XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Чистая энергия
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Пензенская область — один из центральных регионов Поволжья. Природа земли Пензенской стала источником вдохновения Лермонтова М. Ю., Куприна А. И. и других поэтов и писателей. Область вольно раскинулась на Приволжской возвышенности. Цветение степей на юге области плавно перетекает в тенистость лиственных и сосновых лесов в северной части края.
Широкие равнины пересекаются холмами или болотами, разделяются маленькими и большими оврагами. Множество рек с живописными берегами и поймами создают широкую водную паутину области. И всё это богатое природное пространство заполнено множеством видов животных и растений.
Энергосистема Пензенской области является дефицитной по электрической энергии. Область является импортером электроэнергии и получает ее по межсистемным связям 110, 220, 500 кВ из Саратовской и Ульяновской областей (от избыточных региональных энергосистем объединенной энергосистемы Средней Волги). Прогнозные расчёты показывают, что потребность в электроэнергии со временем будет расти, а её производство будет оставаться на прежнем уровне. Поэтому наша команда решила рассмотреть возможности использования природного пространства города Пензы и Пензенской области для разработки целостной системы «Умная теплица», которая могла бы получать энергию из альтернативных источников. Система включает в себя источники энергии – болота Пензенской области и ветрогенераторы, а так же потребитель – «Тепличный комплекс Мокшанский ООО».
ТЕПЛИЦА
ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ
БОЛОТА
Рисунок 1. - Фото проекта
Цели и задачи проекта: воспитание экологического сознания у детей и привлечение внимания общественности к проблемам использования энергии, экономии энергии и энергоресурсов, охране окружающей среды.
Итак, подробнее о составляющих системы «Умная теплица».
Альтернативные источники энергии
В качестве источника энергии для системы «Умная теплица» мы рассматривали альтернативные источники энергии. В альтернативной энергетике очень важно определить, какой запас энергии есть на той или иной территории в виде энергии солнца, ветра, малых рек и т.д. На деле использование только одного альтернативного источника энергии в большинстве регионов России неэффективно, так как не позволяет добиться гарантированного энергоснабжения. Исследование, проведенное в Поволжье, показало, что средняя скорость ветра не превышает 3-4 метра в секунду, а КПД солнечной энергии приблизительно составляет 20 процентов. Поэтому целесообразно разрабатывать проект комбинированной энергоустановки или рассмотреть другие альтернативные источники энергии для получения максимальной экономической выгоды.
Исходя из местоположения Мокшанских теплиц, распложенных в г. Мокшан Пензенской области, в качестве альтернативных источников энергии были выбраны болота и ветрогенераторы. Гидрография Мокшанского района выглядит следующим образом: поверхностные воды - под водой ≈ 1% площади, ≈ 0,3% занимают болота.
Рисунок 2. - Карта р.п.Мокшан
Болота - неожиданный источник новой, экологически чистой энергии, который может генерировать электроэнергию из естественного взаимодействия между живыми корнями растений и почвенными бактериями, то есть добывать электричество из самых обыкновенных болот при этом растения продолжают расти. Растения производят органические вещества с помощью фотосинтеза. Корни выделяют до 70% этого материала в почву. И все это остается неиспользованным и буквально уходит в землю. Образованию основного компонента природного газа (метана) помогают бактерии. Из-за них начинается брожение клетчатки растений, способствующее появлению метана. Бактерии вокруг корней разлагают органические остатки, образуя тем самым новый источник электроэнергии. Процессы деградации высвобождают электроны. Если разместить электроды среди бактерий для поглощения электронов, то тем самым получаем возможность для выработки электроэнергии с помощью разности потенциалов. Данная система генерируют электричество, не принося живым растениям никакого вреда, а сама установка не влияет на рост зеленых насаждений и не наносит ущерба природе.
Газ болотный отличается тем, что образуется беспрерывно, его можно обнаружить в любом болоте или пруде. Зачастую для этого достаточно просто прикоснуться палкой к илу. После этого пузырьки газа всплывают на водную поверхность.
В нашем проекте разработан механизм получения энергии из болот на основе кулачковой передачи.
Рисунок 3. – Механизм получения энергии из болот
Ветрогенератор — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).
Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита, вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.
Мы изучили строение ветрогенератора
Рисунок 4. – Строение ветрогенератора
Наиболее благоприятными местами расположения для ветрогенератора считаются возвышенные и равнинные участки.
Место для сооружения ветроустановок должно находиться вне отведенной территории расположения железных дорог и автомобильных трасс, линий электропередач, магистральных газопроводов, кабельных и водопроводных трасс.
Ветроустановки не должны устанавливаться на пути основных трасс перелетных птиц, а также размещаться вблизи их массового гнездовий.
В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом: сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.
Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.
Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию.
Пример ветрогенераторов представлен ниже.
Рисунок 5. – Ветрогенераторы
В последнее время все чаще используются парящие ветрогенераторы. которые должны парить (благодаря гелию, которым наполняется этот «аэростат») на высоте 610 метров (2000 футов). Такие генераторы доставляются на место запуска, и фиксируются системой тросов-кабелей. По кабелям полученная генератором энергия поступает в систему накопления/хранения, откуда поступает в нужное место.
Рисунок 6. - Парящие ветрогенераторы
Потребители энергии
В качестве потребителя энергии, вырабатываемой болотами, мы рассмотрели «Тепличный комплекс Мокшанский ООО».
Рисунок 7. - Тепличный комплекс Мокшанский ООО
Теплицы — сооружения для производства сельскохозяйственной и иной продукции (грибов, цветов и т. д.) в искусственно созданных оптимальных климатических условиях. По назначению «Тепличный комплекс Мокшанский ООО» относятся к цветочным (оранжереи); по технологии выращивания являются почвенными (грунтовыми); по строительным признакам и видам ограждения - остекленная, с покрытием из пленок или полимерных материалов. Основной продукцией данных теплиц являются розы.
Рисунок 8. – Продукция «Тепличный комплекс Мокшанский ООО»
Для продуктивного роста растений в теплице необходимы четыре основных фактора: температурный режим воздуха и почвы, влажностный режим воздуха и почвы, режим газового состава воздушной среды, световой режим, т. е. тепло, вода, углекислый газ и свет.
Тепличный комплекс реализует свою продукцию в 35 регионах России. Среди них крупнейшие российские мегаполисы: Москва, Санкт "Петербург, Екатеринбург, Самара и др. В ближайших планах – расширить географию поставок за счет ближнего и дальнего зарубежья.
Маркетинговая служба постоянно проводит исследования цветочного рынка, отслеживает наиболее выгодные для поставок регионы.
Одним из элементов нашего проекта является разработка ученых Пензенского государственного университета (ПГУ) «Умная теплица». Проект основан на соблюдении принципа энергосбережения. Это система ускоряет созревание урожая за счет распределения света и его количества. Исследования ученых показали, чтобы растение правильно развивалось, необходимо на раннем этапе использовать красный свет, на более позднем - фиолетовый. Система способна самостоятельно распознавать, какие световые характеристики актуальны для растения в конкретный момент развития. Для этого была создана автоматизированная система освещения на базе RGB-диодов: в центре - вращающаяся камера, которая снимает растение в трех проекциях; она работает постоянно, выдавая изображения каждые 30 минут, а на основе этих изображений строится 3D-модель. Камера с высоким разрешением позволяет онлайн регулировать освещение, влажность и температуру.
Рисунок 9. – «Умная теплица» с вращающейся камерой
Заключение
Человечество на данном этапе развития не может существовать без энергетики. Все процессы так или иначе связаны с ней. И неизменно то, что доля потребления энергии всегда возрастает. Традиционные источники энергии уже не способны удовлетворить бесконечные энергетические потребности без помощи нетрадиционных.
Поэтому стремительно наступает эра экологически чистых, бесконечных по запасами недорогих источников энергии. Ветер, Солнце, геотермальные ресурсы, биомасса – все это уже сейчас используется эффективно и действенно в энергетике. И необходимо понимать, что нельзя останавливаться в освоении и нахождении возобновляемых способов энергии, иначе, во-первых, их потенциал не раскроется, и, во-вторых, рано или поздно произойдет энергетический кризис. Итак, можно однозначно утверждать, что альтернативные источники энергии заменят традиционные. Некоторые развитые страны, не располагая изначально природными ископаемыми, уже получают более 50% энергии из альтернативной энергетики. Совсем скоро они перестанут вообще зависеть от нефти, природного газа и др. Именно такого курса необходимо двигаться и остальным странам, в том числе и России.
Список источников и использованной литературы
Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Безруких П.П., Борисов Г.А., Виссарионов В.И. и др. – С.Пб.: Наука, 2002 – 314с.
Пензенская энциклопедия. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2001.
Ю. Сибикин. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. –М.: КНОРУС, 2010. – 232 с.
Интернет-ресурсы:
Официальный портал Правительства Пензенской области http://www.penza.ru/
https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2018/05/22/proekt-alternativnye-istochniki-energii
https://xn--d1ailn.xn--p1ai/files/works/260_3909.pdf