На территории Саткинского района Челябинской области находится уникальный памятник промышленной архитектуры — комплекс бывшего завода «Пороги». В начале XX столетия это предприятие стало первым в области отечественного производства ферросплавов — добавок, кардинально улучшающих свойства стали. Наиболее технологичным методом получения ферросплавов является электротермия, требующая больших объемов электроэнергии. Обеспечить завод дешевым электричеством в то время было возможно благодаря использованию энергии падающей воды. Для этого необходимо было выбрать такое место, чтобы и месторождение кварцита, исходного сырья для получения ферросилиция, и ферросплавный завод, и гидроэлектростанция находились рядом друг с другом.

С этой задачей отлично справился русский горный инженер Александр Филиппович Шуппе. Для строительства гидроэлектростанции и ферросплавного завода он выбрал самое узкое место долины реки Большая Сатка, зажатой между двумя хребтами Уары и Чулковский. Добывать кварцит предполагалась на этом же Чулковском хребте.

Мне стало интересно, почему для строительства завода «Пороги» и гидроэлектростанции было выбрано именно это место, и какая идея лежала в основе такого инженерного решения.

При изучении данной темы я решил создать действующую модель гидроэлектростанции и самому увидеть, как энергия падающей воды превращается в электричество.

Прежде чем приступить к изготовлению модели, я ознакомился с принципами работы ГЭС.

Гидроэлектростанции (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая водный поток. На реке строится плотина, которая создает водохранилище; вода по трубам подается сверху вниз с сильным напором; внизу вода попадает на лопасти колеса турбины и вращает ее с большой скоростью; турбина соединена валом (осью) с генератором, который вырабатывает электроэнергию; она идет по проводам и попадает потребителю.

Полученные знания позволили мне нарисовать чертеж моей будущей модели (рис.1).

Рис. 1. Чертеж будущей модели

На первом этапе работы над проектом я подобрал весь необходимый материал: фанеру для изготовления основания, колесо турбины, генератор постоянного тока, соединительные провода, алюминиевые ложки, пробки, светодиодную лампу (4–12 В) и декоративные элементы (макетов домов).

Для изготовления модели я использовал легко вращающееся готовое колесо, на котором закрепил лопасти и электрические компоненты (генератор, провода, лампочка). Восемь лопастей я прикрепил к колесу с помощью двух винтов, гаек и больших шайб, распределил их по ободу на одинаковом расстоянии (в этом мне помог подсчёт количества спиц между лопастями) и выровнял по центру. Колесо вращается на подшипниках. Вращение передается через вал, который ременной передачей (в нашей модели леска) связан с генератором (рис. 2).

Рис. 2. Сборка механической части модели

Электрическая часть настольной гидроэлектростанции состоит из генератора, соединительных проводов и светодиодной лампочки. Турбина преобразует механическую энергию воды в энергию вращающегося вала. В модели рабочее колесо турбины взаимодействует с водным потоком, приводится во вращение и вращает вал, на который оно насажено. Основной деталью электрической части является генератор, который вырабатывает электроэнергию. Генератор через выводы с помощью проводов я подключил к лампе для демонстрации выработки тока (рис. 3).

Рис. 3. Монтаж электрической части модели

Испытание модели проходило в школе, над емкостью с использованием душа, который позволяет придать потоку воды нужное направление. При подаче воды на лопатки колеса наблюдалось устойчивое свечение лампы, что доказывает работоспособность модели. Были также сделаны контрольные замеры выходного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Испытание модели

За время работы над проектом я получил практический навык работы с пилой, дрелью, отверткой, шлифовальным бруском и мультиметром. Создание модели научило меня составлять чертежи, подбирать необходимые материалы и компоненты, планировать работу, применять знания, производить расчеты. С помощью настольной ГЭС можно показать, как через турбину и генератор энергия воды преобразуется в электрическую энергию, поэтому нашу модель можно использовать в качестве наглядного пособия на уроках физики, географии, экологии (рис. 5).

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что решение А. Ф. Шуппе построить гидроэлектростанцию в труднодоступном, но стратегически верном месте было блестящим примером инженерной мысли. Это позволило соединить в одной точке сырьевую базу (хромиты, кварциты), энергоресурс (река) и производство (завод). Созданная нами модель наглядно демонстрирует, как энергия воды может быть преобразована в электрическую энергию.

Рис. 5. Настольная ГЭС для демонстрации преобразования механической энергии в электрическую

Литература:

1. Генденштейн Л. Э. Физика 7 класс Учебник Ч.2 — М.: Просвещение, 2024. 128 с.
2. Максименко М. О. К вопросу о производстве феррохрома на Урале // Минеральное сырье. — 1926. — № 2.
3. Челябинская область: энциклопедия / гл. ред. К. Н. Бочкарев. — Челябинск, 2008. — Т. 5.