VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергетическое обеспечение автономной усадьбы на «дальневосточном гектаре» (модель)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Соловьев Б.Е. 1

---

1МОАУ СОШ №2 ЩМР МО

Фаизова Л.Х. 1

---

1МОАУ СОШ №2 ЩМР МО

Работа в формате PDF

439.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Дальневосточный федеральный округ (ДФО) составляет систему крупных контрастных районов площадью 6,2 млн км² (36,3% площади страны) [1, с.260]. Население ДФО составляет 5% населения страны, которое неуклонно сокращается – за последние 30 лет оно уменьшилось на 1,5 млн человек [1, с.262]. Указ президента Российской Федерации от 1 мая 2016 года (№119-ФЗ) «Об особенностях предоставления гражданам земельных участков, находящихся в государственной или муниципальной собственности и расположенных на территориях субъектов Российской Федерации, входящих в состав Дальневосточного федерального округа, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» позволяет с 1 октября 2016 года населению ДФО, а с 1 февраля 2017 года всем гражданам России получить в «одни руки» земельный участок 1 гектар [2]. Земельные участки, предусмотренные законом о «дальневосточном гектаре», должны выделяться гражданам в местах с хотя бы минимальной инфраструктурой, заявил президент Владимир Путин [3].

Актуальность проблемы заключается в том, чтобы создать такие условия жизни и деятельности человека, которые позволили бы использовать возобновляемые источники энергии для обеспечения комфортных условий жизни вдали от цивилизации. Цель проекта состоит в конструировании модели усадьбы (обустройство дома с необходимыми постройками на участке земли), для функционирования которой были использованы возобновляемые энергетические ресурсы на основе, как природных особенностей отдельных районов Дальневосточного федерального округа, так и желания и возможностей хозяина-дальневосточника.

В соответствии с проблемой исследования и для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- исследовать соответствующую литературу по использованию альтернативных источников энергии;

- произвести расчеты энергетических потребностей семьи, состоящей из 5 человек. Семья содержит КРС (крупнорогатый скот) и МРС (мелко-рогатый скот), имеет домашнюю теплицу, обеспечивающую потребности семьи в овощах в зимних условиях, участок (1 га на одного человека) обрабатываемой земли;

- произвести расчеты энергии, получаемой при использовании возобновляемых источников энергии: энергии солнца, энергии ветра и энергии, выделяемой при гниении биомассы;

- разработать схемы устройства основных и вспомогательных построек усадьбы;

- создать модель автономной усадьбы, энергетическое обеспечение которой происходит на основе использования возобновляемых источников энергии.

Методы решения:

1. теоретический метод: анализ результатов использования человеком солнечных батарей, ветродвигателей и выделения горючего газа при гниении биомассы;

2. статистической метод обработки литературных данных;

3. математический метод расчета потребляемой энергии, а также получаемой от возобновляемых источников энергии;

4. практический метод: создание модели автономной усадьбы, демонстрирующей использование возобновляемых источников энергии.

1. Использование возобновляемых видов источников энергии в условиях Магаданского края Дальневосточного федерального округа

1.1 Причины выбора Магаданского края для применения модели автономной усадьбы с независимым энергетическим обеспечением

Земельный участок площадью 1 га выделяется гражданину для индивидуального жилищного строительства, ведения личного подсобного хозяйства, садоводства, дачного хозяйства с учетом существующих ограничений прав на землю и возможности сочетания таких видов использования земельного участка с его деятельностью. В ПРИЛОЖЕНИИ представлены некоторые бизнес-проекты, краткое описание которых может помочь людям выбрать направления деятельности, связанной с природными и экономическими особенностями выбранного района ДФО [4].

Дальний Восток чрезвычайно контрастен по природным и экономическим условиям. На юге плотно заселены плодородные равнины Амурской области, Приморского и Хабаровского краев. В рельефе Магаданской области основное место занимают горные хребты, и только на побережьях Охотского моря, в низовьях рек расположены небольшие равнины [5]. На Колыме было подано меньше всего заявок на получение бесплатного «дальневосточного гектара», по отношению к остальным частям ДФО [6]. В Магаданской области освоение территории из-за суровых природных условий ведется выборочно [1, с.264]. Область в 2015 году обеспечивала себя картофелем на 90%, овощами – больше 40%, куриными яйцами – на 70% [5]. Вполне вероятно, что человек с семьей на своих гектарах сможет обеспечить себя не только достаточной продуктовой корзиной, но и энергетической независимостью.

1.2 Возобновляемые источники энергии, которые можно использовать в Дальневосточном федеральном округе

В условиях ДФО в соответствии с его климатическими условиями возможно использование энергию ветра, солнечного света, биологическое топливо.

«Роза ветров» в Магаданской области. Для того, чтобы понять в каком месте своего дальневосточного участка хозяину следует устанавливать ветроэнергодвигатели, необходимо определить основные направления движения ветра. Использование знаний среднегодовых направлений ветра в Магаданской области (таблица 1) позволило нам построить диаграмму «Роза ветров» (рис.1).

Таблица 1. Среднегодовые направления ветров в Магаданской области [7]

Рис. 1. Диаграмма «Роза ветров» в Магаданской области

На Колыме преобладают муссоны, которые летом дуют на запад, а зимой на восток [8]. Поэтому использование ветроэнергоустановок является очень удобным способом получения возобновляемой энергии в Магаданской области.

Устройство ветроэнергогенератора. Оптимальные параметры для ветроэнергоустановок следующие: высота составляет примерно 10 м, длина лопастей ветрогенератора – 6 м. На установке должны быть установлены: поворотный механизм, анемометр, соединённый с ним через микросхемы, и трансформатор с аккумулятором. Также необходима тормозная система, соединенная с ваттметром, который при показаниях выше 3500 Вт замыкает цепь и тормозит вал винта. В противном случае случился бы перегрев электрогенератора и поломка системы.

Энергия Солнца. Поток солнечной энергии, поступающий в Магаданскую область, незначителен, поэтому солнечные батареи будут давать мало энергии [7]. Однако в качестве дополнительного источника энергии возможно использование солнечных батарей. По данным климатической карты, мощность излучения Солнца в Магаданской области равна 3,7 (кВт·ч/день)/м²[7].

Биологическое топливо. В перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза можно отнести: навоз, птичий помёт, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного цеха, травы, бытовые отходы, отходы молокозаводов и производства соков, водоросли, отходы производства крахмала и патоки,  отходы переработки картофеля и т. п. [9].

Рис.2. Схема устройства газгольдера

В биомассе (навоз, бытовой пищевой мусор) содержится около 40% органики, остальное – вода и минералы [8]. Бак для биомассы, изготовленный из нержавеющей стали, имеет 4 выхода: для метана, для СО₂, для воды и твёрдого остатка и предохранительный клапан с манометром. Внутри устанавливаются датчики, определяющие концентрацию соответствующего газа (рис.2).

1.3 Расчет количества энергии, получаемой от возобновляемых источников энергии на примере Магаданской области

Расчет мощности ветрогенератора. Мощность потока ветра, набегающего на лопасть ветрогенератора можно рассчитать по формуле , где – плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении, – обдуваемая площадь, – средняя скорость ветра [8]. Известны следующие характеристики: длина лопастей L= 6 м; скорость ветра =3,7 м/с; плотность воздуха =1,03 кг/м³; КПД ветрогенератора η = 40% [8]. Произведенные расчеты показывают, что обдуваемая площадь , мощность потока ветра Вт, а мощность 1 ветрогенератора Р = 2950·0,4 = 1180 Вт.

Расчёт мощности солнечной батареи. Удельная мощность потока солнечного излучения на 1 м² рассчитывается по формуле N=η·R, где η – КПД солнечной батареи; R - поток солнечного излучения, приходящееся на 1 м² в день. Наиболее часто используемые кремниевые батареи имеют коэффициент полезного действия примерно η=21% [8], а поток солнечного излучения, приходящееся на 1 м² в день, составляет R=3,7 [10]. Зная, что 1 кВт·ч = 3,6·10⁶Дж, а длительность 1 день = 86400 с, то расчет потока солнечного излучения указывает на следующую величину: . С учетом выше указанных величин, была получена расчетная величина мощности солнечного излучения с поверхности 1 м² солнечной батареи равная N= 154,167·0,21 = 32,68 Вт.

Расчёт мощности, получаемой при использовании биотоплива. Из 1 кг сухого вещества биомассы выделяется до 300-500 литров газа с содержанием метана 50-87%, остальное – углекислый газ и примеси водорода и сероводорода. На практике из 1 кг сухого вещества получается лишь 250-300 л газа с содержанием метана 65%. [8]. Следовательно, из 1 кг навоза крупного рогатого скота (КРС) (содержание органики – 20% [8]) выделяется количество метана 300 л·20%·65% = 39 л. Рассчитаем количество теплоты, получаемое из 1 кг биотоплива (навоза КРС). Сначала определим массу метана. Воспользуемся табличным значением плотности метана, которое равно ρ = 0,7168 кг/м³. Масса метана из 1 кг навоза:

=.

Метан – энергоемкое по удельной теплоте сгорания вещество; удельная теплота сгорания топлива составляет 4,5·10⁷ Дж/кг [11, с.53]. Рассчитаем количество тепловой энергии Q, получаемое из 1 кг биотоплива (навоза КРС): . Одно крупное рогатое животное в среднем производит около 30 кг навоза в сутки [12], что позволяет получить около 37,8·10⁶ Дж = 378 МДж.

Известно, что 1 птица производит в среднем 200 г навоза в день, а 1 овца – 4 кг навоза в сутки [12]. Из 1 кг навоза птицы или мелкого рогатого скота (МРС) (органика – 25%) получается метана: и, соответственно, масса метана .

Количество теплоты, получаемое из 1 кг биотоплива (навоза или МРС) равно .

Допустим, что в хозяйстве фермера 10 особей крупнорогатого скота, 50 кур, 5 особей мелко рогатого скота. Результаты расчета количества тепловой энергии, получаемой при сжигании метана, выделенного из биотоплива за один день жизни фермерского хозяйства, представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Количество тепловой энергии при сжигании метана из биотоплива

Суммируя, получаем величину энергии, выделенную при сгорании метана из биотоплива за 1 день работы фермерского хозяйства, равную 425, 25 МДж. Остальную биомассу можно просушить в отдельной ёмкости и использовать, как топливо или удобрение.

1.4 Потребности в энергетическом обеспечении автономной усадьбы на «дальневосточном гектаре»

Рассмотрим потребности в потреблении энергии одной семьи, живущей в условиях Магаданской области. Семья состоит из 5 человек и живет в двухэтажном доме на участке, на котором находятся: сад, огород, теплица для выращивания необходимых овощей в зимний период, помещения для КРС и МРС, ветроэнергоустановки, панели солнечных батарей, баки для биоотходов с газгольдером. При проживании в усадьбе и ведения подсобного хозяйства и бизнеса необходимо обеспечить потребности семьи в электроэнергии и отоплении. Для отопления жилого дома, теплиц, фермы и птичника целесообразно использовать метан, выделяемый биотопливом, а также энергию ветрогенераторов. Для освещения жилого дома, усадьбы и хозяйственных построек, а также для работы водяных и других насосов целесообразно использовать электрическую энергию, получаемую от ветрогенераторов и солнечных батарей.

Расчет бытовых потребностей семьи в электроэнергии. При освещении жилого дома необходимо 30 светодиодных ламп мощностью 11 Вт, т.е. 330 Вт. Для освещения теплицы и фермы потребуется по 10 светодиодных ламп с общей мощностью 220 Вт. А при работе бытовых приборов (чайник, холодильник, стиральная машина, компьютер, микроволновая печь и т. п) – 320 Вт.

Расчет мощности на отопление дома. Расчет мощности для отопления дома: , где S – отапливаемая площадь (м²), т.е. [13]. На генерацию тепловой мощности 1 кВт идет 0,12 м³ газа в час. В месяц расход газа с учетом КПД котла и времени работы составит 432 м³ [13]. Таким образом, потребление электрической энергии лампами освещения, а также бытовыми устройствами за год составит в среднем 1841,16 кВт·ч. Все рассчитанные потребности в электроэнергии, а также количество вырабатываемой энергии при использовании разных видов возобновляемых источников энергии показаны в Таблице 3.

Согласно приведенным данным, представленным в Таблице 4, вырабатываемое количество энергии при использовании только лишь некоторых видов возобновляемых источников энергии превышает потребности автономной усадьбы в год в два раза.

Таблица 3. Средняя потребность в электроэнергии для работы автономной усадьбы

Таблица 4. Сравнение количеств потребляемой для нужд автономной усадьбы энергии и вырабатываемой энергии от возобновляемых источников энергии за год

Вывод: при сравнении количества теплоты, необходимой для нормального функционирования автономной усадьбы с количеством вырабатываемой энергии от трех видов возобновляемых источников энергии, можно утверждать, что жители, живущие вдали от якобы «благ цивилизации», смогут обеспечить себе комфортные условия для жизни и работы.

2. Создание модели автономной усадьбы в Магаданской области на выделенном «дальневосточном» гектаре, приспособленной к использованию некоторых видов возобновляемой энергии

2.1 Разработка схемы модели по устройству основных и вспомогательных построек автономной усадьбы

С учетом приведенных расчетов, мы попытались создать примерный план усадьбы с автономным энергетическим обеспечением (рис.3)

Рис.3. Примерный план схема конструирования автономной усадьбы

По план-схеме предлагается экономное использование имеющихся земельных ресурсов. Например, теплица расположена на земельном участке с тем, чтобы летом земля могла восстановиться после того, как был убран в ней весь урожай. Так же возможен вариант устройства в автономной усадьбе гибридной установки, которая может состоять из ветроустановки и панели солнечных батарей.

Первоначально нами планировалось использовать в качестве действующей панели солнечных батарей фотоэлемент от электронного конструктора «Знаток». Однако из-за конструктивных особенностей нам пришлось заменить фотоэлемент на модель панели солнечных батарей, изготовленной из пищевой алюминиевой фольги.

Также планировалось использовать в качестве индикатора, подтверждающего выработку электроэнергии солнечными батареями и ветроустановкой, две светодиодные лампы от электронного конструктора «Знаток». Мы полагали, что модель должна быть действующей. Понятно, что для того, чтобы солнечные батареи вырабатывали электроэнергию, необходимо достаточное освещение. В нашем случае, солнечное излучение мы пытались заменить светом, идущим от обычного светового фонарика мобильного телефона. Светодиодная низковольтная лампа, соединенная с панелью солнечных батарей, загорается при таком освещении.

Чтобы засветилась лампа, присоединенная к ветроустановке (вентилятору), мы пытались направить на короткие лопасти вентилятора струю воздуха от фена бытового. Использование этих дополнительных устройств в помещении позволило бы продемонстрировать широкие возможности использования разных видов возобновляемых источников энергии, которые экономически более выгодны и экологически чистые. Однако попытки действительной выработки электроэнергии при помощи ветроэнергоустановок и световых лучей при использовании указанных выше материалов оказались не успешными. Поскольку выработка метана из биотоплива и последующее сжигание метана не допускается правилами по технике безопасности, мы не стали пробовать создавать действующую газовую установку. Вследствие выше указанных причин мы решили выполнить не действующую модель «Энергетическое обеспечение автономной усадьбы на дальневосточном гектаре», а в виде модели, имитирующей действующую модель.

2.2 Использование различных средств и технических устройств по созданию модели «Энергетическое обеспечение автономной усадьбы на «дальневосточном гектаре»

Для создания основы действующей модели «Энергетическое обеспечение автономной усадьбы на «дальневосточном гектаре» мы использовали кусок оргалита 55х35 см. Основные объекты усадьбы (жилой дом, теплица, коровник, панель солнечных батарей, ветроэнергоустановка, теплицы, и т.д.) были изготовлены из различных материалов: бумага, картон, фольга, пластиковые бутылки, приобретенные в различных магазинах. В качестве модели ветроэнергоустановки был использован вентилятор для охлаждения DX40 DEXP (воздушное охлаждение процессора). Для соединения электрических частей проекта были использованы медные соединительные провода. Для питания электрической части модели применялся одноразовый источник тока «Крона» 6F22 солевой.

2.3 Создание модели автономной усадьбы с независимым энергетическим обеспечением

Полагаем, что для демонстрации выработки энергии возобновляемыми источники энергии более существенно и важно рассмотреть принцип энергетического обеспечения отдельно отстоящего земельного участка.

В процессе работы по теме исследования была изготовлена модель, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Модель автономной усадьбы на «дальневосточном гектаре» с энергетическим обеспечением от возобновляемых источников энергии

На рисунке 4 показаны основные элементы энергообеспечения автономной усадьбы, которые состоят из:

- газгольдера с автоматическим контролем давления смеси газов в нем, две емкости с биотопливом: одна из которых заполняется навозом, а другая находится в состоянии выработки биогаза (рис.8);

- панели солнечных батарей на крыше дома;

- ветроэнергоустановок (три ветряка) с учетом «розы ветров» для данной местности.

Все объекты (двухэтажный жилой дом; ферма для крупнорогатого и мелкорогатого скота и птицы; гараж для автомашин и помещение с навесом для хранения кормового зерна и сена; теплица для зимнего обеспечения семьи овощной продукцией и всякой зеленью) снабжаются теплом, получаемым при работе газогенератора на основе сжигания биогаза. Кроме наличия автопарка, для быстрого сообщения с близлежащими селениями и городскими поселениями, имеется место для взлета и посадки легкого вертолета.

Вывод: Простыми средствами создания модели и техническими приспособлениями создана действующая модель автономной усадьбы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Расчеты показали, что энергетические потребности лишь только одной семьи, живущей вдали от магистрального газопровода и ЛЭП, вполне удовлетворяют экологически безопасные и возобновляемые источники энергии. Избыток выработанной энергии можно использовать для работы утепленного стойлового помещения для КРС и МРС, функционирования теплицы на приусадебном участке зимой и дальнейшее облагораживания почвы, а также продавать энергетическим компаниям.

Можно полагать, что в результате постоянного повышения цен за потребление электроэнергии и удорожание тепловой энергии, многие жители страны, живущие в своей усадьбе, также начнут использовать возобновляемые источники энергии. Следовательно, любая семья, имеющая не только «дальневосточный гектар», но «гектары» в любом малозаселенном месте России, может обустроить такие автономные усадьбы вдали от центральных поставок тепла и электрической энергии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Дронов В.П., Ром В.Я. География: География России: Население и хозяйство, 9 кл.: учебник /В.П.Дронов, В.Я. Ром. – 3-е изд., стереотип., – М.: Дрофа, 2017. – 286 с.

2. http://kremlin.ru/acts/bank/40772 – Дата доступа 31.12.2017

3. https://news.sputnik.ru/ekonomika – Дата доступа 31.12.2017

4. https://надальнийвосток.рф/– Дата доступа 27.12.2017

5. https://ru.wikipedia.org/ – Дата доступа 27.12.2017

6. https://minvr.ru/press-center/news/17068/ – Дата доступа 27.12.2017

7. https://world-weather.ru/ Дата доступа 22.01.2018

8. https://ru.wikipedia.org/ Дата доступа 22.01.2018

9. Советский энциклопедический словарь./гл.ред.А.М.Прохоров. – 2-е изд., с изменениями., – М.: Советская энциклопедия, 1982. – 1632 с.

10. https://Ural.net – Дата доступа 28.01.2018

11. Перышкин А.В. Физика: 8 кл.: учебник /А.В.Перышкин. – 2-е изд., стереотип., – М.: Дрофа, 2017. – 237 с.

12. http://zoovet.info дата доступа 26.02.2018

13. http://obustroen.ru дата доступа 26.02.2018

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1. Некоторые бизнес-проекты, разработанные для возможного использования на «дальневосточном гектаре»

Название	Срок окупаемости	Первоначальный объем инвестиций, руб
Пункт по сбору, переработке и реализации дикоросов	39 мес	7 180 000
Выращивание голубики узколистной	36-48 мес	600 000
Детский лагерь	36-48 мес	33 556 000
Проект создания дома престарелых	66 мес	28 454 000
Солнечный круглогодичный биовегетарий	36 мес	7 860 000
Выращивание рыбы в условиях замкнутого водоснабжения	24 мес	от 12 000 000
Автосервис	24 мес	5 718 000
Производство окон ПВХ	2 года 3 мес	12 800 000
Производство полуфабрикатов	1 год 7 мес	7 576 000
Тепличное хозяйство	2 год 6 мес	13 760 000
Строительство коровника	2 года 8 мес	5 000 000
Птицефабрика	3 года 4 мес	7 640 000
Производство бутилированной воды	1 год 4 мес	8 654 000
Организация лесопильного производства	3 года 8 мес	9 270 000
Автомойка	12 мес	4 100 000
Мини-гостиница	2 года 3 мес	8 750 000
Мини-пекарня	1 год 1 мес	10 206 000
Туристическое агентство в ДФО	1 год 9 мес	1 428 685
Производство деревянных домов	3 года 8 мес	31 652 000
Производство мебели	2 года 3 мес	13 988 637
Производство из солнечной энергии	84 мес	24 500 000
Дом быта	9 мес	4 067 363
Выращивание грибов шиитаке	20 мес	от 600 000
Производство товарного бетона	2 года 4 мес	18 562 000
Пчелиная пасека	6 мес	380 000
Овощехранилище на территории Хабаровского края	3 года	16 675 000
Ресторан быстрого питания в ДФО	33 мес	5 531 975
Создание рыболовного хозяйства	50 мес	8 600 000
Проект создания охотничьего хозяйства	67 мес	15 061 000
Мясное животноводство	8 мес	3 000 000
Питомник по выращиванию растений	30 мес	5 296 000
Молочное животноводство: крупный рогатый скот	60 мес	16 700 000
Молочное животноводство: овцы	25 мес	5 000 000
Молочное животноводство: козы	16 мес	3 400 000
Выращивание клубники в открытом грунте	12 мес	900 000