XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Приручая Солнце: изготовление и исследование солнечной гелиосушилки
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С каждым днём человек потребляет всё большее количество энергоресурсов, что в свою очередь ведёт к быстрому сокращению количества природного топлива на Земле и к ухудшению экологической ситуации на нашей планете [8]. Поэтому в последнее время много внимания уделяется нетрадиционным способам получения энергии: биоэнергетика, ветроэнергетика, геотермальная и солнечная энергетика.
В условиях роста стоимости энергоносителей, закономерно встаёт вопрос об экономии затрат на электроэнергию. [10] (рис 1)
(рис 1)
На сегодняшний день актуальным для человечества является создание устройств, которые могли бы удовлетворять его энергетические потребности без использования полезных ископаемых Солнце - самый мощный, экологически чистый и общедоступный источник энергии. Солнце посылает на землю огромное количество энергии, которой мы не пользуемся, а тепло мы производим, сжигая уголь, бензин, газ и т.д.
Я и моя семья проживаем в сельской местности, где имеем приусадебный участок, на котором выращиваем сельскохозяйственную продукцию. Также все лето и осень мы собираем ягоды и грибы, заготавливаем лекарственные травы. В этот период возникает вопрос заготовки и максимального сохранения выращенной и собранной продукции. Одним из наилучших вариантов является сушка. Разработка и изготовление солнечной сушилки было бы полезно для моей семьи.
Это и стало причиной выбора мной темы исследовательского проекта.
Сушка – это процесс, направленный на снижение содержания влаги до безопасного уровня для хранения, транспортировки и потребления. Этот процесс особенно важен для фруктов, овощей, грибов и лекарственных растений, где сохранение биологически активных соединений во время его действия имеет решающее значение для сохранения терапевтических свойств трав. Традиционные методы сушки, такие как сушка на открытом воздухе и механические сушилки, часто создают проблемы, загрязнение, потерю питательных веществ и высокие затраты на электроэнергию.
Солнечная сушка является как экономически эффективной, так и экологически чистой. Она использует солнечную энергию в качестве основного источника тепла, что делает ее подходящей для регионов с обильным солнечным светом. Однако эффективность систем солнечной сушки во многом зависит от их конструкции, эксплуатационных параметров и условий окружающей среды. Один из способов сэкономить – использовать энергию Солнца.
Цель исследования – исследовать возможность применения гелиосушилки камерного типа с естественной конвекцией воздуха на нашей географической широте.
Задачи:
изучить и проанализировать литературу и информацию по солнечным гелиосистемам;
ознакомиться с аналогами; создать сушильную гелиосистему камерного типа с естественной конвекцией;
обосновать экологические и экономические преимущества гелиосистем;
провести физические и технические расчеты основных параметров системы гелиосушилки;
провести анализ сушки продукции в домашних условиях;
сделать выводы об эффективности её использования.
Объект исследования: солнечная сушильная установка как устройство для сушки продукции.
Предмет исследования: количество солнечной энергии и температура, при которой можно высушить продукцию с помощью солнечной сушилки.
Гипотеза: с помощью гелиоустановки, изготовленной в домашних условиях, возможно снижение затрат на электроэнергию; правильное проектирование и такой системы позволяет эффективно использовать солнечную энергию при заготовке продукции посредством сушки.
Использованы следующие методы исследования: сбор информации, наблюдение, опыт, анализ.
Полученные в ходе данного исследования знания будут способствовать внедрению технологий солнечной сушки в личном сельском хозяйстве при обработке грибов, ягод и лекарственных растений. Созданная гелиоустановка будет использоваться в личном подсобном хозяйстве моей семьи.
-
Теоретическое исследование.
-
Принципы работы сушильной гелиосистемы с естественной конвекцией камерного типа.
-
В прошлом продукты сохранялись исключительно путем сушки на солнце (на открытом воздухе). С развитием технологий появились и другие, более современные методы, использующие другие источники энергии.
В целом, профессиональная сушка включает в себя длинную цепочку операций, охватывающих выращивание и организацию сырья, хранение продукции перед сушкой, очистку продукции в гигиенических условиях, обработку отходов, сушку, упаковку, хранение перед отправкой и продажу продукции. [5]
Для решения этой задачи сегодня разными авторами во многих источниках предлагается множество вариантов различных гелиосушилок с разнообразными техническими характеристиками. Во всех гелиосушилках для преобразования лучистой энергии Солнца в тепловую энергию (для подогрева воздуха) предусматриваются различные конструкции гелиоприемника с разными формами тепловоспринимающих поверхностей (панелей), а вопрос конвекции решается естественной или принудительной циркуляцией воздуха через сушильную камеру.
Проанализировав различную литературу, рассмотрев и изучив множество разнообразных конструкций солнечных сушилок сложилось мнение, что самым экономичным вариантом для собственного пользования и самостоятельного изготовления является солнечная сушилка камерного типа с естественной вентиляцией. [5]. Данные сушилки состоят из солнечного коллектора, где воздух подогревается и поднимается в шкаф, куда элементы помещаются для сушки. (рис 2)
Зона сбора солнечных лучей является собственным воздушным коллектором. В нашем коллекторе есть прозрачная поверхность для захвата солнечного излучения. Многие продукты, чувствительные к ультрафиолету. Их внешний вид которых может быть испорчен, в этом случае следует выбрать закрытую сушильный шкаф. Впускное отверстие для воздуха расположено в нижней части коллектора, в то время как, выпускное отверстие расположено в верхней части шкафа.(рис 2)
Принцип работы солнечной сушилки с естественной конвекцией заключается в том, что горячий воздух легче холодного и поднимается в верхнюю зону камеры. Двигаясь вверх, теплый воздух соприкасается с продуктом, который подсушивает и забирает некоторое количество влаги. Горячий воздух устремляется вверх и выходит наружу через специально оставленные щели в крыше или воздуховод. Это обеспечивает хорошую тягу. Воздух нагреется быстрее, если выкрасить лоток изнутри в черный цвет. Нагревшись в лотке, горячий воздух устремляется вверх – в камеру сушилки, и проходит через лотки.Тип воздушной циркуляции является естественным благодаря конвекции. Расположение коллектора в нижней части оборудования имеет некоторый наклон, и наряду с выпускным отверстием для воздуха в верхней части облегчает движение воздуха. Данные сушилки подходят для продуктов питания, трав, цветов и т.д. в малых и средних объемах, в зависимости от размера и мощности оборудования.
Общим существенным недостаткомпредложенной гелиосушилки является полная или частичная приостановка процесса сушки в ночное время или в пасмурную погоду, если не предусмотреть дополнительный источник энергии, вследствие чего повышается себестоимость готового высушенного продукта. Обычно в качестве дополнительного источника энергии предлагают различные электронагреватели. Предлагаются также гелиосушилки с тепловыми аккумуляторами, установленными внутри камеры сушки, но и для их зарядки также необходим дополнительный источник энергии, а это - дополнительные затраты. [5]
Когда речь идет об использовании солнечной энергии для сушки сельхозпродукции для собственных хозяйственных нужд, речь однозначно идет об экономичном решении. Преимущество солнечных сушилок связано с сокращением потерь после сбора урожая и экономией электроэнергии.
Угол наклона солнечной панели в основном зависит от климатических условий местности где, расположена установка (на какой широте находятся), а также от поры года.
В своих расчётах можно принять систему, которая будет эксплуатироваться в период март - октябрь с изменением угла наклона три раза. При регулировании угла наклона солнечных панелей три раза в год углы будут следующие: для лета числовое значение широты необходимо умножить на 0,92 и вычесть 24,3 градуса; для весны и осени числовое значение широты умножается на 0,98 и вычитается 2,3 градуса. Оптимальное время для изменения угла наклона на летний период — 18 апреля, на осенний период — 24 августа, на зимний период — 7 октября, на весенний период — 5 марта.[2]
Различные концепции использования Солнца в целях сушки, позволяют разработать простую и надежную систему, которую можно воспроизвести в собственном хозяйстве, используя в основном подручные и доступные материалы, чтобы получить наибольший эффект.
Таким образом, рассмотренное сушильное устройство помогает усовершенствовать процесс сушки продукции, сделать его более экономичным.
1.2. Экологические и экономические преимущества гелиосистем.
Мировое сообщество всё больше фокусируется на снижении зависимости от ископаемых видов топлива и уменьшении углеродного следа. Солнечные гелиосушилки играют ключевую роль в развитии чистой энергетики. Применение модульных гелиосистем позволяет интегрировать возобновляемые источники энергии в сельское хозяйство и другие отрасли с минимальными затратами.
Использование солнечных гелиосистем снижает эксплуатационные расходы на традиционные виды отопления и позволяет сократить затраты на энергию, особенно в регионах с высоким уровнем солнечной радиации.
В условиях роста цен на традиционные энергоносители такие системы становятся более выгодными и востребованными.
Следует отметить и адаптацию к климатическим изменениям. Средняя температура воздуха за 2024 год составила +9,5°С, что выше климатической нормы на 2,3°С. (рис 3). Прошедший год стал самым теплым за всю историю наблюдений побив рекорд 2020 года со среднегодовой температурой +9,1°С. [6]
(рис 3)
Модульные солнечные гелиосушилки могут быть использованы для повышения энергоэффективности различных процессов в сельском хозяйстве.
Кроме того, технологии быстрого развития требуют постоянного обновления знаний. Современные инженерные решения в области гелиоустановок постоянно совершенствуются.
Сокращение выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ благодаря солнечным гелиосушилкам является важным аспектом глобальной борьбы с изменением климата. Внедрение таких систем помогает достичь целей устойчивого развития и выполняет ключевую роль в переходе к экологически чистым технологиям.
1.3. Эффективность использования солнечной энергии в Республике Беларусь.
По сравнению со многими южными странами в Беларуси действительно мало солнца, но по факту солнечной энергии на квадратный метр поверхности в Беларуси больше, чем в тех европейских странах с которыми у Беларуси похожий климат и где активно используются возобновляемые источники энергии.
В таблице (рис 4) приведен среднегодовой уровень солнечного излучения на 1м2 в день. Эти измерения применяются к солнечному излучению, падающему на горизонтальную поверхность. Для применения солнечных технологий уместней будет рассмотреть, какое количество излучения поступает на поверхность под оптимальным углом наклона, так как солнечные коллекторы устанавливаются под углом к солнцу. На таких поверхностях солнечный ресурс увеличивается до 1150-1350 кВт/м2, изменяясь между западной и восточной частями страны. (рис 4)
Эффективность использования солнечных коллекторов на территории республики более чем на 10% выше, чем в Польше, Нидерландах; более чем на 17% выше Германии, Бельгии, Дании, Ирландии, Великобритании
Угол падения солнечных лучей на севере Беларуси более острый̆, чем на юге, на протяжении всего года. Продолжительность дня летом больше на севере республики, а зимой — на юге. Количество поступающей солнечной̆ энергии летом почти одинаково на всей̆ территории Беларуси. Зимой южные районы получают значительно больше солнечной̆ энергии, чем северные. [8]Годовая суммарная солнечная радиация в северных районах составляет 3500 — 3600 МДж/м2.
Республика Беларусь собственными природным запасами обеспечивает около 15−18 % своих потребностей в топливно-энергетических ресурсах. Недостающее количество топлива и энергии поставляется из России и других стран, на что расходуется ежегодно 1.7−2.0 млрд. долларов США. Поэтому для нас чрезвычайно актуален вопрос поиска собственных экологически чистых источников энергии.
В Беларуси есть необходимые условия для развития солнечной энергетики.
2.Практическое исследование.
2.1 Экспериментальная установка.
Для начала мы ознакомились с сайтами и литературой об использовании альтернативной энергетики. На них мы нашли множество разнообразных конструкций солнечных сушилок. Нужно было выбрать подходящую модель солнечной сушилки, которую мы бы смогли собрать самостоятельно. Мы детально изучали основные плюсы и минусы каждой модели сушилки. Благодаря собранной информации, я узнал, что в сушилке можно сушить практически всё: фрукты, овощи, травы. Поэтому я решил построить такую удобную вещь для нужд моей семьи.
Создание гелиосушилки камерного типа с естественной конвекцией потребовало применения столярных навыков и знания законов физики.
Главной особенностью модели данного устройства является то, что оно полностью работает за счет солнечной тепловой энергии. Сама сушилка состоит из основных камер – это сушильная камера, где сушатся припасы на подносах и одного солнечного коллектора, где нагревается воздух.
После того как определились с моделью сушилки и подготовили необходимые материалы, приступили к ее непосредственной постройке. (рис 5)
(рис 5)
Основной каркас солнечной сушилки состоит из деревянных панелей, сколоченных в прямоугольную раму 65см×58см×55см. Ширину, длину и высоту каркаса выбрали на наше усмотрение, проанализировав информацию из различных источников. Сушильный шкаф покрасили в черный цвет с целью минимизации тепловых потерь. Внутри получившейся коробки, которая будет камерой сушилки для продуктов, сделали ряд реек, на которые будут устанавливаться полки с припасами. Расстояние между полками 10 см. Далее сделали камеру нагрева воздуха от солнечных лучей. По сути это стандартный солнечный коллектор. Его размер 60см×75см. Рама была изготовлена из такого же материала, который был использован для сушильной камеры. На дно коллектора положили металл, окрашенный в черный цвет, а сверху поликарбонат. Солнечные лучи, проходя через поликарбонат, нагревают металлическую пластину, а от нее будет нагреваться воздух, который будет поступает в сушильную камеру. Солнечная энергия с внешней и верхней стороны нагревает также и сам сушильный шкаф, который окрашен в черный цвет.
После того, как просушивающей продукции будет дана тепловая энергия, вода, которая находится в составе продукции, превращается в пар. Пар выводится через воздухоотвод, расположенный в верхней части сооружения вместе с прогретым теплым воздухом. Режим сушки определяется воздуховодом, регулирующей интенсивность воздухообмена. Причиной того, что теплый воздух выводится через воздухоотвод является разница температур в верхней и нижней части сооружения. Температура на нижней полке ниже.
2.2. Условия проведения эксперимента.
Эксперимент проводился дважды: март 2025 года(сушка укропа) июль (сушка грибов). Через каждый час измерялась температура воздуха в шкафу. Образцы укропа и грибов были подготовлены путем промывания и нарезки на одинаковые размеры для обеспечения равномерной сушки.
Температуру воздуха в гелиоустановке измеряли электронными термометрами. Фиксировалась температура в течении 6 часов эксперимента.
После того, как была рассчитана средняя температура воздуха в камере согласно, также построены графики средней температуры внутри камеры в течении дня. (рис 6,7).
(рис 6) (рис 7)
Для достижения более высокого качества сушеного продукта температура внутри гелиоустановки не должна превышать 35 - 400С.
2.3. Анализ физических параметров солнечной установки.
Гелиоустановка, сориентирована на юг. Угол наклона зависит от географической широты нашей местности. [2]
Таким образом, для нашего региона, который находится около города Березино (широта 53°50′) оптимальными углами наклона будут:
для лета: 25,8°С; для весны и осени: 51,1°С.
Температуру атмосферного воздуха в гелиоустановке измеряли ртутными термометрами, а падения влаги за сутки определяли путем взвешивания. Приложение 7(Таблица1,2,3,4), Приложение 8.
Необходимо отметить, что сушка выполнялась исключительно в дневное время с 10.00 до 16.00.
В ночное время продукт отлеживался в сушилке до следующего дня. Поэтому на графике Приложение 8 рис1 указано общее время сушки и отлеживания в сушилке. При отлеживании продукта в сушилке в ночное время продукт вновь приобретал некоторую влажность.
Диаграмма тепловой мощности нашей гелиосистемы рассчитана по месяцам март – октябрь и представлена в Приложении 6. Откуда видно, что самое эффективное использование установки при наибольшей мощности 1215Вт будет целесообразно в мае-июне.
При отсутствии плодоовощного сырья температура в установке достигала в летнее время 60°С, после заполнения продуктом снижалась на 15-20°С. На графиках (рис 6,7) указаны средние показатели температур, когда все выдвижные ящики в гелиоустановке были загружены продукцией.
Обработка экспериментальных результатов (рис 8) указывает на то, что понижение влажности проходит достаточно эффективно.
(рис 8)
Образцы укропа высохли за 48 часов, образцы грибов за 36 часов.
Средняя убыль влаги в гелиоустановке за сутки из нарезанных укропа и грибов ( на 300г продукта),г составила 76,5 грамм для укропа и 97,5 грамм для грибов.
2.4. Расчет экономической выгоды.
Для сравнительного анализа в рамках экономии денежных средств, мы использовали электрическую сушилку, приобретенную нами в магазине, которой пользовались до этого несколько лет. Мощность сушилки, по данным технических характеристик Р = 240В. Время сушки укропа (300грамм) составило t = 5 ч. Тариф потребляемой электроэнергии на сегодня 0,28 бел руб – 1кВт/ч
Итого, если посчитать расход электроэнергии и перевести его в ценовую плоскость, мы имеем: 0,240кВт × 5ч × 0,28 бел. руб. = 0,34 бел. руб.
Экономия электроэнергии всего лишь на пучке укропа составила 34 копейки. Впереди летний сезон, сбор урожая с приусадебного участка, а также активные походы в лес за грибами и ягодами. Экономия будет больше в сотни раз.
Заключение.
В ходе работы изучена теория вопроса, собрана экспериментальная установка и апробирован процесс сушки укропа и грибов, построена диаграмма мощности установки, проанализирована температура внутри сооружения. Сделано экономическое обоснование преимущества использования солнечного шкафа относительно электросушилки.
Солнечный шкаф был создан с расчетом на простоту и экономичность из доступных и подручных материалов.
Проанализировав результат нашей работы, можно сделать вывод о том, что на широте нашего региона (города Березино) солнечная установка с естественной конвекцией может быть использована для сушки различных видов продукции.
Гипотеза, что с помощью гелиоустановки, изготовленной в домашних условиях, возможно снижение затрат на электроэнергию; правильное проектирование и такой системы позволяет эффективно использовать солнечную энергию при заготовке продукции посредством сушки, полностью подтвердилась.
Однако, многие альтернативные источники энергии обладают невысоким КПД, но массовое и многоразовое их использование может позволить сэкономить определённое количество природных запасов полезных ископаемых, улучшить экологическую ситуацию.
-
Недостатками использования солнечных сушилок может являться:
-
использование возможно лишь при благоприятных погодных условиях;
-
для эффективного использования необходимо точно фокусировать угол падающих солнечных лучей.
Следует отметить, что расположенный в нижней части сооружения, и ускоряющий естественную конвекцию коллектор повышает эффективность нашей гелиосушилки. Однако добавление принудительной вентиляции ускорило бы этот процесс. Также можно рассмотреть варианты теплоизоляции сушильного шкафа для минимизации потерь тепла.
Экономия электроэнергии всего лишь на пучке укропа составила 34 копейки. За сезон заготовок в летне– осенний период экономия будет увеличиваться в сотни раз. А для нашей большой семьи из 7 человек – это очень важно и существенно.
Солнечная сушилка камерного типа с естественной конвекцией воздуха найдет широкое применение для населения, занимающегося хранением и переработкой различного плодоовощного сырья или заготовкой лекарственных растений. Благодаря данной работе солнечная сушка сыграет большую роль в экономии средств и методах ведения подсобного хозяйства для моей семьи в сельской местности.
Литература:
-
А.В. Лыков. Теория сушки. – М.: Энергия, - 1968. – 470 с.
-
Н.А Лукашевич «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ» Belarusian national technical university, Minsk, Belarus
-
Справочник по климату Беларуси. Часть 1.: /Государственный климатический кадастр. – Минск, 2017. – 85 с.
-
А.С. Енохович. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990. – 384с
-
Ю.А Лосюк, В.В. Кузьмич «Нетрадиционные источники энергии»,Минск УП «Технопринт», 2005-234 с.
-
https://belgidromet.by
-
https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/6576/1/solnechnaya-ehnergetika-sostoyanie-i-perspektivy-ee-ispolzovaniya-v-respublike-belarus.pdf
-
https://energobelarus.by/a
-
https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-usovershenstvovannoy-sushilki-fruktov-i-vybor-poverhnostey-obrazuyuschih-yavlenie-estestvennoy-konvektsii
-
STRB.BY
-
https://sushilka22.ru/