Разработка инновационной фермы, использующей альтернативные источники энергии с помощью конструктора Lego Education

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

Личный портфель

Разработка инновационной фермы, использующей альтернативные источники энергии с помощью конструктора Lego Education

Лапшин М.А. 1Ли Д.А. 1Володин К.В. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Долгов Е.А. 1Волокитина Е.А. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

С развитием технологий и ростом мирового населения сельское хозяйство сталкивается с новыми вызовами, связанными с увеличением производства продуктов питания при минимальном вреде для окружающей среды. Традиционные методы ведения сельского хозяйства требуют значительных затрат электроэнергии, воды и топлива, что приводит к увеличению выбросов углекислого газа и истощению природных ресурсов.

Одним из решений этой проблемы является переход к альтернативным источникам энергии, которые позволяют снизить зависимость от ископаемого топлива и сделать фермерские хозяйства полностью автономными. В данной работе рассматривается разработка инновационной фермы, использующей солнечную, ветровую и биоэнергию для обеспечения всех своих процессов, включая полив, контроль температуры, автоматизированный сбор урожая и переработку отходов. Кроме того, в проекте будет задействован конструктор LEGO EV3, позволяющий создать и протестировать автономную систему управления фермерскими процессами.

Цель работы: Создать концепцию инновационной фермы, работающей на возобновляемых источниках энергии, и разработать автоматизированный механизм управления с использованием LEGO EV3.

Задачи:

  1. Изучить существующие альтернативные источники энергии, применяемые в сельском хозяйстве.

  2. Рассмотреть современные автоматизированные системы фермерских хозяйств.

  3. Разработать модель фермы, использующей несколько источников энергии.

  4. Спроектировать и собрать систему управления фермерскими процессами на основе LEGO EV3.

  5. Проанализировать возможные экономические и экологические выгоды.

  6. Определить перспективы развития таких ферм в будущем.

Глава 1. Альтернативные источники энергии в сельском хозяйстве

1.1 Солнечная энергия

Солнечные панели широко используются в сельском хозяйстве для:

  • Обеспечения работы автоматизированных систем полива.

  • Поддержания температуры в теплицах.

  • Электроснабжения сельскохозяйственного оборудования и дронов для мониторинга полей.

  • Зарядки автономных роботов, используемых на ферме.

1.2 Ветровая энергия

Ветровые турбины могут использоваться для:

  • Генерации электроэнергии для насосов и систем орошения.

  • Поддержания работы фермерских роботов и автономных транспортных средств.

  • Хранения энергии в аккумуляторных системах для использования в ночное время.

  • Запитки систем контроля климата в теплицах.

1.3 Биогаз и органические отходы

Фермерские хозяйства генерируют значительное количество органических отходов, которые могут быть переработаны в биогаз. Использование биогаза позволяет:

  • Производить экологически чистое топливо для работы сельскохозяйственной техники.

  • Обеспечивать энергию для отопления и освещения теплиц.

  • Сократить выбросы углекислого газа и уменьшить загрязнение окружающей среды.

  • Применять его в системе автономного обогрева зданий фермы.

1.4 Гидроэнергия

Если ферма расположена вблизи водоёмов, можно использовать:

  • Малые гидроэлектростанции для обеспечения постоянного энергоснабжения.

  • Системы капельного полива с минимальными затратами электричества.

  • Гидротурбины для питания энергосистемы автономных роботов.

Глава 2. Автоматизация процессов на ферме с использованием LEGO EV3

2.1 Используемые технологии

Для повышения эффективности работы инновационные фермы могут включать:

  • Роботизированные системы для посадки, сбора и упаковки урожая.

  • Дроны для мониторинга состояния почвы и растений.

  • Системы IoT (Интернет вещей) для контроля влажности, температуры и уровня освещённости.

  • Автоматизированные механизмы на базе LEGO EV3, управляющие поливом, сбором урожая и контролем климатических условий.

2.2 Применение возобновляемой энергии в автоматизированных системах

Сочетание альтернативных источников энергии с современными технологиями позволяет:

  • Автоматизировать процесс полива с использованием солнечных насосов.

  • Управлять климатическими условиями в теплицах с помощью ветровой и солнечной энергии.

  • Обеспечивать бесперебойную работу автономных роботов, питающихся от биогазовых установок.

  • Использовать программируемый контроллер LEGO EV3 для создания интеллектуальной системы управления процессами фермы.

2.3 Разработка модели управления с использованием LEGO EV3

  • Программируемый блок EV3 – основа системы автоматического контроля.

  • Датчики влажности и температуры – мониторинг состояния почвы и климата.

  • Моторизированные насосы – автоматический полив по заданному расписанию.

  • Роботизированный сборщик урожая – автономный механизм для перемещения спелых плодов.

  • Гироскопический стабилизатор – позволяет корректировать работу механизмов в зависимости от рельефа фермы.

Глава 3. Экономические и экологические преимущества фермы

3.1 Экономическая эффективность

Использование возобновляемых источников энергии позволяет:

  • Сократить расходы на электричество и топливо.

  • Снизить зависимость от поставщиков энергоресурсов.

  • Увеличить прибыльность фермерского хозяйства за счёт экологически чистой продукции.

  • Повысить долговечность оборудования за счёт использования низкоизнашиваемых автономных систем.

3.2 Экологическая устойчивость

Автономные фермы помогают снизить негативное влияние сельского хозяйства на окружающую среду благодаря:

  • Минимизации выбросов CO₂.

  • Рациональному использованию водных ресурсов.

  • Вторичной переработке органических отходов.

  • Использованию безотходных производственных процессов, основанных на цикличности биологических материалов.

Заключение

Развитие автономных фермерских хозяйств, работающих на альтернативных источниках энергии, является перспективным направлением для сельского хозяйства будущего. Использование солнечной, ветровой, гидро- и биоэнергии позволяет сделать производство продуктов питания экологически чистым, экономически выгодным и энергонезависимым.

Перспективы развития таких технологий включают:

  1. Интеграцию с искусственным интеллектом для предсказательного анализа условий выращивания.

  2. Использование новых типов аккумуляторов для более эффективного хранения энергии.

  3. Применение автономных транспортных средств для беспилотной работы на фермах.

  4. Развитие гибридных систем, объединяющих несколько типов возобновляемой энергии для максимальной эффективности.

Таким образом, инновационные фермы, использующие альтернативные источники энергии и автоматизированные технологии, открывают новые возможности для устойчивого развития сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности мира.

Список использованных источников и литературы:

  1. Ботаника для садоводов. Д. Ходж, 2019

  2. Умный огород в деталях. Н. И. Курдюмов, 2011

  3. Десять этапов проектирования малого сада. А. Сапелин, 2013

  4. Белая книга садовода для детей. П. Каролина, 2024

  5. Большая книга идей Lego. Машины и механизмы. Й. Исогава, 2021

Электронные источники:

  1. https://education.lego.com/en-us/;

  2. https://good-tips.pro/index.php/house-and-garden/orchard-and-garden/vegetables/plant-growth

Просмотров работы: 6