XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование альтернативных источников энергии для организации теплиц в пригородной зоне города Алматы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования. Одним из приоритетных направлений развития электроэнергетики и решения экологических проблем Казахстана является использования альтернативных источников энергии.
Альтернативные или возобновляемые источники энергии – солнечная энергия, гидроэнергия, энергия ветра, биомасса, геотермальная энергия и др.
Альтернативные источники энергии являются экологически чистыми, не загрязняют атмосферу, не вызывают парникового эффекта и связанных с ним климатических изменений.
Самым значительным из альтернативных источников является солнечная энергия.
Тепловой поток солнечного излучения на нашу планету составляет 1,5х1026 Дж/год. Ежегодное количество солнечной энергии у поверхности Земли превышает в 25 раз, разведанные запасы угля в 3-10 тысяч раз больше ежегодного расходуемой человечеством энергии. [3]
Солнечную энергию можно использовать для получения электроэнергии различными способами: преобразованием ее в тепловую энергию и затем в электрическую (по схеме ТЭС), а также, непосредственно в электрическую при помощи солнечных батарей.
В Казахстане, особенно в южных и юго-западных регионах, есть все условия для использования солнечной энергии. Среднегодовая продолжительность солнечного сияния в РК достигает 2200-3000 часов, а годовой уровень солнечной радиации составляет 1300-1800 Ватт/м2. [4]
Если на севере нашей страны суммарная солнечная радиация равна 4200 МДж/м2 (100 ккал/см2 42 МДж/м2=4200 МДж/м2), то на юге Казахстана - 5880-6510 МДж/м2.
Энергию, получаемая от альтернативных источников, можно использовать и в сельском хозяйстве: на животных фермах, в теплицах. Мы считаем целесообразным использование солнечной энергии для организации теплиц в пригородной зоне города Алматы.
Почему именно здесь?
Алматы-крупнейший мегаполис нашей страны. Численность населения Алматы более 2 млн человек.
Ежедневно для населения города требуются различные продукты питания, а также овощи, фрукты и зелень (лук, укроп, петрушка, различные сорта салата и др), в которых содержатся различные витамины и микроэлементы, необходимые для организма.
Для удовлетворения потребности населения Алматы в овощах, фруктах и зелени, мы предлагаем свой проект экологически чистых, современных теплиц в пригородной зоне с использованием солнечной энергии.
Гипотеза: солнечная энергия-самый значительный из возобновляемых источников энергии. Солнечную энергию можно преобразовывать в электрическую энергию при помощи солнечных батарей. Такой способ получения электроэнергии экономичен, экологически чистый, удобный для развития тепличного хозяйства в регионах Казахстана, где продолжительность солнечного сияния 2000-3000 часов, большее количество ясных дней в году, а суммарная солнечная радиация составляет 5880-6300 МДж/м2 и выше.
Цель: обосновать возможность и необходимость развития тепличного хозяйства в пригородной зоне Алматы на основе использования солнечной энергии.
Задачи:
1.Изучить и проанализировать источники информации по теме исследования.
2.Выяснить особенности использования альтернативных источников энергии в Казахстане.
3.Пронанализировать связь альтернативных источников энергии и сельского хозяйства.
4.Объяснить принцип и эффективность работы солнечных панелей.
5.Объяснить специализацию теплиц на выращивание зелени.
6.Разработать бизнес-план организации теплиц: место расположения теплиц, размеры участка, размещение теплиц, основные расходы, расчеты и окупаемость.
7.Произвести сравнение теплиц с солнечными панелями и обычных теплиц, выявить преимущества и недостатки.
8.Сделать выводы и обобщения по теме исследования.
Методы исследования: изучение источников информации, анализ и синтез, наблюдение, сравнение, математические расчеты.
1. Альтернативные источники энергии в РК
Реалии современного мира таковы, что с развитием экономики растет потребление большого количества электроэнергии. Этот процесс сопровождается усилением дефицита энергоресурсов (угля, нефти, газа) и загрязнением окружающей среды, в связи с этим во многих странах стали использоваться возобновляемые источники энергии.
Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемых источников энергии, но они еще недостаточно освоены. На долю возобновляемых источников энергии приходится около 1% в энергетическом балансе Казахстана. [2]
Для нашей страны наиболее перспективны такие виды возобновляемых энергоресурсов, как: ветроэнергетика, малые гидроэлектростанции, солнечные установки для производства тепловой и электрической энергии.
В целях поддержки использования возобновляемых источников энергии 4 июля 2009 года был принят Закон Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».
Законом предусматриваются ряд мер по поддержке возобновляемых источников энергии, в том числе: резервирование и приоритет при предоставлении земельных участков для строительства объектов возобновляемых источников энергии; обязательства энергопередающих организации по покупке электроэнергии, произведенной с использованием возобновляемых источников энергии; освобождение возобновляемых источников энергии от отплаты за транспорт электроэнергии по сетям; поддержка при подключении объектов по использованию возобновляемых источников энергии к сетям энергопередающей организации, предоставление физическим и юридическим лицам, осуществляющим проектирование, строительство и эксплуатация объектов по использованию возобновляемых источников энергии, инвестиционных преференции в соответствии с законодательством Республики Казахстан об инвестициях. [2]
Согласно подсчетам ресурсуобеспеченности во многих странах мира топливно-энергетического сырья осталось на несколько лет, а в некоторых странах – оно уже закончилось.
Поэтому в 2017 году на выставке «ЭКСПО – 2017» проходившая в городе Астана РК были продемонстрированы мировые разработки в области энергосбережения, новейшие технологии использования энергии солнца, воды и ветра.
«Энергия будущего» - развитие альтернативных источников энергии и формирование «зеленой» экономики.
1.1. Природно-климатические условия для использования солнечной энергии в Казахстане
Величина солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, зависит не только от географической широты, но и от состояния атмосферы и продолжительности солнечного сияния. Среднегодовая продолжительность солнечного сияния в Казахстане очень большая (2000-3000 часов). Например, на севере, в Костанае, она равна 2132 часам. А на юге, в Кызылорде, этот показатель равен 3042 часам. Такая продолжительность сияния объясняется не только географической широтой Южного Казахстана, но и тем, что в теплое время года там отсутствует облачность.
Солнечная радиация связана с закономерностями распространения ясных и пасмурных дней в Казахстане. Установлено, что количество ясных дней в году на севере страны 120, на юге-260, а количество пасмурных дней на севере -60, на юге, в районе Прибалкашья-10.
Так же изменяется и суммарная радиация (Рис.3, Приложение).
Суммарная радиация неравномерно распределяется по временам года. На юге Казахстана величина суммарной радиации составляет в июле 15-18 ккал/см2, а в январе - в 4 раза меньше. [1]
Таким образом, факторы, влияющие на количество солнечной радиации и качество солнечной энергии в разных регионах нашей страны зависят от особенностей природы: географического положения и климата.
1.2. Принцип преобразования солнечной энергии в электрическую
Солнце — самый мощный ядерный реактор в Солнечной системе, энергия которого эквивалентна энергии сотням миллионов водородных бомб, взрывающихся каждую секунду.
Солнечные электростанции работают на солнечных батареях, которые изготовлены из полупроводников. Существуют полупроводники n и p-типа. На полупроводнике n–типа сосредоточен избыток электронов, когда как на полупроводниках p-типа — его недостаток.
Говоря коротко, электроны из первого типа слоя покидают свои атомы, а второй слой их поглощает. Срабатывает эффект выбивания электронов, в результате которого заполняются пустующие места n-слоя.
Так появляется электрический ток, и, соответственно, солнечная энергия преобразуется в электрическую. Данное явление называется фотоэффектом. Оно было открыто Герцем в 1887 году. А вот сама теория развилась благодаря Эйнштейну. [6]
2. Связь альтернативных источников энергии и сельского хозяйства
На сегодняшний день имеются множество альтернативных видов энергии, такие как:
солнечная энергетика;
ветроэнергетика;
биомассовая энергетика;
волновая энергетика;
градиент-температурная энергетика;
приливная энергетика;
геотермальная энергии.
2.1. Актуальность использования альтернативных источников энергии в сельском хозяйстве
Солнечная энергия в том или ином виде является источником всей энергии на Земле. Основная цель состоит в преобразование солнечного излучения в другие виды энергии, используемые человеком для своих нужд. Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии.
Город Алматы и его окрестности находится в зоне высокого солнечного излучения (5880 МДж/м2). Среднегодовое количество солнечных дней близ Алматы – 260, а продолжительность солнечного сияния около 3500 часов, то есть, потенциал солнечной энергии в нашем регионе достаточно велик.
Технологии применения солнечной энергии для агропромышленного комплекса решают широкий спектр задач в сфере сельскохозяйственной деятельности. Солнечная энергия дает тепло и пищу как для человека, так и для любого другого животного или растения. Поэтому в сельском хозяйстве используют солнечную энергию для получения и переработки ее в тепло, чтобы повысить коэффициент качества и производимости продуктов питания, а также непосредственно в электрическую энергию, поступающую по электросетям.
Теплицы, оборудованные солнечными батареями, не только подают, сохраняют тепло и накапливают его, задерживая внутри, но и обеспечивают необходимый растениям микроклимат. (Рис.1, Приложение)Наличие свободных территорий и значительной площади крыш, стен домов, хозяйственных построек позволяет получать и накапливать большие количества бесплатной электроэнергии.
3. Принцип и эффективность работы солнечных панелей
Всего за 9 минут Земля получает больше энергии от Солнца, чем человечество производит за весь год. Эта энергия поставляется бесплатно и не оказывает влияния на окружающую среду. На выращивание сельскохозяйственных культур в обычных теплицах расходуется большое количество электроэнергии. Использование традиционной электрической энергии влияет на стоимость овощей, фруктов и зелени (цены повышаются).
Установка солнечных панелей на крышах теплиц обеспечит комфортные условия для выращивания растений, а также снизит себестоимость выращиваемых сельскохозяйственных культур.
3.1. Преимущества солнечных панелей
Длительность срока службы: наиболее современные солнечные батареи для промышленных теплиц рассчитаны на 25-летний гарантированный срок эксплуатации, а с частичной заменой и модернизацией – на 50-летний.
Автономность и неисчерпаемость: независимость от традиционных электросетей и поставок топлива, позволяет теплицам получать энергию в любых регионах мира.
Экологическая безопасность: на протяжении всего срока службы панели не выделяют никаких канцерогенных веществ и абсолютно безвредны для окружающей среды.
3.2. Выращивание зелени в теплицах
В наших теплицах мы будем выращивать только зелень. Зелень - полезная и вкусная, содержит большое количество витаминов и микроэлементов, позволяет улучшить вкусовые качества первых и вторых блюд, способствует лучшему усвоению пищи. Большим спросом у населения пользуются укроп, зеленый лук, салат, петрушка, шпинат, сельдерей и другие. (Рис.2, Приложение)
Зеленные культуры достаточно устойчивы к низким температурам, поэтому их можно выращивать в открытом грунте с ранней весны до поздней осени с применением ранних или подзимних посевов. С наступлением холодного времени года выращивать зелень необходимо в теплицах.
Посадочный материал стоит совсем недорого, период выращивания зелени составляет в среднем месяц, а урожайность весьма высока: с площади в 1м2 можно собрать до четырех килограмм зелени. Спрос на такую продукцию стабилен, а рентабельность такого бизнеса составляет свыше 65 %.
4. Организация теплиц
Для развития тепличного хозяйства необходимы определенные условия. Для наших теплиц, работающих на основе солнечных батарей, мы предлагаем взять Алматинскую область, Карасайский район, расположенный рядом с городом Алматы. Выбрали выровненный участок с учетом того, что в этом месте суммарная солнечная радиация составляет 5880 МДж/м2. (Рис.3, Приложение)
На карте суммарная солнечная радиация дана в ккал/см2. Энергию принято выражать в джоулях.
Перевод ккал в джоули:
1 ккал/см2 = 42 МДж/м2;
140 ккал/см2.42 МДж/м2= 5880 МДж/м2.
Следовательно, для работы солнечных батарей годовой суммарной солнечной радиации в Карасайском районе достаточно. Организация теплицы представлена на рисунке 4.
Рис.4-Схема организации теплицы
Для качественного обустройства теплиц необходимо подсчитать и проанализировать основные расходы, произвести необходимые расчеты, определить окупаемость работы теплиц.
4.1. Основные расходы
Покупка земли в 120 соток -15000000 тг.
Постройка 5 теплиц. Стоимость постройки одной теплицы размера 50м х10м обойдется в 1.500.000 тг. Следовательно, стоимость постройки всех теплиц составит 7.500.000тг.
Покупка и установка солнечных панелей. Необходимо приобрести панели с размером 2мх1.5м. На каждую теплицу (их всего 5) надо установить по 25 панелей для качественной работы. Поэтому мы должны закупить 125 солнечных панелей. (Рис.5, Приложение 1)
Стоимость одной такой панели-50.000тг. Стоимость всех панелей составит 6.250.000 тг.
Удобрения, гумус, поливальная система, лотки и прочие материалы и смена для выращивания зелени-550.000тг.
Итого, мы затратим 17.300.000тг
4.2. Расчеты
В каждой теплице размером 50мх10м будут располагаться два ряда лотков с зеленью вдоль стены. Один лоток с зеленью будет занимать 1 квадратный метр. Следовательно, в одной теплице будут располагаться 100 лотков с зеленью.
На один лоток с зеленью приходиться 3,5 кг земли. Следовательно, закупка земли на все теплицы будет составлять 495.000тг. Землю в теплицах необходимо менять раз в три года.
Зелень созревает за 1.5 месяца. Следовательно, в год мы сможем 8 раз собирать зелень со всех теплиц. Следуя из того, что с одного лотка можно собрать 3-4 кг зелени, то с одной теплицы мы сможем собрать 350 кг за 1 сезон, а с 5 таких теплиц мы сможем собрать 1тыс 750кг зелени.
После сбора мы делаем ассорти из зелени, или как называют его при продаже «микс-салат». Так как у нас нет больших расходов на энергию то продавать такое ассорти мы сможем в среднем по 500тг. В то время как в обычных магазинах она продается от 800тг и до 1500т.
4.3. Окупаемость
1. В одной коробочке будет 200 грамм зелени. Соответственно можно распределить средний сбор урожая, который составляет 1тыс750 кг по коробочкам. Получиться около 8.5 тыс коробочек по 200 грамм зелени. Из-за своей низкой цены и популярности среди населения продаваемость будет высокая. Если мы продадим все коробочки то, в итоге выйдет 4.500.000тг.
2. Следуя из выше приведенных фактов можно понять, что мы окупим наш проект меньше чем за 2.5 года
5. Практическая часть. Сравнение двух типов теплиц
Мы сравнили теплицы с солнечными панелями и без них для того, чтобы выявить их полезность и экономичность. Начнем с теплиц, в которых установлены солнечные панели.
В самом начале мы выяснили, что покупка и установка солнечных панелей очень затратный процесс. Но, несмотря, на начальные трудности в дальнейшем данная деятельность приносить стабильный и высокий доход.
Мы поняли, что их использование помогает стабильно поддерживать функционал теплицы (поддерживание оптимальной температуры и влажности), что не может не радовать.
5.1. Теплицы без солнечных панелей
Теперь давайте рассмотрим теплицы без солнечных батарей. Как мы выяснили основной принцип теплиц - сбор извне теплового излучения и превращение его в тепло и сохранение этого тепла. Благодаря этому можно удерживать внутри теплицы определённую устойчивую температуру, создавая наиболее благоприятную среду для роста и жизнедеятельности огородных и садовых культур.
Кроме этого, теплица защищает как от воздействий внешней среды – например, таких погодных условий, как ветер, град или снег, так и от вредителей – жуков, саранчи и домашних животных, которые Ваши посевы могут банально съесть или потоптать. (Рис.6, Приложение)
5.2. Теплица на солнечных батареях
Как вы думаете почему в зимние месяца растут цены на такие овощи как: помидоры, огурцы, перец и зелень (петрушка, укроп и т.д.). Дело в том, что в теплое время года солнце светит практически целый день, а температура снаружи благоприятная для созревания овощей. И затрачиваться на обслуживание самой теплицы особо не надо, стоит лишь немного поддерживать нужную температуру.
Но если взять зимние и холодные дни, например, в декабре. В 2020 году средняя температура днем составляла -10°С, а дни были пасмурными. И для того, чтобы овощи росли в нормальных условиях, приходилось тратить огромные суммы на электричество, которое питало генераторы (они же в свою очередь вырабатывали нужное кол-во тепла). В то время, как солнечные батареи, установленные на теплицы, пусть немного, но будут вырабатывать тепло, которое в дальнейшем перерабатывается в электричество. (Рис.7-8, Приложение)
Таким образом, преимущества у теплиц на солнечных батареях намного больше. Они экономичны, удобны в использовании и не загрязняют окружающую среду.
В ходе наблюдений, мы установили, что на солнечную энерго-эффективость значительно влияет расположение теплицы. Если вблизи неё есть крупные строения или деревья, по нескольку часов в сутки отбрасывающие тень, эффективность батарей будет снижаться. (Рис.9, Приложение)
В ходе нашего исследования мы так же выяснили, что стоит учитывать расположение теплицы относительно сторон горизонта, чтобы солнечный свет попадал на батареи в течение всех дневных часов, включая ранние утренние часы: чем больше батареи будут «в деле», тем эффективней будет производство электричества и работа системы отопления, а следовательно, выше урожайность сельскохозяйственных культур.
Заключение
1. В результате приведенных исследований, мы пришли к выводу, что установка солнечных панелей является выгодным решениям для владельцев теплиц, поскольку они имеют длительный срок службы, автономны и не вредят окружающей среде.
2. Как показало наше исследование, выращивать зелень в теплицах, оснащенными солнечными батареями, очень выгодно. Например, в обычных теплицах для поддержания роста зелени идут высокие расходы на электроэнергию. Так, можно понять, что использование солнечных батарей гораздо выгоднее не только для экономики страны, но и для экологии.
3. В среднем на теплицу площадью 20 кв. метров расходы на содержание теплицы зимний период составляют около 450.000-480.000 тенге. Поэтому выращивать зелень в теплицах, которые оснащены солнечными батареями гораздо выгоднее.
4. В процессе проводимой нами работы мы обосновали и доказали возможность и необходимость использования альтернативных источников энергии-солнечной энергии, солнечных батарей в теплицах по выращиванию сельскохозяйственных культур. Мы достигли поставленной цели нашего исследования.
5. Альтернативные (возобновляемые) источники энергии возможно использовать в сельском хозяйстве для работы теплиц по выращиванию фруктов и овощей, для обслуживания животноводческих ферм и других сельскохозяйственных объектов, а также для обеспечения энергией частных домостроений.
6. Использование солнечной энергии – относительно дешевый, экономически выгодный и экологически чистый способ получения тепловой и электрической энергии.
Наш проект может быть полезен для частных предпринимателей, сельскохозяйственных организаций; может быть использован на факультативных занятиях по географии, природопользованию, экологии, экономике.
Список использованных источников информации и литературы
Физическая география Казахстана: Учебник для 8 кл. обще-образоват. шк./ А.Бейсенова, К.Карпеков.-4-е изд., перераб.-Алматы: Атамура, 2016.-С.83-85
file:///C:/Users/User1/Downloads/pdf%20(2).pdf
https://scienceforum.ru/2016/article/2016026563
https://zen.yandex.ru/media/id/5c493e13ba3bb400addbd414/zelenaia-energiia-buduscee-kazahstana-5c8f2bd167b81d00b237a6fd
https://cyberleninka.ru/article/n/ekonomicheskie-aspekty-primeneniya-alternativnyh-istochnikov-energii-v-respublike-kazahstan
https://the-steppe.com/razvitie/kak-obstoyat-dela-s-alternativnymi-istochnikami-energii-v-kazahstane
https://teplitca.com.ua/
https://www.openbusiness.ru/biz/business/pribylnyy-biznes-vyrashchivanie-zeleni-na-prodazhu/
https://www.pveducation.org/ru
http://kiaton.com.ua/stati/12-aktualnost-solnechnoy-energetiki.html
https://greentechtrade.com.ua/ru/solnechnye-batarey-dlya-teplyts/
Приложение
Рис.1-Устройство теплицы
Рис.2-Выращивание различных сортов зелени в теплице
Рис.3-Карта суммарной солнечной радиации на территории
Казахстана
Рис.5-Образец установки панелей
Рис.6-Обычная теплица без солнечных панелей
Рис.7-Теплица на солнечных батареях
Рис.8-Схема работы солнечных батарей
Рис.9-Влияние древесной растительности на эффективность работы солнечных батарей