XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Дом, который заботится о тебе
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы
Интересно, что строительство экологичных домов давно занимает умы инженеров-строителей. Этот процесс является ответом на ухудшение экологической ситуации и на прогнозирование энергетического кризиса. Как построить дом, который не нанесет вреда природе и в тоже время будет комфортным для жилья?
Цель проектной работы:
Спроектировать и построить экологичный дом из деталей Lego.
Задачи проектной работы:
Узнать, что такое экологичность и экологичный дом;
Изучить примеры современных экологичных домов;
Создать Lego-модель экологичного здания, опираясь на полученные знания
Использовать в Lego-моделе механизмы для демонстрации принципов работы экологичного дома.
Для изучения темы мы посмотрели фильм «Необычные здания мира. Фильм 3» [4], где увидели существующие экспериментальные варианты экологичных домов.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты, ссылки в списке используемой литературы.
При создании Lego-модели мы обращались за вдохновением к книге «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [2]. При конструировании движимых частей проекта нам помогли наши знания, полученные при прохождении курса «Мир науки» в нашей школе «Galileo» [1].
Глава 1. Что такое экологичность и экологичный дом
Экологичность
Экология – это забота о целостности взаимосвязей между существом и окружающей средой. Экологичность – это бережное и трепетное отношение к окружающей природе. Экологичны действия те, которые не вызовут последствий, о которых будут жалеть окружающие или сам человек.
Экологичный дом – современное жилище, оборудованное энергоэффективными системами обеспечения и устройствами для регенерации отходов, которые работают в автономном режиме [6].
Материалы для строительства экологичного дома
Современные экологичные дома представляют собой жилые здания, при проектировании и строительстве которых были полностью соблюдены требования экологической безопасности (Приложение. Рисунок 1).
Дома и другие объекты, построенные в соответствии с нормами экологической безопасности, должны быть полностью безвредны для природы, людей и экологии. Кроме того, должны быть предусмотрены возможности восполнения природных ресурсов для будущих поколений.
Чтобы построить экологичный дом необходимо учитывать следующие факторы:
В процессе строительства нужно использовать материалы и конструкции с низкой теплопроводностью (это предотвратит ускоренный теплообмен с окружающей средой);
При проектировании приточно-вытяжной вентиляции нужно предусмотреть установку рекуператоров, подогревающих воздух, поступающий с улицы, за счет вытягиваемых воздушных потоков;
Важно предусмотреть применение природной энергии (ветра, солнца, термальных источников и д. р.) для подогрева воды и отопления.
Обеспечение дома чистой электрической энергией
Возобновляемая энергетика позволяет получать энергию из экологически чистых, неисчерпаемых источников. Их использование не приводит к накоплению вредных загрязнений, способствующих глобальному потеплению. Покуда у нас есть солнечный свет, ветер и вода, у нас будет доступ и к мощной энергии, заключенной в этих источниках. Чистая энергия солнца, ветра и воды — фундамент энергетики будущего, энергетики, основанной на «нулевых выбросах.
Энергия ветра
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Строительство оффшорных ветровых установок — то есть, ветровых турбин, расположенных в море или океане, — дает особые преимущества. Во-первых, ветры, дующие над морем или океаном, отличаются большей силой и постоянством, во-вторых сами широкие морские просторы позволяют использовать энергию ветра более эффективно, чем на суше — ведь не менее 70% земной поверхности покрыто морями (Приложение. Рисунок 2).
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична.
Солнечная энергия
Солнечные батареи — технология, действительно способная помочь справиться с глобальным климатическим кризисом, — в ходу уже несколько десятилетий. Солнечные батареи на основе кремниевых пластин давно применяются для получения электроэнергии в небольших масштабах. Главная причина растущей популярности солнечных установок в том, что с каждым годом производство солнечных элементов становится все дешевле, а технологии — все более совершенными (Приложение. Рисунок 3).
Использовать энергию солнечных лучей можно не только посредством солнечных батарей или солнечных тепловых установок, но и с помощью технологии концентрированной солнечной энергии. Многие считают эту технологию самой перспективной разработкой в области преобразования мощного излучения солнца в пригодную для нужд человека энергию.
В 2006 г. на равнинных просторах под испанским городом Севильей была возведена 115-метровая бетонная башня — первая коммерческая солнечная электростанция в Европе. На земле вокруг солнечной вышки установлены 624 движущихся зеркала, которые улавливают и отражают солнечные лучи, направляя их к центральному коллектору в верхушке башни. Собираемый в коллекторе поток солнечного света используется для выработки пара, который приводит в движение турбины, соединенные с электрогенераторами. Получаемый пар можно накапливать для бесперебойного производства электроэнергии даже после заката солнца. Таким образом решается одна из основных проблем гелиоэнергетики — как обеспечить непрерывное производство энергии при недостаточном доступе к солнечному свету. Ожидается, что к 2013 г. солнечные электростанции башенного типа будут вырабатывать достаточно энергии для снабжения электричеством 180 тыс. домов — всего населения Севильи, а снижение выбросов углекислого газа составит в результате 600 тыс. тонн ежегодно.
Другая весьма многообещающая технология концентрированной солнечной энергии — параболические концентраторы, отражатели, имеющие форму спутниковой тарелки. «Тарельчатые» зеркала-гелиостаты поворачиваются вслед за солнцем, фокусируя энергию солнечного излучения на приемники в центральной части отражателей, где она абсорбируется материалом, способным поглощать тепловую энергию. Для улавливания и преобразования солнечной энергии можно использовать сразу несколько таких зеркал — целый «солнечный парк» [5].
Электромобиль
Электромобиль - ЭТО автомобиль, у которого для привода ведущих колес используется электрическая энергия, получаемая от химического источника тока (Приложение. Рисунок 4).
Интересна и история создания электромобиля. Прообразом можно считать тележку, которая приводилась в движение электроэнергией. Ее создал изобретатель из Венгрии Аньос Джедлик.
Появление первой машины с электро мотором произошло 1830х - 1840х гг., то есть раньше чем машины с ДВС (двигателем внутреннего сгорания). Официальной точкой отсчёта истории электромобиля считается 1837 год. Именно тогда шотландский учёный Роберт Дэвидсон представил миру свой первый электромобиль, в котором могли ехать два человека и он работал на одноразовой батареи.
Еще одним важным этапом в развитии был 1884 г. В этот период был изобретентранспорт, который работал от перезаряжаемой батареи. Дальше было усовершенствование технических характеристик электромобиля : способность двигаться без подзарядки около 60 км, развитие скорости до 40 км /ч и возможность перевозить до 17 пассажиров.
Работа над совершенствованием электромобиля происходит по сегодняшний день. Одни из интереснейших фактов: Китай к 2022 году планирует перейти полностью на машины с электродвигателями. Что однозначно повлияет положительно на экологию [3].
Глава 2. Создание Lego-модели экологичного дома
Для создания модели из конструктора мы задумались, кто что будет строить.
Распределив зачади, мы подготовили дома с родителями доклады, которые составили теоретическую часть настоящей работы. Найденные нами изображения мы взяли за образец для постройки.
Рома взялся за постройку дома, а Ваня – за постройку электромобиля. В процессе работы добавился гараж-лаборатория и еще один электромобиль.
2.1Дом
Для дома были подобрали детали с символами «переработка материалов» (Приложение. Рисунок 10). Дом имеет прямоугольную форму, крыша отсутствует для удобства демонстрации и игры. Свет проникает в дом сквозь двойные широкие панорамные окна (Приложение. Рисунок 13).
На крыше дома расположен фонарь с четырьмя лампочками разных цветов. Фонарь имеет возможность вращаться благодаря поворотному механизму. Когда фонарь вращается, то цвета смешиваются и получается радужный свет (Приложение. Рисунок 5).
В доме есть спортивный зал (гантели, штанга). Еще есть ящик с инструментами, ведь тут живут ребята, которые любят изобретать. Есть компьютер, в котором можно найти нужную информацию для нового изобретения. И есть фотоаппарат, чтобы запечатлеть процесс и результат работы (Приложение. Рисунок 11 и 12).
Важную часть в здании занимает озеленение, чтобы создать атмосферу природы (Приложение. Рисунок 13).
2.2 Гараж-лаборатория
Для изобретательства и творчества необходимо рабочее пространство, где будут все необходимые инструменты. Так появилась лаборатория, первый этаж которой занимают электромобили. Вместо обычных дверей, тут для удобства использованы ролл-ворота (Приложение. Рисунок 5 и 9).
2.3 Электромобили
Автомобили претерпели больше всех изменений, было много вариантов и итоговый вариант уже далеко похож на вдохновивший нас автомобиль (Приложение. Рисунок 4). Но так как мы фантазируем о будущем, то можем создать совершенно новые свои модели (Приложение. Рисунок 5 и 9).
2.4 Ветрогенератор и солнечная панель
Электрической энергией, чистой, нас обеспечивают ветрогенератор и солнечная панель. Энергии наш дом получает достаточно для отопления, освещения, для работы бытовых приборов, компьютера, лаборатории и электромобилей. И даже хватает получаемой электрической энергии для того, чтобы поделиться с другими домами.
Солнечная панель установлена на высокой подставке (выше дома, чтобы тень от дома не загораживала свет) и имеет возможность поворачиваться, как настоящий подсолнух, к солнцу. Так мы можем получить больше электрической энергии (Приложение. Рисунок 5).
Ветрогенератор, установлен над гаражом-лабораторией на достаточной высоте, чтобы улавливать поток ветра. Для того, чтобы показать вращение лопастей как при настоящем потоке ветра, мы применили мотор и повышающую зубчатую передачу. Мотор работает от аккумуляторного блока (Приложение. Рисунок 6 и 7).
Заключение
В процессе нашей работы мы узнали, как строят современные экологичные дома. Какие есть способы сделать дома безвредными для природы. Как получить чистую электрическую энергию с помощью альтернативных источников.
Автомобиль может быть тоже экологичным и не использовать бензин или газ.
Нашу работу мы представили нашим родителям и друзьям из другой команды, участвующей в конкурсе. В дальнейшем наша работа может быть улучшена и использована для игр.
Список используемой литературы:
Курс «Мир науки», Школа юных гениев «Galileo», - Режим доступа - http://lp.galileokrasnodar.ru;
LEGOКнига идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Щетина В А. Морговский Ю.Я. и др. Электромобиль. Техника и экономика. 1987 г.
Интернет источники:
Фильм “Необычные здания мира. Фильм 3» - Режим доступа - https://www.youtube.com/watch?v=b72274YRvjs
Чистая энергия - Режим доступа - https://bellona.ru/2009/12/11/101-reshenie-bezgranichnaya-chistaya-energiya/
Экологичный дом – Режим доступа - https://www.stroy-kotedj.ru/blog/ekologichnyy-dom/
Приложение
Рисунок 1. Пример экологичного дома
Рисунок 2. Примеры ветрогенераторов
Рисунок 3. Пример солнечной панели
Рисунок 4. Электромобиль
Рисунок 5. Дом, который заботится о тебе
Рисунок 6 и 7. Установка ветрогенератора на гараж-лабораторию
Рисунок 8. Разработка и тестирование электромобиля
Рисунок 9. Электромобили
Рисунок 10. Приглашаем в дом
Рисунок 12. Тренировка с гантелями
Рисунок 11.
Рисунок 13. Широкие панорамные окна (фотографируем, как нас фотографируют)