Модель электроэнергетической станции

ВВЕДЕНИЕ

“Проблема состоит в том, что при изучении физики мы несколько раз сталкивались с сложными источниками переменного тока – электрогенераторами. На их основе построены почти сто процентов электростанций в мире, а электростанции это “сердце и кровь цивилизации”. По определению из словарей: электростанция — электрическая станция, совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. А вот как устроена электростанция, нас заинтересовало в 9–м классе при изучении ядерного реактора. Для лучшего понимания этой схемы мы решили построить модель электростанции.

Актуальность данной темы состоит еще в том, что в кадетском корпусе (как и в большинстве школ) недостаточно наглядного материала, а модель, сделанная своими руками, будет не только подспорьем учителю физики, но и демонстрацией процессов, происходящих на реальных промышленных объектах. При работе над созданием модели мы постарались ее сделать универсальной, то есть ее можно достраивать, добавляя новые модули, вспомогательные устройства. Так же данная модель динамична: некоторые блоки можно менять на другие, так же ее планируется совмещать с другими моделями. При этом можем получать целые комплексы каких–либо технологических процессов. Новизна – для изготовления модели были использованы не стандартные материалы.

Цель нашей работы: конструирование устройства, моделирующего работу электрической станции. Для достижения цели решаем следующие задачи:

1. Изучить информационные материалы по данной проблеме;
2. Сконструировать устройство, дающей представление о работе электростанции;
3. Испытать данное устройство в кадетском корпусе и оценить его эффективность.

Выдвигаем гипотезу: возможно ли изготовление модели электрической энергетической станции в условиях учебного учреждения.

Предмет исследования: принцип вырабатывания электричества.

Методы исследования: анализ разных способов выработки электричества.

Значимость: участники группы учатся проектировать, конструировать и проводить эксперименты.

АКК получит возможность эксплуатировать это устройство первым. В источниках информации, изученных нами (книги и журналы технических новинок, Internet) есть упоминание о подобных макетах (моделях) [2], но они либо слишком сложные и дорогие, либо очень простые (упрощенные) [3]. Возникла проблема в создании демонстрационной модели электрической станции удобной в использовании и простой в исполнении. И мы решили создать свою модель, используя недорогие подручные материалы, причем схема станции придумана нами с учетом рациональности и научной логики. При изучении данной темы мы учли, что в ближайшем будущем источниками энергии могут послужить принципиально новые явления и процессы, которые можно использовать в схеме (модели) данной станции. Как было сказано выше, целью нашей работы стало создание модели электроэнергетической станции. Мы стали исследовать необходимую литературу [1], и ресурсы Internet [5].

Была выявлена важная особенность: в любой станции по производству электрической энергии есть несколько основных узлов. В первую очередь, это источник энергии, например, в ТЭЦ это топка с паровой турбиной, в ГЭС – вода, падающая с плотины, в АЭС – ядерный реактор с паровой турбиной и т. д. [4]. Далее необходимо устройство, превращающее данный вид энергии в механическую, а именно кинетическую энергию. Это могут быть водяные турбины, паро– и газотурбины и другие более сложные устройства. К данному устройству и подсоединяется электрический генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Дальше необходимы трансформаторы для повышения или понижения электрического напряжения, обычно генератор может выдавать до сотен тысяч вольт, а потребителю требуется 380 В или 220 В. Это довольно упрощенная схема работы электростанции, и мы ее решили воплотить в жизнь в виде модели.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для достижения поставленной цели сначала мы изготовили корпус станции, имитирующей саму электростанцию. Данную работу проводили на уроках технологии, кружках и в свободное время. Материалами были выбраны ДВП и деревянные бруски, детали соединялись клеем и гвоздями.

Корпус состоит из трех частей: а) рабочая зона, в которой находится источник энергии и преобразующее устройство; б) генераторный блок со вспомогательными помещениями; в) отдел, в котором находятся устройства питания и управление моделью станции. Источником питания модели является зарядное устройство от мобильного телефона напряжением 3,5 В. В соответствии с этим источником для освещения были выбраны лампы накаливания по 3,5 В и 4 В, для имитации работы генератора был выбран двигатель напряжением 4 В.

На рисунке 1 представлена электрическая схема питания и включения устройства. Вначале включается ключ К1 и загораются лампы Л1 – Л4, имитирующие начало работы источника энергии, далее включается ключ К2 и начинает работать двигатель Д, имитирующий работу генератора. Включение его дублируется включением индикаторной лампы Л5, которая является и условным потребителем. От генератора проведены провода к моделям высоковольтных столбов, на одном и установлена лампа Л5. Провода к столбам проходят через трансформатор, не подключаясь к нему, лишь имитируя работу трансформаторного блока. Таким образом, основные элементы электростанции на модели были выполнены. На изготовление модели понадобились материалы, бывшие в употреблении и электрические приборы.

Испытание действующей модели в условиях АКК с соблюдением техники безопасности для проверки функционирования всех узлов:

Включаем блок питания 3,5 В в сеть 220 В,
Включаем лампы Л1 – Л4, имитирующие начало работы источника энергии.
Включаем двигатель Д, имитирующий работу генератора и лампу Л5.
Проводим демонстрацию с указанием основных блоков электрической станции.

Действующая модель электростанции в режиме ожидания

Действующая модель электростанции в рабочем режиме

РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализируя, результатами испытаний было решено использовать данную модель на уроках физики и технологии, как с демонстрацией отдельных узлов, так и всей станции целиком. На данный момент изготовленная модель используется на следующих уроках: “Паровая турбина”, “Источники электрического тока”, “Электрический двигатель”, “Получение переменного электрического тока”, “Генератор”, “Ядерный реактор”, “Генерирование электроэнергии”, “Передача и использование электроэнергии”, “Ознакомление с работой электрического двигателя и электрических станций”, “Профессии, связанные с производством, эксплуатацией и обслуживанием электротехнических устройств”, “Простые электротехнические устройства”, “Электротехническая безопасность”. Также возможно использование данной модели на уроках географии и природоведения, технологии.

Результаты работы подтвердили выдвинутую гипотезу: возможно изготовление модели электрической энергетической станции в условиях учебного учреждения. Недостатком модели является отсутствие некоторых элементов реальной электрической станции. При выполнении работы наметились пути усовершенствования данной модели: сменные блоки источников энергии, возможность добавления плотины ГЭС, доработка трансформаторного блока, оснащение станции альтернативными источниками энергии: солнечные батареи, ветряные генераторы и т. д. Теоретическая значимость работы – главным для себя мы считаем то, что узнали много нового про электроэнергетику, конструирование и моделирование, это нам пригодится в последующей деятельности. Практическая значимость работы – была изготовлена действующая модель, которая может использоваться на уроках физики, природоведения и географии в качестве наглядного пособия.

Список использованных источников

1. Касьянов В. А. Физика 11 кл. ДPOФА, М.: –2002
2. Серия “Эрудит”. Физика М.: ООО “ТД “Издательство Мир книги”, 2006.
3. В. Чаховский. “Хранить теплоту”, “Техника” Издательство “Знание” М.: 1990
4. И. И. Эльшанский. “Законы природы служат людям” “Просвещение”, 1978
5. Интернет ресурс (Режим доступа) http://ru.wikipedia.org

Работу выполнили:
В.Е. Кабаков, Д.Е. Смоляков

Руководитель:
А.Ю. Шарифуллин

Краевое государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
кадетская школа–интернат “Ачинский кадетский корпус”
г. Ачинск, Россия