Разработка метода генерации электроэнергии из систем городского водоотведения

Актуальность

Одна из ключевых проблем современной городской среды – поиск экологичных и дешёвых источников электроэнергии. Из-за удалённости электростанций от потребителей электричества городская сеть может быть низкоэффективной. Однако при установке большого количества эко-генераторов рядом с узлами потребления возможно получить дополнительный независимый источник энергии.

Мы решили разработать принципиально новое устройство, которое могло бы быть интегрировано в городскую среду при минимальных архитектурных и конструктивных изменениях. В упрощённом виде оно представляет собой блок с генератором, вал которого крепится у выходного отверстия водосточной трубы и приходит в движение за счёт попадания на его лопасти воды из водостока.

Цель

Создание дождевого генератора, в котором потенциальная энергия падения капель дождя может быть преобразована в электрическую.

Задачи

1. Определить среднюю интенсивность дождя в Москве, сделать оценки эффективной площади сбора дождевой воды и высоты зданий.
2. Вычислить геометрические параметры трубы, задав начальные условия через выходное давление и перенос массы жидкости.
3. Собрать установку и оценить её КПД экспериментальными методами.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Описание

• персональный компьютер
• электромотор с крыльчаткой, аккумуляторная батарея и электрогенератор
• мультиметр
• программный пакет для оптимизации и анализа поведения реальных устройств и процессов с помощью моделирования COMSOL Multiphysics
• 3D-принтер

Перед выполнением расчётно-проектной части работы автором был проведён сравнительный анализ имеющихся аналогов по данной теме.

Для расчёта начальных условий был составлен следующий план:

1. Найти среднее значение высоты осадков в Москве за сезон при положительной температуре.

2. Найти среднюю продолжительность дождей.

3. Найти среднюю площадь жилого здания.

4. Вычислить массу воды, попадающую в водосток во время дождя.

По итогу вычислений средняя масса воды, проходящая через водосток за ед. времени, оказалась равна 0,078 кг/с.

С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics автор рассчитал оптимальные геометрические параметры водосточной трубы так, чтобы при средней интенсивности дождя цилиндрическая область после сужения была заполнена водой. При этом выходное давление должно ~ в 2 раза превышать атмосферное.

Далее автором был выполнен расчёт мощности потока воды и КПД выходной установки.

Для экспериментального подтверждения численных данных автором был создан макет модели методами 3D-печати. При создании трёхмерной модели была сделана выгрузка STL-файла с геометрическими характеристиками из среды COMSOL Multiphysics. После чего элемент (соединительная втулка в области сужения труб) был напечатан по технологии 3D-печати и использован в прототипе.

Результаты работы/выводы

По итогу работы были проведены все необходимые численные расчёты и собран прототип макета, а также установка по экспериментальному определению КПД системы.

По предварительным расчётам, выходная мощность подобной установки позволит питать светодиодную лампу мощностью 5 Вт (например, в подъезде) при дожде средней интенсивности в Москве.

Перспективы использования результатов работы

Ближайшие перспективы по развитию проекта:

1. Разработать крыльчатку нового образца для максимальной эффективности работы электрогенератора.

2. Подобрать редуктор для электрогенератора.

3. Построить экспериментальные зависимости выходных напряжения и силы тока на клеммах генератора от количества и скорости поступающей в трубу воды.

4. Сравнить эти данные с численными расчётами.

5. Подключить к системе аккумуляторную батарею.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет.

Рецензия сотрудника Института гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии Национального исследовательского университета «МЭИ».

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Победа на школьной научно-практической конференции «Шаг в будущее»;

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Реализация данной идеи была возможна благодаря поддержке и информационной базе проекта «Инженерный класс в московской школе». А конференция «Инженеры будущего» позволила создать конкурентную среду, объединить единомышленников и оценить способы воплощения и представления новых идей»