XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Помощница тундровички
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Технические предпосылки создания устройства для механизации домашних работ на удаленных территориях.
Использовать энергию потока воды в реке в своих целях человек пытался с древних времен. Но реализовать эту возможность, не нарушая экологию человек, не мог потому, что не было достаточных технических возможностей. Раньше для использования энергии воды приходилось возводить плотины, отводить рукава рек, создавать искусственные водопады и водохранилища. Все это проводило к прямому нарушению экосистемы водных ресурсов.
В предложенном проекте сделана попытка доказать, что при современных технических и технологических возможностях, вполне реально можно использовать энергию течения реки, не вмешиваясь в ландшафт местности. Это позволит в некоторой мере решить проблему занятости в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока в поселках расположенных по берегам рек, снизить потребление дорогостоящего топлива и выбросы углекислого газа.
Созданием альтернативных источников энергии мы занимаемся давно. Еще 2010 году была создана и испытана действующая модель плавающей ГЭС. Эта конструкция стала базовой, на платформе которой было создано 8 проектов разной по конструкциям, применению и мощности плавающим гидрогенераторам и гидроэнергокомплексам 2,3,4,5,6
Фото 1. Действующая модель плавающей ГЭС.
Но все эти гидромашины требуют значительной скорости водного потока от 5 м/сек. и выше. Но такой скорости невозможно достичь в малых речках и ручьях на территории Гыданского полуострова. Поэтому мы решили пойти другим путем. Не делать устройства для генерации электроэнергии, а спроектировать плавающую платформу для создания механической энергии и передачи ее на механизмы бытового назначения: стиральные машины, мясорубки, миксеры и тому подобное.
Актуальность и социальная значимость проекта.
Тундровики кочуют на расстоянии до 500 км от поселков. В летнее время нет возможности доставки топлива (бензина) для электрогенераторов в удаленные стойбища.
Женщины все время вручную ведут домашнее хозяйство: готовят, стирают, заготавливают ягоду, сушат и консервируют дикоросы, обрабатывают кожу оленя, шьют одежду и обувь.
У нас возникла идея создать удобное, легко-транспортабельное устройство, позволяющее использовать энергию течения воды в ручьях и речушках для механизации различных работ в домашнем хозяйстве тундрового кочующего населения.
Анализ потенциала возобновляемой энергии.
Строить крупные энергостанции на малонаселенных территориях не имеет смысла. Нет потребителей. Имеющиеся у коренного населения бензиновые генераторы становятся летом бесполезными, из-за отсутствия топлива на очень удаленных территориях. Тундровики кочуют на дальние пастбища летом, которое часто бывает жарким и безветренным. Переносные ветростанции могут оказаться бесполезными. Солнечные батареи летом работают хорошо. Но с уменьшением полярного дня и с наступлением заморозков (возможно в августе) их эффективность падает. Есть и другие неудобства эксплуатации солнечных батарей. Остается малая гидроэнергетика. Ручьи у нас текут в любом месте даже в самое жаркое и засушливое лето. Пополнению воды способствует таяние вечной мерзлоты. Поэтому, мы считаем, что малой гидроэнергетикой большое будущее. Остается предложить удобные, легко транспортабельные, гидроэнергитические устройства в собственной упаковке, с небольшим весом и безотказной работоспособностью. Речь идет пока обустройствах малой мощности 200-300 Ватт, достаточных для механического подключения бытовых стиральных машин, миксеров, мясорубок и других устройств домашнего обихода.
Исходя из этого, основной идеей нашего технического проекта становится проектирование, изготовление и испытание легкого и удобного гидромеханического устройства, отвечающего требованиям кочевого образа жизни, которую мы назвали помощницей тундровички.
Что должна представлять собой помощница тундровички?
Был проведен специальный социальный опрос среди тундровиков, кочующих по бескрайней тундре Гыданского полуострова. В ходе которого было выяснено:
В среднем от районного центра кочевья удаляются на расстояние 300-350 км.
Основными работами по обустройству быта кочевого населения является:
а) стирка и сушка одежды, белья.
б) готовка пищи;
в) обработка оленьих шкур, шитьё одежды и обуви;
г) сбор и хранение дикорастущих растений;
д) заготовка и хранение вяленого мяса и рыбы.
ж) операции пиления, точения и отделки деревянных и костяных бытовых изделий.
Основная идея проекта заключается в создании такого устройства, которое могло бы максимально снизить долю ручного труда кочевников.
Цель и задачи проекта
Основная цель нашего проекта – создать плавающее легко-транспортабельное удобное в обращении складное гидромеханическое устройство для облегчения домашней работы и обустройства быта.
Задачи:
Спроектировать изготовить и провести натуральные испытания приводного устройства на работоспособность.
Рассчитать примерную мощность устройства.
Дать рекомендации по эксплуатации устройства в отдаленных условиях проживания кочевых народов.
Изготовление плавающей платформы.
Плавающую платформу мы изготовили из легкого строительного утеплителя пенополистирол Экстрол 30.Габаритные размеры плавающей платформы 1450 х 1080 мм
При толщине пенополистирола 50 мм общий объем пенопласта составит:
Vоб. = V1 – V2 = (1,521,080,05) – (0,620,40,05)=0,082-0,012=0,07 м³(т)=70 дм3
При собственном весе в 10 кг, эта платформа способна взять дополнительный груз до 50 кг для переправы хозяйственных грузов на реках Гыданского полуострова.
Фото 2 и 3. Корпус плавающей платформы.
Изготовление рабочего колеса.
Рабочее колесо изготовлено из двух велосипедных колес, закрепленных на строительной шпильке М10. На спицах колеса с помощью вязальной проволоки установлены рабочие лопасти выполненные из легкого и прочного материала «Наноизол Д». Габаритные размеры рабочего колеса 620 х 580 мм.
Фото 4 и 5. Рабочее колесо в сборе.
Расчет номинальной механической мощности.
Номинальная мощность нашего устройства составит:
N ном. = q× S=2 кВт/ м²×0,1 м²=0,2 кВт
где, q- удельная мощность потока воды, кВт/ м² ( удельная мощность q=2 кВт/ м², приходящаяся на 1 м² воспринимающей поверхности); S – площадь воспринимающей поверхности(0,62×0,16), м².
Механической мощности 0,2 кВт вполне достаточно для привода в действия небольшого стирального устройства с активатором стирки, мясорубки, миксера, соковыжималки и ряда других механических устройств домашнего использования.
В случае меньшей скорости течения воды в устройстве предусмотрено увеличение глубины погружения рабочего колеса в воду от 0,16 м до 0,32 м. Это в двое увеличивает мощность гидромеханической установки.
Проектирование и изготовление стирального устройства.
В тундре нет возможности носить за собой отдельные приспособления и устройства. Зачастую она и та же вещь выполняет одновременно несколько функций.
Мы решили, что для стирки небольших вещей достаточно пластмассового ведра емкостью 10 литров. На такое ведро достаточно только установить активатор, приводимый в движение гидромеханической платформой.
Фото 6 и 7.Стиральное приспособление в сборе.
Натуральные испытания гидромеханической платформы.
20 июня 2018 года прошли успешные натуральные испытания гидромеханической плавающей платформы.
Очень важен тот факт, что ее свободно может собрать женщина за 15-20 минут. Мы специально промониторили время сборки тремя участницами экспедиции.
Сборка и испытание гидромеханическогоустройства.
Тест-Драв приводных механизированных бытовых инструментов, устройств и приспособлений в условиях Тазовской тундры.
20 июня 2018 года мы проверили работоспособность подготовленных нами бытовых механизированных устройств: стирающего приспособления и ручной мясорубки. Подобным образом можно будет подключать различные миксеры, измельчители и разрыхлители, устройства для обработки древесины и кости, отделки шкур, и т.п.
Фото 8 и 9. Проверка на работоспособность ручной мясорубки приводимой в действие гидромеханической платформой
Выводы по проектной работе.
В результате, выполненной проектной работы удалось осуществить следующее:
Спроектировать, изготовить и испытать плавающую гидромеханическую платформу мощностью до 200 Ватт, способную приводить в действие различные механические устройства бытового назначения.
Масса гидромеханического плавающего устройства не превышает 10 кг и способно дополнительно загружать домашний груз до 50 кг при форсировании рек.
Гидромеханическое устройство способно приводить в действие массу полезных в кочевых условиях бытовых механизмов, которыми пользуются как женщины, так и мужчины.
При некоторой доработке и сертификации этот проект с дополнительными приспособлениями бытового назначения можно рекомендовать к внедрению в производство для их реализации не только на Ямале, но и повсеместно, где отсутствует электричество и есть движущаяся вода.
Источники и литература
Альтернативные источники энергии. Www.altenerg.ru
Балакаев П.Э. «Проект экологически безопасных гидроэнергетических установок стационарного, погружного и плавающего типа», представленный на Всероссийском конкурсе научно-инновационных проектов компании «Сименс» в России «Чистая планета для нашего будущего» (2008 – 2009гг.)
Дурасов А.А. Плавающий гидроэлекрокомлекс. IX Всероссийская межвузовская конференция молодых исследователей (старшеклассников и студентов) «Образование. Наука. Профессия» Санкт-Петербург 25-28.03.11г. www.mir-edu.ru
Журнал "Физика" № 4 2011 г. стр. 15-18. Плавающий автономный перерабатывающий комплекс. Www.1september.ru
Мощеников А.И. Плавающийгидроэлекрокомлекс для развития северных территорий. Всероссийский детско-юношеский конкурс "Арктика - притягательная загадка" в альманахе «Cеверные просторы» М. 2013 г.
СалиндерЭ.М., Гринберг А. А. «Плавающая мини-ГЭС для оленеводов Ямала» Балтийский научно-инженерный конкурс 2018 год г. Санкт-Петербург 5-8.02.18 https://baltkonkurs.ru/features/po-godam/2019-2/