Создание и исследование модели системы для преобразования энергии водных потоков в электрическую энергию

Магистерская диссертация посвящена разработке и исследованию системы для преобразования энергии водных потоков в электрическую энергию. В процессе исследования водных потоков рек Томской области была разработана модель “Мини-ГЭС”. В работе разработан список комплектующих установки. Разработанная модель позволит отдыхающим пользоваться условиями цивилизации в дали от населённых пунктов. В процессе исследования установки была разработан механизм регулировки натяжения тросов якорей, учитывающий поверхность дна, также в результате исследование было выявлена – большая парусность установки, что привело к модернизации, разработанной конструкции. Проведён финансовый расчёт бюджета исследования разработанной конструкции. Выявлены опасные и вредные факторы при производстве и эксплуатации установки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ……………………………………………………………………….. 2
ЗАДАНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 4
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» …………………….. 6
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» ……….. 7
Реферат ……………………………………………………………………………………………………… 9
Нормативные ссылки ……………………………………………………………………………….. 10
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1. Объект и методы исследования …………………………………………………………… 16
1.1 Цели проводимой работы …………………………………………………………………. 16
1.2 Обоснование для разработки ……………………………………………………………. 16
1.3 Основное содержание работы…………………………………………………………… 16
1.4 Методы исследования………………………………………………………………………. 16
1.5 Источники разработки ……………………………………………………………………… 17
1.6 Задачи ……………………………………………………………………………………………… 17
2. Экономическая целесообразность……………………………………………………….. 18
2.1 Определение необходимых параметров для исследования рек ………….. 18
2.2 Определение мощности и времени использования энергии
потребителями ………………………………………………………………………………………. 20
3. Литературный обзор …………………………………………………………………………… 23
3.1 Бензиновые генераторы ……………………………………………………………………. 23
3.1.1 Устройство и принцип функционирования бензиновых генераторов
…………………………………………………………………………………………………………… 23
3.1.1 Основные характеристики БГУ: ………………………………………………….. 24
3.2 Газовые генераторы …………………………………………………………………………. 24
3.2.1 Преимущества газогенераторных устройств ……………………………….. 25
3.2.2 Недостатки газогенерирующих установок ………………………………….. 25
3.3 Дизельный генератор ……………………………………………………………………….. 26
3.3.1 Второстепенные особенности ДГУ……………………………………………… 27
3.3.2 Недостатки дизельных генераторов …………………………………………. 27
3.4 Сварочный генератор ………………………………………………………………………. 28
3.4.1 Устройство сварочного генератора ……………………………………………… 28
3.4.2 Основные элементы сварочного генератора: ……………………………….. 29
3.5 Хвостовой генератор ……………………………………………………………………….. 29
3.6 Мини-ГЭС Turbulent ………………………………………………………………………… 31
3.7 Самодельная мини-ГЭС «Гравицапа» ………………………………………………. 32
3.8 Мини-ГЭС «Ротор» ………………………………………………………………………….. 32
4. Расчеты и аналитика …………………………………………………………………………… 34
4.1 Составные части мини-ГЭС ……………………………………………………………… 34
4.2 Турбина …………………………………………………………………………………………… 34
5. Моделирование установки ………………………………………………………………….. 42
6. Математическая модель мини-ГЭС …………………………………………………….. 54
Принципиальная схема ………………………………………………………………………….. 54
Математическая модель установки ………………………………………………………… 56
Вывод……………………………………………………………………………………………………. 62
7. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………. 63
Введение……………………………………………………………………………………………….. 63
7.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ……………………………………………………………………………….. 63
7.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………… 63
7.1.2 Анализ конкурентных технических решений ………………………………. 64
7.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………….. 68
7.2 Планирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских
работ …………………………………………………………………………………………………….. 73
7.2.1 Структура предполагаемых работ в рамках НИОКР ……………………. 73
7.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………. 74
7.3 Бюджет опытно-конструкторских работ …………………………………………… 78
7.3.1 Материальные затраты ……………………………………………………………….. 78
7.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ ………………………………………………………………… 80
7.3.3 Основная заработная плата …………………………………………………………. 81
7.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ……………….. 82
7.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ……. 82
7.3.6 Формирование бюджета затрат ОКР …………………………………………… 83
7.4 Анализ и оценка научно-технического уровня исследования ……………. 84
Вывод……………………………………………………………………………………………………. 87
8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………………………… 88
Введение……………………………………………………………………………………………….. 88
8.1 Анализ выявленных вредных факторов при производстве и
эксплуатации установки ………………………………………………………………………… 88
8.1.1 Повышенный уровень шума ……………………………………………………….. 88
8.1.2 Повышенный уровень вибрации …………………………………………………. 89
8.1.3 Электромагнитное излучение ……………………………………………………… 90
8.1.4 Освещённость …………………………………………………………………………….. 91
8.1.4.1 Расчёт освещения в цехе по производству мини-ГЭС ……………. 92
8.1.5 Микроклимат ……………………………………………………………………………… 94
8.2 Анализ выявленных опасных факторов производственной среды……… 94
8.2.1 Подвижные части оборудования …………………………………………………. 94
8.2.2 Электрический ток ……………………………………………………………………… 96
8.3 Экологическая безопасность…………………………………………………………….. 97
8.4 Защита в чрезвычайных ситуациях …………………………………………………… 97
Вывод……………………………………………………………………………………………………. 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 100
Список литературы ………………………………………………………………………………… 102
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 107
Приложение Б ………………………………………………………………………………………… 114
Приложение В………………………………………………………………………………………… 114
Приложение Г ………………………………………………………………………………………… 116
Приложение Д………………………………………………………………………………………… 116
Приложение Е ………………………………………………………………………………………… 118
Приложение Ж ……………………………………………………………………………………….. 119
Приложение И ……………………………………………………………………………………….. 120
Приложение К…………………………………………………………………………………….. 12223
Приложение Л………………………………………………………………………………………. 1224
Приложение М ……………………………………………………………………………………… 1225

В ходе выполнения магистерской диссертации были систематизированы
и закреплены знания в сфере профессиональной деятельности. Основная цель
проекта достигалась путем последовательного решения поставленных задач.
В данной работе проделаны следующие этапы:
1. Проведен обзор современных автономных источников энергии, и про-
анализированы их конструкции.
2. Проведено исследование динамики математической модели установки,
исследовано влияние колебаний колеса на вырабатываемую энергию,
выявлено, что появление сторонних колебаний на генераторе снижает
КПД выработки электроэнергии.
3. Создана 3D-модель установки мини-ГЭС.
4. В рамках главы финансовой и ресурсной эффективности были рассчи-
таны затраты на реализацию проекта и его конкурентоспособность, в ре-
зультате которой данный продукт можно назвать конкурентоспособ-
ным.
5. В главе по социальной ответственности были рассмотрены опасные и
вредные факторы при производстве и эксплуатации, а также произведён
расчет освещения в цехе производства установки. Рассмотрены вари-
анты утилизации отработанного устройства.
В работе представлена конструкция мини-ГЭС, которая отвечает пара-
метрам рек Томской области. Установка вырабатывает 200 Вт в час, что явля-
ется приемлемым при использовании в длительных турах. Если лагерь разбит
на берегу реки. Также для увеличения мощности вырабатываемой установка
энергии можно поставить несколько таких установок.
Конструкция мини-ГЭС является разборной. Что позволяет транспорти-
ровать в багажнике или в прицепе автомобиля. В собранном состоянии уста-
новка занимает место 855х855х785 мм. В разобранном состоянии установка
занимает 1500х2000 мм.
В результате исследований установки на воде обнаружена высокая па-
русность в осевом направлении колеса. Для избегания сноса ветром установки
предусмотрено 3 якоря, которые надёжно крепят за дно.
Для более точной ориентации установки поп потоку предусмотрена ка-
тушка и верёвкой. В результате вращения которой будет происходить коррек-
тировка длины якорей.
В комплектацию входит бухта, с кабелем (длину кабеля может варьиро-
ваться) которая позволит устанавливать конструкцию мини-ГЭС на опреде-
лённом расстоянии от берега.
Разработанная мини-ГЭС является конечным продуктом, который мо-
жет составить конкуренцию на рынке в соответствующем сегменте.

1. https://water-rf.ru Вода России. Дата обращения 08.02.2020.
2. https://voshod-solnca.ru/sun/ Время восхода и захода солнца в г. Томск.
Дата обращения 09.02.2020.
3. https://top-generators.ru/articles/ Генераторы для Дома и бизнеса. Дата Об-
ращения 13.02.2020.
4. https://building-tech.org/turbina-novogo-pokoleniya-ne-vliyaet-na-
estestvennyj-potok-reki/ BuildingTECH. Дата обращения 13.02.2020.
5. https://building-tech.org/kompaktnaya-mini-ges-rotor-smozhet-obespechit-
elektroenergiej-nebolshoe-selo/BuildingTECH.Датаобращения
13.02.2020.
6. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ: Исследование динамики источ-
ника электрической энергии из потока жидкости преобразователя воз-
вратно – вращательного движения. Иванов С.Е. Гаврилин А.Н. Томск
2017 г. 136 с.
7. Статья. Альтернативная энергия водных ресурсов. Волегов Н.И.
Крауиньш Д.П. Томск 2018г.
8. http://rosinmn.ru/index.htmlМалаяэнергетика.Датаобращения
17.02.2020.
9. https://rosinmn.ru/ELEKTRO_ALTERNATOR_WINDEC_VGBE_02.htm –
Малая энергетика. Дата обращения 22.02.2020.
10.http://www.eprussia.ru/epr/235/l 5659.htm Энергетика и промышленность
России. Дата обращения 11.04.2020.
11.http://www.findpatent.ru/patent/254/2549006.html Патентный фонд. Дата
обращения 11.04.2020
12.Пановко Я.Г. Г116 Основы прикладной теории колебаний и удара Изд.
3-е, доп. и переработ. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976,
320 с.
13.Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. / В. Н, Челомей и др. – М.: Ма-
шиностроение, 1979-Т. 4. Колебания нелинейных механических систем.
/ Под ред. И: И: Блехмана. 1979. 351 с.
14.Вибрации в технике: Справочник. В 6 т.: / Гл. ред. В, Н. Челомей. -М.:
Машиностроение, 1978-Т. 3. Колебания машин, конструкций и их эле-
ментов. 544 с.
15.Томь // Словарь современных географических названий / Рус, геогр, о-
во. Моек, центр; Под общ. ред, акад. В, М, Котлякова. Институт геогра-
фии РАН. — Екатеринбург: У-Фактория, 2006.
16.Безопасность жизнедеятельности. Расчёт искусственного освещения.
Методические указания к выполнению индивидуальных заданий для
студентов дневного и заочного обучения всех специальностей. – Томск:
Изд. ТПУ, 2005. –
17.Техэксперт. ГОСТ 12.1.003-2014 Система стандартов безопасности
труда(ССБТ).Шум.Общиетребованиябезопасности.
http://docs.cntd.ru/document/1200118606. Дата обращения 04.04.2020.
18.Техэксперт. ГОСТ 12.4.026-2015 Система стандартов безопасности
труда (ССБТ). Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сиг-
нальная. Назначение и правила применения. Общие технические требо-
вания и характеристики. http://docs.cntd.ru/document/1200136061. Дата
обращения 04.04.2020.
19.Техэксперт. ГОСТ 12.1.012-2004 Система стандартов безопасности
труда (ССБТ). Вибрационная безопасность. Общие требования.
http://docs.cntd.ru/document/1200059881. Дата обращения 04.04.2020.
20.Техэксперт. ГОСТ 12.4.299-2015. Система стандартов безопасности
труда. Cредства индивидуальной защиты органов дыхания. Рекоменда-
цииповыбору,применениюитехническомуобслуживанию.
http://docs.cntd.ru/document/1200121959. Дата обращения 04.04.2020.
21.Техэксперт. ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Оборудование производственное. Общие требования безопас-
ностиhttp://docs.cntd.ru/document/901702428.Датаобращения
04.04.2020.
22.Техэксперт. ГОСТ 12.2.062-81 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Оборудование производственное. Ограждения защитные.
http://docs.cntd.ru/document/9051598. Дата обращения 04.04.2020.
23.Техэксперт. ГОСТ Р 22.0.02-2016 Безопасность в чрезвычайных ситуа-
циях. Термины и определения. http://docs.cntd.ru/document/1200139176.
Дата обращения 04.04.2020.
24.Техэксперт. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к миникли-
матупроизводственныхпомещений.
http://docs.cntd.ru/document/901704046. Дата обращения 04.04.2020.
25.Техэксперт. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 Гигиенические требования к пер-
сональным электронно-вычислительным машинам и организации ра-
боты.http://docs.cntd.ru/document/901865498.Датаобращения
04.04.2020.
26.Техэксперт. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 Гигиенические требования к
естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и
общественных зданий. http://docs.cntd.ru/document/901859404. Дата об-
ращения 04.04.2020.
27.Техэксперт. СанПиН 2.2.4.3359-16 Санитарно-эпидемиологические тре-
бованиякфизическимфакторамнарабочихместах.
http://docs.cntd.ru/document/420362948. Дата обращения 04.04.2020.
28.Абрамов А. И., Иванов-Смоленский А. В. Проект тирование гидрогене-
раторов и синхронных компенсаторов. М.: Высшая школа, 1978.
29.Волшаник В. В., Зубарев В. В., Франкфурт М. О. Использование энергии
ветра, океанских волн и течений. В кн.: Итоги науки и техники. Сер. Не-
традиционные и возобновляемые источники энергии. Т. I. М.: ВИНИТИ,
1983.
30.[Электронный ресурс] URL: https://studopedia.org/9-46777.html Дата об-
ращения 20.04.2020.
31.Патент РФ RU 83545 U1, 10.06.2009. RU 23652 U1, 27.06.2002. RU
2020241 C1, 30.09.1994. RU 2183899 C2, 20.06.2002. GB 2131490 A,
20.06.1984.
32.Патент РФ Заявка: 2009124287/03, 26.06.2009 E02B9/00 Гидроэлектро-
станции; их планировка, конструкция или оборудование; способы и
устройства для их возведения.
33.Патент РФ 2059104 27.04.1996 Способ эксплуатации малой гэс.
34.Патент РФ 2395001 24.04.2008 г. ГЭС на спиральном потоке воды.
35.[Электронный ресурс] URL: http://www.engb.com/. Дата обращения
20.04.2020.
36.[Электронный ресурс] URL: http://www.biopowersystems.com/. Дата об-
ращения 20.04.2020.
37.Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов СССР/
Под ред. П. С. Непорожнего. — 2 — е изд., перераб. и дополи. М.: Энер-
гоиздат, 1982.
38.Гидроэнергетические установки/ Под ред. Д. С. Щавелева. Л.: Энергоиз-
дат, 1981.
39.Комаров А.А., Кудинов А.А., Зинченко В.И. Конструкция и эксплуата-
ция воздушных судов. – М: “Транспорт”, 1986.
40.Житомирський Г.И. Конструкция самолетов. М.: Машиностроение,
1992.
41.Елаховский С Б. Гидроэлектростанции в водноэнергетических систе-
мах. М.: Энергия, 1979.
42.Использование водной энергии/ Под ред. Д. С. Щавелева. Л.: Энергия,
1976.
43.Карелин В. Я., Волшаник В. В. Сооружения и оборудование малых гид-
роэлектростанций. М.: Энергоатомиздат, 1986.
44.Пановко Я.Г. ГІ16 Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд.
З-е, доп. и переработ. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976.
320 с.
45.Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. / В. Н. Челомей и др. – М.: Ма-
шиностроение, 1979–Т. 4. Колебания нелинейных механических си-
стем. / Под ред. И: И: Блехмана. 1979. 351 с.
46.Горфинкель В.Я., проф. Швандар В.А. Экономика предприятия: Учеб-
ник для вузов — 4-е изд.,перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. –
47.Рахимов Т.Р. Финансовый менеджмент: Учебное пособие. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2012. – 264 с.
48.Конотопский В.Ю. Методические указания к выполнению раздела
«Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбереже-
ние» магистерских диссертаций для всех специальностей ИК/ сост.
В.Ю. Конотопский Томск. Издательство ТПУ, 2015г.
49.Охрана труда. Основы безопасности жизнедеятельности //
www.Grandars.ru.URL:http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnostzhiznede
yatelnosti/ohrana-truda.html. Дата обращения 20.04.2020.
50.Попов В.М. Психология безопасности профессиональной деятельно-
сти: учебное пособие / В. М. Попов; Изд-во Новосибирского государ-
ственного технического университета, 1996 г. – 155 с.