Умный город

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Умный город

Тютченко Р.В. 1Нестеров Г.Д. 1Утьев С.Д. 1Падин И.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Полиенко Д.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Экономическое и социальное развитие связано с большим потреблением энергии. Она необходима практически в каждой области нашей жизни. Даже простые с виду действия требуют расхода определенного количества энергии. Мир стоит на пороге беспрецедентного поворотного момента. Изменение климата — это реальная и неизбежная угроза благополучию, которого сегодня уже достигли многие и к которому стремятся и ради которого трудятся миллионы людей. Чтобы это предотвратить, мы должны сократить потребление этих видов топлива, насыщенных углеродом. Возобновляемые источники энергии могут и должны стать центральным элементом данного плана.

Преимущества возобновляемых источников энергии многочисленны и очевидны, однако столь же многочисленны и препятствия к их внедрению. Сложившиеся рыночные структуры, непонимание принципов действия новых технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии, затрудненный доступ к финансированию и его высокая стоимость – все эти факторы сыграли свою роль в сдерживании использования возобновляемых источников энергии. К счастью, благодаря усердной работе предприятий данной отрасли, правительств, финансовых учреждений и регулирующих органов многие из этих препятствий преодолеваются.

Актуальность темы:

Использование возобновляемых источников энергии постепенно входит в нашу жизнь, в частности, в сфере обслуживания жилых домов и инфраструктуры города. "Умные" города — уже не просто модное словосочетание, прямо сейчас они создаются по всему миру. В России эта концепция только начинает реализовываться — в 2018 году создание "умных" городов официально стало частью программы "Цифровая экономика", а одним из первых российских "умных" мегаполисов должен стать Санкт-Петербург. Стабильность энергоснабжения и возможность удовлетворения спроса на электроэнергию — важнейший фактор самого существования "умных" городов.

Поэтому перед правительствами многих стран сейчас стоит нелегкая задача: обеспечить эффективное энергоснабжение городской инфраструктуры и при этом не навредить экологии, в силу чего "зелёная" энергетика также набирает популярность. Учитывая рост эффективности и выгодную стоимость возобновляемых источников энергии, солнце и ветер кажутся наиболее удачным решением. Данную идею мы и решили реализовать в нашем проекте в ключе умного города.

Цель исследования: Внедрение эффективных систем использования возобновляемых источников энергии в различные сферы умного города.

Задачи исследования:

  1. Изучить понятие электростанции и её типы;

  2. Рассмотреть особенности солнечной и ветряной видов энергии;

  3. Проанализировать факторы умного города, а также 5 примеров самых умных городов;

  4. Сконструировать и запрограммировать проект Умного города на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования

    1. Понятие электростанции и её типы.

В каждом развитом государстве существует собственная энергетика. Данная область включает в себя разные виды электростанций. Они могут использовать традиционные и нетрадиционные источники энергии. В первом случае – это природные ресурсы в виде угля, газа, продуктов переработки нефти, ядерное топливо и т.д. Второй вариант предполагает использование энергии природных явлений – солнца, ветра, приливов-отливов, подземных источников тепла. Независимо от формы использования, каждая электростанция требует много дополнительного оборудования для передачи потребителям полученной энергии.

Что такое электростанция

Любая электростанция представляет собой целый энергетический комплекс, включающий в себя различные установки, аппаратуру и оборудование, необходимые для получения, преобразования и транспортировки электроэнергии. Все эти компоненты размещаются в специальных зданиях и сооружениях, расположенных компактно на общей территории. Независимо от типа, они входят в состав Единой энергосистемы, созданной с целью эффективно использовать мощность электростанции, обеспечивая бесперебойное энергоснабжение потребителей.

Принцип работы электростанций и их сопутствующих объектов основан на вращении вала генератора, который является основным элементом системы. Его основные функции заключаются в следующем:

• Обеспечение стабильной продолжительной работы параллельно с другими энергетическими системами, снабжение энергией собственных автономных нагрузок.

• Возможность мгновенного реагирование на наличие или отсутствие нагрузки, соответствующей его номиналу.

• Выполняет запуск двигателя, обеспечивающего работу всей станции.

• Вместе со специальными устройствами осуществляет функцию защиты.

Отличительными чертами каждого генератора являются формы и размеры, а также источник энергии, используемый для вращения вала. Кроме генератора, электростанция состоит из турбин и котлов, трансформаторов и распределительных устройств, средств коммутации, автоматики и релейной защиты.

В настоящее время получило развитие направления в области компактных установок. Они позволяют обеспечить энергией не только отдельные объекты, но и целые поселки, находящиеся на значительном удалении от стационарных линий электропередачи. В основном, это полярные станции и предприятия по добыче полезных ископаемых. Теперь рассмотрим какие типы установок используются в российской энергетике.

Основные типы электростанций

Все электрические станции таблица ниже классифицирует в первую очередь по источникам используемой энергии (Рисунок 1.1.1 Приложения). Среди них можно выделить следующие:

• Тепловые (ТЭС). Работают на природном топливе, а основные типы электростанций могут быть конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭЦ). Первые вырабатывают только электричество, а вторые – электроэнергию и теплоту.

• Гидравлические – ГЭС и гидроаккумулирующие – ГАЭС, функционирующие за счет энергии воды, падающей высоты.

• Атомные – АЭС, работающие на ядерном топливе.

• Дизельные – ДЭС. Бывают стационарными или мобильными. Существуют мини-электростанции малой мощности, используемые в частном секторе.

• Солнечные, ветровые, приливные и геотермальные электростанции известны как альтернативные источники электроэнергии, работающим с естественными силами природы. Они имеют ряд недостатков, связанных с климатическими условиями и другими факторами.

Каждая перечисленная электростанция представляет собой традиционные или альтернативные виды энергетики. В первом случае электричество вырабатывается на тепловых, гидро- и атомных установках. На ТЭС вырабатывается примерно 70-75% всей электроэнергии, поэтому они размещаются в местах с высоким энергопотреблением и большим количеством природных ресурсов.

ГЭС привязаны к полноводным рекам, протекающим в равнинной или горной местности. АЭС строятся в местах с большим потреблением электроэнергии, при недостатке других видов энергоресурсов. Для того чтобы понять их роль и место в общей энергетической системе, следует рассмотреть более подробно типы электростанций, используемых в России [4].

1.2 Особенности солнечной и ветряной видов энергии.

Солнечная энергия

В настоящее время это самый популярный вид возобновляемой энергии. Солнечная энергия производится благодаря фотоэлектрическим установкам и солнечным коллекторам. Первые получают тепло от солнца и затем преобразуют его в электричество, а вторые – в тепловую энергию, применяемую, например, для приготовления горячей воды для бытовых или промышленных нужд (Рисунок 1.2.1 Приложения).

Сфера применения солнечных батарей

С разработкой новых технологий и развитием концепции питания от солнечной энергии сфера применения панелей стала довольно широкой. Раньше такие устройства обычно устанавливались на небольших частных домах или дачах. Они применялись исключительно в бытовых нуждах, так как потребляемая мощность была минимальная. Сейчас же есть мощнейшие электростанции, показывающие высокую эффективность работы. По этой причине сфера применения панелей стала больше. Солнечные батареи стали активно применяться на промышленных и коммерческих объектах, позволяя значительно экономить на их энергоснабжении. Также панели устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, на фермах, военно-космических объектах. Менее мощные панели применяются для изготовления различных приспособлений для быта: фонариков, калькуляторов, зарядных устройств, др. Они служат источником энергии там, где нет возможности подключиться к центральной сети.

Солнечные электростанции современного образца будут эффективны везде: как в доме, так и на большом промышленном объекте. Однако для этого они должны быть правильно подобраны по необходимой мощности. Расчет данного параметра должен осуществляться специалистом. Если предстоит покупка солнечных батарей, то нужно обязательно ознакомиться не только с их устройством, но и с принципом работы. Солнечные панели собирают лучи. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет приводит к высвобождению электронов из двух слоев. На освободившиеся место из первого слоя встают электроны второго слоя. Происходит постоянное движение электронов, что приводит к естественному образованию напряжения на внешней цепи. В результате один из фотоэлектрических слоев приобретает отрицательный заряд, а второй – положительный.

Эти действия приводят в работу аккумулятор. Он начинает набирать и хранить заряд. При этом уровень заряда аккумулятора постоянно контролируется. Если он низкий, контролер включает в работу солнечную панель. В случае высокого заряда это же устройство панель отключает. Далее включается в работу инвертор. Он преобразовывает ток из постоянного в переменный. С его помощи на выходе электростанции появляется напряжение в 220 В. Это дает возможность подключать и питать от электростанции бытовые приборы [5].

Ветрогенераторы

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ, ветряк) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию (Рисунок 1.2.2 Приложения).

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.

Существуют два основных типа ветротурбин:

• с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные, «лопастные» ортогональные);

• с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными.

А для нашего проекта мы хотели бы подробнее рассмотреть именно бытовые ветрогенераторы. Домашняя ветряная электростанция — это современная технология, позволяющая получать бесплатную энергию из возобновляемых источников.

Ветрогенератор позволяет тратить существенно меньшие объемы электроэнергии, поступающей по городской сети. А если обзавестись дополнительно солнечной электростанцией и бензиновым генератором на аварийный случай, то можно и вовсе обойтись без потребления электроэнергии из энергосети.

Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования

2.1 Факторы умного города, 5 примеров самых умных городов.

Ежегодно Центр мировой конкурентоспособности IMD и Сингапурский университет технологий и дизайна проводят исследование, в котором определяют самый умный город мира. Рейтинг городов Smart City Index призван показать, в каких городах наиболее интегрированы высокие технологии у смарт-решения в повседневную жизнь граждан. Грубо говоря, эксперты оценивали, какому городу больше всего удалось реализовать принцип «государство как сервис».

Умный город (от англ. smart city) – это инфраструктура, основанная на взаимодействии информационных и коммуникативных технологий и интернета вещей (IoT) и предназначенная для управления городским имуществом. Иными словами, самые умные города мира – те, что научились использовать все свои ресурсы для повышения качества жизни населения.

Основные критерии оценки цифровых городов:

• мобильная связь 5G;

• функционирование сетей мобильного широкополосного доступа;

• большое количество точек доступа Wi-Fi;

• смартфоны как универсальное средство управления сервисами;

• умная парковка;

• услуги по обмену автомобилями (каршеринг);

• оптимизированная система движения транспорта;

• отлаженная работа интернет-сервисов для вызова и оплаты такси;

• возможность мониторить дорожный трафик в режиме онлайн;

• наличие сети заправочных станций для электромобилей;

• сервис по предоставлению услуг каршеринга;

• онлайн-доступ к государственным услугам;

• переработка мусорных отходов;

• активная гражданская позиция горожан;

• активность и количество пользователей Всемирной сети;

• применение электронных карт учащихся;

• доступность данных о рынке труда;

• применение экологически чистых и возобновляемых источников энергии;

• рациональное использование электроэнергии и воды и др.

Что отличает умный город от обычного:

  • Умная энергетика. Она включает в себя умные счетчики (которые сами передают показания), электротранспорт (сейчас электробусы более актуальны, чем троллейбусы и трамваи), возобновляемая генерация (энергия ветра или солнца) и когенерация (выработка одновременно тепла и электроэнергии).

  • Умный транспорт. Это умные парковки (пока дело дошло до отслеживания свободных мест), экологичные автомобили и общественный транспорт, более совершенный сбор оплаты за парковки, умные транспортные системы в целом. Как вариант, это могут быть умные остановки с Wi-Fi.

  • Умное водо- и газоснабжение. Сюда входят также умные счетчики, системы контроля утечек и управления чрезвычайными ситуациями, современные методы очистки воды.

  • Умная городская среда. Здесь стоит отметить системы всеобщего видеонаблюдения, автоматическое освещение, экологичную утилизацию отходов, современную медицину, управление градостроительством.

  • Умный дом. Это уже дело каждого отдельного владельца жилья – он может объединить достаточно много систем в одну.

Интеллектуальный город выполняет две важные задачи:

– сбор и передача данных представителям управления;

– налаживание обратной связи между администрацией и горожанами, благоустройство среды [6].

2.2 Проект Умного города на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 и City.

До начала работы над проектом мы посетили экскурсию в Областной Центр подготовки персонала Сибирско-Уральской энергетической компании (СУЭНКО) и узнали подробнее об электричестве (Рисунок 2.2.1 Приложения). После экскурсии мы вдохновились, создав свой «умный» город с довольно развитой инфраструктурой, где ветрогенератор и солнечные батареи обеспечивают электроэнергией жилой комплекс (Рисунок 2.2.2 Приложения), светофоры и магазины (Рисунок 2.2.3 Приложения), а также работу аэраторов в озере с ценными рыбами. Ведь иначе с наступлением холодов ценные виды рыб могли бы погибнуть. В нашем случае солнечные панели помогают и с сохранностью такого важного озера (Рисунок 2.2.4 Приложения). Сначала первый мотор запускает ветрогенератор с угловыми зубчатыми передачами (Рисунок 2.2.5 Приложения), потом с помощью осевых, зубчатой и ременной передач приводит в движение солнечную панель на червячной передаче, карусель и аэратор для озера. Далее с реакции датчика расстояния срабатывает небольшой аттракцион-качель (Рисунок 2.2.6 Приложения).

Мы сконструировали модель проекта морских грузоперевозок на базе LEGO WeDo 2.0 и City, где установлены (Рисунок 2.2.7 Приложения):

  • 2 хаба для управления моделью через Bluetooth-связь с компьютером;

  • 1 мотор для работы качели на интерактивной детской площадке;

  • 1 мотор в целях функционирования карусели, аэратора, ветрогенератора и солнечной панели;

  • 1 датчик расстояния для отдельного запуска аттракциона-качели.

В итоге мы пришли к выводу, что "Умные" города — это наше будущее. И его приближение напрямую зависит от наличия стабильного энергоснабжения, которое не будет вредить экологии, а первым шагом к нему станет внедрение эффективных систем управления и хранения энергии посредством активного использования альтернативных источников энергии!

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно:

1. Изучили понятие электростанции и её типы;

2. Рассмотрели особенности солнечной и ветряной видов энергии;

3. Проанализировали факторы умного города, а также 5 примеров самых умных городов;

4. Сконструировали и запрограммировали проект Умного города на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 и City.

Список используемой литературы:

  1. LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

  2. Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

  3. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

Интернет источники:

  1. https://electric-220.ru/news/vidy_ehlektrostancij/2019-04-06-1673

  2. https://www.iaea.org/ru/bulletin/chto-oznachaet-perehod-k-ekologicheski-chistoy-energii-i-kakaya-rol-v-nem-otvoditsya-yadernoy-energetike

  3. https://obrazovanie-gid.ru/pereskazy1/umnyj-gorod-eto-kratko.html

Приложение

Рисунок 1.1.1 – Типы электростанций

Рисунок 1.2.1 – Принцип работы солнечной батареи

Рисунок 1.2.2 – Строение ветрогенератора

Рисунок 2.2.1 – Экскурсия в СУЭНКО

Рисунок 2.2.2 – Создание первой части Умного города

Рисунок 2.2.3 – Процесс конструирования

Рисунок 2.2.4 – Озеро с ценными рыбами

Рисунок 2.2.5 – Процесс программирования проекта

Рисунок 2.2.6 – Наш проект

Рисунок 2.2.7 – Программа

Просмотров работы: 1059