании, объяснив, что ей не хватает даже простых исходных данных. Она пожаловалась на то, что в нем не проводилась количественная оценка воздействий и не учитывались кумулятивные воздействия или эффект «значительного сокращения речного стока».”

Широко распространенная коррупция затрудняет обеспечение защиты окружающей среды. Согласно недавнему докладу Европейского союза по этой проблеме, почти каждый второй албанец признается, что от него требовали прямо или косвенно подкупить государственных чиновников. Но проблема выходит далеко за пределы Албании. «Принятие решений по плотинам часто недооценивает слабость более широкого контекста управления», согласно недавнему исследованию, проведенному голландским отделом устойчивого развития. Джош Клемм, который сосредотачивается на роли международных финансовых институтов в International Rivers, выражает это более прямо.«Нет прозрачности», — говорит он. «Это огромная проблема».

Предлагаемая плотина во втором старейшем национальном парке Македонии создаст угрозу среде обитания находящихся под угрозой исчезновения балканских рысей, которых меньше 50.

Визуализация mpiet / Wikimedia / CC

Еще больше усложняет проблему то, что финансирование плотин часто исходит от крупных международных организаций. Согласно пресс-релизу 2015 года, касающемуся отчета CEE Bankwatch Network, независимой группы по надзору за финансами, «многосторонние банки развития играют ключевую роль» в строительстве плотин на Балканах.Помимо Всемирного банка, в сообщении говорится: «Европейский банк реконструкции и развития (ЕБРР) является крупнейшим инвестором в гидроэнергетику на Балканах».

Пиппа Галлоп, координатор исследований в «Бенквоч», говорит: «Что особенно скандально, так это то, что государственные банки, такие как ЕБРР и Всемирный банк, могут финансировать и действительно финансируют малую гидроэнергетику через коммерческие банки». В процессе она объясняет, кто несет ответственность за то, что сбивает с толку, и это сводит к минимуму ответственность. По словам Галлопа, местные банки, нанятые транснациональными корпорациями, «должны сами проводить комплексную проверку», но, поскольку крупные банки не обязаны раскрывать информацию о своих местных партнерах, никто — зачастую даже материнский банк — не проверяет как хорошо это сделано.

Bankwatch обнаружил, что ЕБРР поддержал 51 гидроэнергетический проект, в том числе 21 проект на охраняемых территориях. Некоторые из них особенно опасны; одна предлагаемая плотина в Маврово, втором старейшем национальном парке Македонии, будет угрожать среде обитания находящихся под угрозой исчезновения балканских рысей, которых менее 50. «Наша стратегия для энергетического сектора — попытаться найти другую структуру энергопотребления», — говорится в сообщении. Франческо Корбо, главный банкир в сфере энергетики и энергетики ЕБРР. «Один из способов — инвестировать в возобновляемые источники энергии, а одним из источников возобновляемой энергии является гидроэнергетика.”

Развивающиеся страны часто попадают в ловушку этих сложных финансовых механизмов. «Правительства обязаны предоставлять гарантии частным инвесторам», — объясняет Хорнер. «Таким образом, они, по сути, берут на себя огромный риск».

В Демократической Республике Конго, например, строительство массивной плотины на реке Конго уже откладывается, что приводит к огромным перерасходам средств. «Страны имеют эти массивные структуры льготного кредитования, которые [зависят] от определенных характеристик плотины, и когда дожди не идут, — говорит Хорнер, — страны впадают в долговые кризисы.”

Исследователи из Оксфордского университета сообщили в 2014 году, что большинство крупных плотин не окупают затраты на их строительство, не говоря уже о повышении качества жизни в местных условиях. Как писали экономисты Джеймс Робинсон и Рагнар Торвик в исследовании 2005 года: «Политическая привлекательность таких проектов делает их весьма неэффективными», поскольку они дают возможность власть имущим направить деньги, выделенные на проекты, в другие руки.

Если неожиданные затраты в конечном итоге будут нести на месте, выгоды иногда будут весьма значительными.Bankwatch проанализировал структуру спроса и предложения на электроэнергию на Западных Балканах и обнаружил, что если все предложенные плотины будут построены, то к 2024 году в регионе будет 56% излишков электроэнергии. Прибыль от продажи излишков электроэнергии редко реинвестируется в местные сообщества. Другими словами, аргумент о том, что гидроэнергетика необходима для развития, иногда используется неправильно.

В ДРК, по словам Хорнера, подавляющая часть электроэнергии, которую в будущем будет производить отложенная мегаплотина, уже направляется в Южную Африку.«Если вы думаете, что Южная Африка действительно далеко от ДРК, вы правы», — говорит она. «Им еще предстоит построить ЛЭП. Люди любят говорить, что это чистый энергетический ресурс, который помогает людям выбраться из бедности, но это не то, что происходит «.

Рок Розман и другие протестующие против строительства плотин пытались заблокировать проекты на реке Вьоса.

Визуализация Скотта Макдермотта для Undark

Вернувшись в Куту, Хазизай и другие жители села нервно ждали этой весной, пока иск против строительства плотины проходил через албанские суды.Как и в случае с проектами Valbona, «общественные консультации были фальшивыми», — говорит Бешана Гури из EcoAlbania, которая подала жалобу вместе с двумя другими природоохранными организациями и десятками жителей. «Компания подготовила ОВОС, которую мы назвали фарсом».

Ожидания от первого экологического иска в стране были невысоки. Но в мае судьи объявили, что строительство будет остановлено. Гури был взволнован, если даже удивлен. «Победа над государством — это не то, что происходит в Албании!» — говорит она, добавляя, что получила больше поздравлений с исходом судебного процесса, чем когда вышла замуж.

Сара Чейес, эксперт по коррупции и старший научный сотрудник Фонда Карнеги за международный мир, объясняет, почему такие результаты так редки. «В этих странах политическая экономия охвачена интегрированной сетью клептократии», — говорит она, «цель которой — захватить потоки доходов».

Две общие цели — проекты строительства и инфраструктуры высокого уровня, которые идеально сочетаются с проектами гидроэнергетики. Поскольку коррупция часто достигает самого верха, ее трудно предотвратить.Часто, по словам Чайеса, «весь проект не предназначен для достижения заявленной цели» — как, например, предлагаемые плотины в Валбоне, чьи прогнозы по убыткам не поддаются логике. «Основная цель — служить каналом для снятия денег из государственного бюджета», — говорит она.

Чайес утверждает, что международным банкам и некоммерческим организациям необходимо изменить свой подход к финансированию таких проектов. Во-первых, гидроэнергетика «не должна считаться возобновляемой, со всеми последствиями« возобновляемой энергии »и того, что она означает в современном мире с точки зрения положительного брендинга», — говорит она, не говоря уже о международном финансировании или углеродных кредитах.

В конце концов, по ее словам, нельзя добиться лучшего управления за счет более высокого ВВП. «Мы говорили, что если в этих странах будет более высокий ВВП, они потребуют лучшего управления, но это попадает в ловушку клептократических сетей, поэтому это не работает».

По ее словам, решение работает с местными сообществами на каждом этапе энергетических проектов. «Это может занять много времени и беспорядка, — говорит она, но« имеет действительно положительные последующие эффекты ». По словам Чейеса, в помощи людям в обеспечении подотчетности своих правительств «в основе лежит развитие и процветание.”

Статистические данные, как и ожидалось, можно выстроить так, чтобы поддержать каждую сторону аргумента в пользу гидроэнергетики. В зависимости от вашего источника, Албания в настоящее время импортирует от 13 до 78 процентов своей энергии — огромный разрыв, который отражает противоположные взгляды. Но помимо цифр, существует неизбежный компромисс между пользой, которую плотины приносят, и вредом, который они причиняют.

Приманкой для гидроэнергетики всегда была идея о том, что существует способ производства энергии без негативных последствий. Но, в конце концов, истина следует основному закону физики: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Тем временем строительство одной из предполагаемых плотин на реке Вьоса остановлено, но строительство в Валбоне продолжается.

Лоис Паршли — журналист и фотограф, в настоящее время стипендиат Knight-Wallace. Она пишет для различных изданий, в том числе Businessweek, National Geographic, Popular Science и The Atlantic, а также других изданий.

Чтобы узнать больше о подобных статьях, посетите undark.org

Энергия

Инновации

Приливная сила

Эксперимент с кувшином для молока «Сделай сам»

Примечание для родителей: этот эксперимент предназначен для детей от 10 лет и старше.В рамках проекта может потребоваться некоторая поддержка, чтобы проделать отверстия в кувшине для молока с помощью гвоздя, провести измерения и вести учет затраченного времени. В этом эксперименте используется проточная вода, и его следует проводить в месте, которое может намокнуть (например, в ванне, душе или на открытом воздухе).

Дополнительное примечание: этот эксперимент займет примерно 1 час.

Обзор эксперимента:

Вода — это природный ресурс, необходимый для жизни на Земле. Вода также очень полезна для людей, потому что текущая вода создает энергию, которую можно уловить и превратить в электричество.Мы называем эту форму возобновляемой энергии, генерируемой из проточной воды или воды, хранящейся в плотинах, гидроэнергетикой . Плотина , — это конструкция, которая блокирует или ограничивает естественный поток воды, так что вода может удерживаться в большом стоячем водоеме (резервуар , ), где она используется для выработки электроэнергии. Поскольку плотина задерживает все больше и больше воды в резервуаре, вода накапливает потенциальной энергии (запасенная энергия). Эта энергия передается в кинетической энергии (энергия движения), когда вода выходит из плотины.Отверстие в дамбе под действием силы тяжести сбрасывает воду по трубе, называемой напорной трубой , и движущаяся вода вращает лопасти турбины, которая приводит в действие генератор. Давление, высота водохранилища (уровень воды) и расположение напорного трубопровода играют важную роль в том, насколько эффективно плотина гидроэлектростанции производит энергию. В этом упражнении вы создадите свой собственный кувшин для молока гидроэлектростанции и проделаете дыры в разных точках вдоль стены плотины, чтобы исследовать места, где давление и потенциал для выработки электроэнергии самые высокие.

Перед тем как начать, подумайте над следующими вопросами и запишите свои прогнозы:

  1. Что, по вашему мнению, произойдет, если вы наполните кувшин для молока водой и удалите изоленту, закрывающую отверстия?
  2. Как вы думаете, все струи воды из трех отверстий будут одинаковой длины?
  3. Как вы думаете, что произойдет с длиной каждой струи со временем, когда уровень воды внутри кувшина для молока снизится?

Экспериментальные материалы:

  • Пластиковый кувшин для молока на 1 галлон
  • 1 перманентный маркер
  • Цветные карандаши
  • Линейка
  • 1 маленький гвоздь длиной около 1 дюйма
  • Клейкая лента
  • Ступенька для рулетки
  • или кирпичей или деревянных блоков
  • Таймер (вы можете использовать часы или таймер телефона)
  • Лабораторная тетрадь
  • 1 лист миллиметровой бумаги

Процесс эксперимента:

Шаг 1

Промойте кувшин для молока, чтобы он чист и выбросьте колпачок.

Step 2

Нанесите три отметки перманентным маркером и линейкой на стороне кувшина для молока напротив ручки.

  1. Сделайте первую отметку в центре стороны на расстоянии 3,5 дюйма от низа.
  2. Сделайте вторую отметку на 1 дюйм слева от центральной отметки и на 1 дюйм снизу вверх.
  3. Сделайте третью отметку на 1 дюйм справа от центральной отметки и на 6 дюймов вверх от нижней.

Шаг 3

Осторожно вдавите 1-дюймовый гвоздь в каждую отметку и поверните взад и вперед, чтобы убедиться, что вы сделали четко определенные круглые отверстия.

Шаг 4

Закройте все 3 отверстия полоской изоленты. Сильно нажмите, чтобы убедиться, что отверстия закрыты и вода не может пройти через них.

Step 5

Создайте таблицу данных в своем лабораторном блокноте. Используйте карандаш разного цвета для каждого отверстия (например, зеленый для «самого низкого отверстия», красный для «среднего отверстия» и синий для «самого высокого отверстия»).

Шаг 6

Попросите родителей помочь вам найти хорошее место для тестирования, которое может намокнуть (например, в ванной или на улице). Поместите ступенчатую табуретку в зону тестирования и поставьте кувшин для молока на нее.Вытяните рулетку из основания кувшина для молока и зафиксируйте ее так, чтобы она оставалась на полу перед кувшином для молока.

Step 7

Наполните кувшин для молока водой. Установите таймер на ноль. Запишите начальную высоту резервуара в таблице данных (время «0»). Вы можете записывать измерения в дюймах или сантиметрах. Чтобы измерить высоту резервуара, используйте линейку и измерьте расстояние от дна кувшина для молока до поверхности воды. Вы будете записывать высоту резервуара каждую минуту на протяжении всего эксперимента.

Step 8

Снимите клейкую ленту с кувшина для молока и немедленно включите таймер.

Step 9

С помощью рулетки определите длину каждого потока воды и запишите в таблицу данных время «0». Вы будете записывать длину потока воды для каждой лунки каждую минуту на протяжении всего эксперимента.

Step 10

Продолжайте отсчитывать время и записывать высоту резервуара и длину каждого потока воды каждую минуту, пока не вытечет вся вода.

Поделитесь своими результатами

  1. Постройте график данных. Используйте линейку, чтобы нарисовать линейный график ваших данных со временем по оси x и длиной потока по оси y. Используйте карандаш другого цвета, чтобы изобразить данные для каждой лунки (например, зеленый для «самого низкого отверстия», красный для «среднего отверстия» и синий для «самого высокого отверстия»).
    • Форма линейных графиков одинакова для всех трех испытаний?
    • Какая скважина давала самую длинную струю?
    • Какое отверстие дает самую короткую длину потока?
  1. На основании ваших результатов, как вы думаете, давление воды на стену плотины наибольшее в нижней, средней или верхней части плотины?
  2. Как вы думаете, на какой глубине скважины может быть произведено больше всего электроэнергии?

Выводы:

Давление, высота водохранилища (уровень воды) и расположение напорного трубопровода играют важную роль в том, насколько эффективно плотина гидроэлектростанции производит энергию.Давление в резервуаре увеличивается по мере увеличения расстояния между поверхностью воды и отверстием для напорного трубопровода. По мере того, как высота водохранилища плотины увеличивается, давление воды внутри водохранилища увеличивается, а следовательно, и количество электроэнергии, которое может быть произведено. В ходе своего эксперимента вы, возможно, заметили, что давление в дамбе было самым большим, когда водохранилище было заполнено. Когда резервуар был заполнен, все 3 потока текли на максимальной длине. По мере уменьшения высоты водохранилища струя, текущая из ближайшей к поверхности воды лунки, становилась все короче и короче, пока не исчезла.То же самое произошло бы со средней скважиной и, в конечном итоге, с забойной скважиной. Отверстие в дне кувшина для молока было в лучшем положении для передачи воды для выработки электроэнергии из-за большего давления, оказываемого на него со стороны воды выше.

Гидроэнергетика имеет несколько преимуществ, например, она является возобновляемым и экологически чистым источником энергии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.