Умные энергетические дома

Умному дому — «зеленое» энергоснабжение

Рынок умных домов развивается рука об руку с сегментом малой «зеленой» энергетики. И это вполне логично, ведь домовладельцы по всему миру устанавливают системы «умный дом» не только для того, чтобы сделать свои жилища более комфортными и безопасными. Не менее важная причина — стремление экономить на электричестве. В этом смысле использование возобновляемых источников энергии хорошо укладывается в общую идею умного дома. Так, в США около четверти владельцев умных домов рассматривают возможность установки в своих домохозяйствах солнечных батарей или небольших ветрогенераторов, выяснили исследователи из университета штата Колорадо. Эксперты отмечают, что с появлением новых продуктов для «зеленой» энергетики процент таких домохозяйств будет только расти, и этот тренд виден уже сейчас.

Например, не успела компания Tesla открыть прием предзаказов на кровельную черепицу со встроенными солнечными батареями, как клиенты раскупили ее на год вперед. «Солнечная» крыша Tesla представлена в четырех стилях — «тосканская черепица», «натуральный сланец», «гладкое стекло» и «текстурированное стекло». Два последних доступны для заказа с мая 2017-го. Основатель Tesla Илон Маск утверждает, что новый кровельный материал прослужит гораздо дольше, чем обычная крыша — 50 лет вместо 20. Если расценки на электричество в США сохранятся на нынешнем уровне, то за 30 лет кровля из «солнечной» черепицы площадью чуть больше 185 кв. м даст экономию $64 тыс.


«Солнечная черепица» Tesla

Но Tesla — далеко не единственная компания, которая стремится развивать продукты для «зеленой» энергетики, которые можно использовать в умных домах. Ниже — краткий обзор умных энергетических новинок, появившихся на рынке в последнее время.

Умный «солнечный» дом под ключ

В сентябре 2016-го компания SunCulture представила решения SolPad и SolPad Mobile. Эксперты считают их лучшими новинками этого года в области зеленых энерготехнологий.

SolPad — это солнечная панель, аккумулятор, инвертор, а также управляющее программное обеспечение в одном корпусе, предназначенном для монтажа на крыше дома. Батарея расположена на задней стенке панели. В ней используется литий-ионный аккумулятор не на жидком электролите, как, например, у аккумуляторных батарей Tesla Powerwall, а на твердом. Как утверждает компания, такой электролит не столь огнеопасен и имеет больший диапазон рабочих температур. Кроме того, батарея на твердом электролите прослужит дольше, чем стандартный литий-ионный аккумулятор.

Солнечные панели SolPad стыкуются как детали детского конструктора с помощью приспособления под названием Connect. Самая последняя панель в такой связке подключается к обычной домашней электрической розетке: никакой специальной проводки в доме не требуется.


Умные солнечные панели SolPad

Каждая панель SolPad может подавать электроэнергию в домашнюю электросеть, в энергосеть общего пользования или во встроенный аккумулятор — все зависит от настроек, выбранных домовладельцем. Умный инвертор FlexGrid переводит дом в режим автономного энергоснабжения, если обнаруживает сбой в подаче питания из общей сети.

Аккумулятор каждой солнечной панели выдает 0,5 кВт*ч электроэнергии. Кроме того, под заказ можно установить более мощную батарею (до 1 кВт*ч). В общей сложности собранная система SolPad способна генерировать около 12,5 кВт*ч энергии.

В дополнение к панелям компания SunCulture предлагает умное реле для розеток SolControl. Для бытовых приборов с большой потребляемой мощностью, например водонагревателей, предусмотрено другое реле — SolControl Breaker. Оба устройства вставляются в обычные электрические розетки и превращают их в умные. Благодаря SolControl домовладельцы получают возможность удаленно управлять всеми домашними электрическими приборами. Каждое реле «общается» с солнечными панелями через беспроводное соединение с помощью программного обеспечения SolControl.


Умное реле для розеток SolControl

Программа SolControl выдает подробную информацию о том, сколько электроэнергии производит каждая солнечная панель, каков запас энергии в данный момент в ее аккумуляторе и сколько потребляет каждое устройство в доме. Полезная функция — возможность направлять электроэнергию от отдельных панелей к конкретным домашним устройствам, приборам или комнатам. Приложение также напоминает пользователю о том, что он, например, забыл выключить электроприбор, уходя из дома.

По заверению производителя, при установке «умной» энергоэффективной системы SolPad можно сэкономить на 50% больше электроэнергии по сравнению с конкурирующими продуктами.

Мобильная энергоэффективность

Как мы уже упоминали, модельный ряд компании SunCulture включает еще одно решение: портативную солнечную панель SolPad Mobile. Она достаточно компактна, чтобы человек мог его легко поднять и перенести. На задней стенке — порт для подключения к обычной электрической розетке, через которую панель снабжает энергией электросеть здания, разъем для подключения к другому устройству SolPad, а также несколько USB-портов для зарядки телефонов и других гаджетов.

Любое количество панелей SolPad Mobile можно легко соединить друг с другом и сформировать импровизированную солнечную микроэлектростанцию.


Переносная солнечная панель SolPad Mobile

Кроме того, SolPad Mobile способна «общаться» с пользователем. В панели установлено программное обеспечение и чувствительная к нажатию область. Нажав на нее, можно получить голосовые инструкции о том, как лучше сориентировать устройство относительно солнца, узнать, сколько электроэнергии панель производит в данный момент, и какой заряд остался в аккумуляторах.

Основной рынок для SolPad Mobile — страны, где есть проблемы с электроснабжением. На удаленных территориях без электрификации эта система может стать надежным источником электроэнергии для зарядки мобильных устройств и освещения территории. А в дачных домах, подключенных к ненадежным электросетям, SolPad Mobile станет резервным источником питания на случай перебоев с энергоснабжением. Другие способы применения — подача электроэнергии в полевые госпитали на территориях, пострадавшей от стихийных бедствий, резервное питание для оборудования выездных ремонтных бригад и т.п.

Энергогенерирующие окна

Летом 2016 года компания Solar Window Technologies, которая работает в сотрудничестве с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии США, представила инновационное решение SolarWindow. Компания создала окно, способное генерировать электроэнергию. Ее производит прозрачное органическое электрогенерирующее покрытие, наносимое тонким слоем на стекло или гибкий пластик. По проводам толщиной всего 50 микрон система SolarWindow Intra-Connection System передает электричество к оконной раме, подключенной к общей системе электроснабжения здания.


Окно Solar Window с энергогенерирующим покрытием

Solar Window утверждает, что ее «солнечные» окна обладают преимуществом перед традиционными фотоэлектрическими панелями: они демонстрируют более высокую производительность при естественном и искусственном освещении, и работают даже в тени. Компания считает, что ее окна идеально подойдут для больших городских зданий и небоскребов: там ее решения могут показать в 50 раз более высокую эффективность, чем традиционные фотоэлектрические панели. Solar Window объясняет это тем, что обычные панели монтируют только на небольшой площади крыши. «Солнечные» окна, напротив, могут покрыть все здание и захватывать намного больше света.

Окупаемость решения — всего один год, утверждает Solar Window. Секрет — в относительной дешевизне массового производства электрогенерирующего покрытия. Этот процесс не требует высокотемпературных или высоковакуумных технологий, как при изготовлении других тонкопленочных фотоэлементов.

Решение SolarWindow открывает новые возможности для рынка высотного строительства. Например, около 40% энергопотребления в США приходится на коммерческие высотные здания. Полная установка системы SolarWindow Intra-Connection System на все окна небоскреба может обеспечить его потребность в электроэнергии на 30–50 %. А при подключении “солнечных окон” к системе “умное здание” этот процент может оказаться еще больше.

В сентябре 2016 года, спустя пару месяцев после презентации «солнечных окон», Solar Window Technologies начала разработку прозрачных электрогенерирующих пленочных покрытий с креплением для обычных окон. Если продукт окажется успешным, то им можно будет покрывать стеклянные стены существующих небоскребов.

Зеленая энергетика для умного дома: начало пути

Пока неизвестно, станут ли коммерчески успешными продукты, о которых мы рассказали. Но тренд очевиден: связка “умный дом” и “малая альтернативная энергетика” привлекает все больше внимания как производителей, так и потребителей. В обозримом будущем можно ожидать появления более дешевых и простых в использовании устройств для производства и хранения электроэнергии из альтернативных источников, а также более совершенных алгоритмов управления ими в умных домах. Возможно, уже совсем скоро такие решения навсегда изменят и наши жилища, и способы генерации и потребления электроэнергии.

Источник

Умные энергетические дома

    Главная
  • Список секций
  • Физика
  • Энергостанции прошлого, настоящего, будущего. Умный дом.

Энергостанции прошлого, настоящего, будущего. Умный дом.

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Актуальность. Все сферы жизни современного человека связаны с использованием в них различных источников энергии. [10] Традиционные источники энергии [1] — нефть, газ, каменный уголь, дрова — со временем иссякнут, кроме того, их использовании неизбежно может привести к экологической катастрофе: загрязнение атмосферы, вред растительному и животному миру, парниковый эффект. Проблемы перехода от традиционных углеводородных источников энергии, снижения энергопотребления и рационального использования вырабатываемой энергии — с каждым годом становятся все более актуальными.

Объект исследования – использование человечеством источников энергии.

Предмет исследования – источники энергии, способы её получения, пути рационального использования и снижения энергопотребления.

Цель – изучить все возможные источники энергии прошлого и настоящего и найти оптимальный способ перехода от традиционных на сегодняшний день источников энергии к альтернативным.

— найти и изучить информацию о используемых человечеством источниках энергии в прошлом: от древнего мира к средневековью до конца XIX века;

— найти и изучить информацию о современных электростанциях: источник энергии, способ выработки электричества.

— установить основные (наиболее значимые) проблемы, возникающие в результате выработки и потребления энергии современным человечеством;

— узнать о видах электростанций в г.Тюмени и изучить основные принципы работы ТЭЦ-2 г.Тюмени

— рассмотреть все возможные альтернативные источники энергии и современные способы их использования.

— изучить пути решения наиболее значимых проблем энергообеспечения и энергопотребления в городе Тюмени на примере «умного дома»;

— построить модель «умного дома» дома на базе конструктора «LEGO» и провести демонстрацию. [3]

Гипотеза – предположим, что строительство энергоэффективных домов оптимизирует использование энергии, снизит потребление сетевой энергии, что в свою очередь благоприятно отразится на запасах энергоресурсов и экологической обстановке. Миниэнергостанции на современных высотках позволят не только снизить расходы жителей на потребление энергии и оптимизировать ее использование, но и гармонично впишутся в архитектуру современного мегаполиса.

Методы исследования: анализ, обобщение, описание, эксперимент.

    Глава 1. Источники энергии прошлого
      Энергия горения: от костра до теплового двигателя

Тепловая энергия (энергия горения) – это энергия, получаемая в результате сжигания горючих материалов, использовалась с древних времён для приготовления пищи, для обогрева и освещения, а также, в ремесленном деле.

Первым источником огня для человека был «дикий огонь», возникавший от удара молнии или лавы вулкана. Долгие тысячелетия человек поддерживал огонь в своём жилище, так как он ещё не умел его добывать. Открытие способов добывания огня произошло случайно: в процессе сверления древесина нагревалась, и в благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня (Приложение 1, рисунок 1.1). [7] В дальнейшем человеком были изобретены печи различных конструкций, которые использовались для обогрева помещений, приготовления пищи, обжига керамической посуды, плавления металлов, изготовления стекла. Различные лампы (лампады), свечи использовались для освещения.

Долгое время человечество использовало тепловую энергию для бытовых повседневных нужд. И лишь только в конце XVII века тепловую энергию воды, а именно пар стали рассматривать как средство для привода — это и стало началом эпохи развития тепловых двигателей. [10] В 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. В 1690 году Дени Папен построил первую паровую машину, известную также как паровой котел. Паровые машины активно использовались в различных отраслях промышленности в качестве источников механической энергии для различных приводов. Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегом-любителем. В 1763-1765 годах он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час (Приложение 1, рисунок 1.2).

Ветровая энергия – это энергия движения воздуха, которая издревле использовалась для перемола муки, охлаждения и нагрева помещений, передвижения по воде и суше.

Примерно 5,5 тысяч лет назад египтяне первыми научились использовать парус. [7] За 200 лет до нашей эры в Персии для размола зерна применялись простые ветряные мельницы с вертикальной осью вращения, а ещё раньше их использовали в Китае. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащённых поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря (Приложение 1, рисунок 1.3).

      Энергия воды: от водяного колеса до гидравлической турбины

Человеком с древних времён использовалась кинетическая энергия движущейся воды, которая с помощью специального устройства «водяного колеса» (водяного, гидравлического двигателя) преобразовывалась в механическую энергию. Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. в Египте, Китае, Индии и других странах для подъема воды в каналы. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов (Приложение 1, рисунок 1.4). [7] В средние века водяные колеса использовались для вращения станков, приведения в движение кузнечных мехов, поднятия руды из шахт.

Изначально водяные колеса были подливными, т. е. нижняя половина колеса просто погружалась в водный поток, затем были изобретены наливные колеса, в которых поток воды падал на верхнюю часть колеса (Приложение 1, рисунок 1.5). На смену водяному колесу – самому древнему двигателю пришла гидравлическая турбина. [8] Внешне от водяного колеса гидравлическая турбина отличается тем, что вода проходит через её колесо (между лопастями) насквозь, а с водяного колеса вода сходит в той же его части, где она на него поступает.

Первая гидравлическая турбина была построена в 1750 г. венгерским ученым Я. Сегнером. [7] В первой половине XIX в. появляются гидравлические турбины, примененные на практике. В России изобретатель И. Сафронов в 1837 г. создал и установил гидравлическую турбину на Алапаевском металлургическом заводе на Урале, а через 25 лет только в металлургической промышленности России уже работало 58 гидравлических турбин.

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. В жарких странах праотцы на солнцепёке сушили шкуры, готовили пищу на раскаленных камнях, в холодные же времена Солнце согревало и позволяло выжить. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. На Ближнем Востоке водяные и воздушные солнечные коллекторы использовались для обогрева дворцов (Приложение 1, рисунок 1.6).

Настоящий «солнечный бум» начался в XVIII столетии. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж.Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи и могло в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. [7] Шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель: деревянный ящик со стеклянной крышкой, в который наливалась вода и нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. [7] Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит — за минуту (Приложение 1, рисунок 1.7).

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены в конце XIX века на Всемирной выставке в Париже: инсолятор О. Мушо при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. [7]

    Глава 2 Энергостанции настоящего
      Электричество и генератор электрического тока

Многие тысячелетия человечество преобразовывало природную энергию напрямую в различного вида движения – вращательное (мельница, водяние колесо), поступательное (движение парусника), или использовало для нагрева чего-либо. Все изменилось с открытием электрической энергии – универсальной энергии.

Исследованием электрических явлений в начале XIX века занимаются многие ученые. [12] И конечно, перед всеми учеными стояла главная задача – получение электричества. Источников энергии на планете Земля неизменны и постоянны – вода, солнце, ветер, тепло, но как из них получить электричество? Лишь с открытием электромагнетизма (Ганс Христиан Эрстед 1820 г.) удалось создать первый генератор электрического тока (Майкл Фарадей, Приложение 1, рисунок 2.1). Сначала все генераторы вырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока широко стали распространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними – строительство электростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.

Итак, генератор электрического тока – это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую. [14] Механическая энергия расходуется на вращение магнита внутри витков проволочной катушки. Вращающийся магнит называется ротером, неподвижные витки проволоки – статором, именно в них появляется электричество. Таким образом переменное магнитное поле рождает переменное электрическое поле. На этом главном законе превращения энергии и основана работа всех современных электростанций, за исключением солнечной электростанции.

      Виды современных электростанций

В современности человечество по-прежнему использует древние источники энергии – энергию солнца, энергию ветра, энергию воды, тепловую энергию, кроме того современное человечество научилось использовать энергию атома. Только вся природная энергия теперь превращается в электричество. Всего в нашем современном мире существует 5 видов электростанций (Приложение 1 рисунки 2.2-2.6) [9]:

ТЭС –тепловая электростанция (85% электричества в мире)

Источник энергии – энергия горения природного газа, каменного угля, мазута, торфа и др. Принцип работы: при сжигании топлива выделяется тепло, которое расходуется на нагрев воды и дальнейший перегрев водяного пара, который вращает паровую турбину и следовательно электрогенератор, где рождается электричество.

Во многих городах ТЕС вырабатывают не только электричество, но и нагревают сетевую воду для отопления домов, эти станции получили название ТЭЦ – теплоэлектроцентраль.

ГЭС – гидроэлектростанция (6% электричества в мире)

Источник энергии – кинетическая энергия воды. Принцип работы: потоки воды вращают гидравлическую турбину и следовательно электрогенератор, где рождается электричество.

АЭС – атомная электростанция (5% электричества в мире)

Источник энергии – энергия деления ядер тяжелых элементов. Принцип работы: при делении ядер выделяется тепло, которое расходуется на нагрев воды и дальнейший перегрев водяного пара, который вращает гидравлическую турбину и следовательно электрогенератор, где рождается электричество.

ВЭС – ветровая электростанция (3% электричества в мире).

Источник энергии – кинетическая энергия ветра. Принцип работы: потоки ветра вращают лопасти ветрогенератора и следовательно электрогенератор, где рождается электричество.

СЭС – солнечная электростанция (1% электричества в мире, )

Солнечный свет падает на солнечную батарею, фотоэлементы которой улавливают солнечный свет с помощью кремниевых кристаллов. Энергия света создает в кристалле свободные электрические заряды, которые переходят в провода в виде электрического тока.

      Проблемы современной электроэнергетики

Отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической энергии, называется электроэнергетикой. Современная электроэнергетика делится на традиционную и не традиционную (альтернативную).Основную долю электроэнергии во всём мире получают на традиционных электростанциях: ГЭС, ТЭС, АЭС. Выработка электричества на таких электростанциях сопряжена с множеством экологических проблем планетарного масштаба.

В местах постройки ГЭС для запасов потенциальной энергии воды сооружают плотины и водохранилища, которые не только выводят из оборота большие площади земли, но и влияют на качество воды: накапливающейся и спускающейся через турбины. Изменение гидрографического режима в зоне водохранилищ и ГЭС приводит к подтоплению, засолению, заболачиванию больших территорий, а также к неблагоприятным, часто необратимым, изменениям биосистем и ландшафтов. Кроме того, сооружение ГЭС требует огромных материальных и трудовых затрат, значительных (обычно не менее 5-6 лет) сроков строительства и немалых эксплуатационных расходов.

В качестве органического топлива для современных ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо (природный газ, нефть, мазут, торф, каменный уголь, горючие сланцы), которое является невозобновляемым. [15] При сгорании органического топлива в атмосферу выбрасывается огромное количество вредных летучих органических соединений, газообразных оксидов серы и азота, твёрдых частиц золы и летучих соединений тяжёлых металлов. Накопление в атмосфере огромного количества CO2 изменяет тепловой баланс планеты и становится причиной возникновения парникового эффекта – одной из актуальнейших и серьёзнейших экологический проблем современности.

Опасность ядерной энергетики связана с проблемами утилизации отходов, авариями, приводящими к экологическим и техногенным катастрофам, а также с возможностью использовать повреждение этих объектов обычным оружием или в результате теракта — как оружие массового поражения. [5]

Нетрадиционная (альтернативная) электроэнергетика в большинстве случаев основана на вполне традиционных принципах, но использование первичной энергии в них не наносит вред экологии.

    Глава 3. Альтернативная электроэнергетика — энергетика будущего

Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии, которые являются возобновляемыми и экологически безопасными. [12][13] Направления альтернативной энергетики [6]:

Автономные ветрогенераторы, ветрогенераторы работающие параллельно с сетью. В последнее время многие страны расширяют использование ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Солнце излучает энергию почти с одной и той же интенсивностью миллиарды лет, и так будет продолжаться ещё несколько миллиардов лет. [1] Солнечный коллектор, в том числе солнечный водонагреватель, используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии.

Приливные электростанции (ПЭС) пока имеются лишь в нескольких странах — Франции, Великобритании, Канаде, России, Индии, Китае, Южной Корее, Норвегии

Мускульная сила человека. Сила человека преобразуется в электричество.

Летом 2017 года в центре Лондона появилась уникальная разработка – «умный» тротуар, который добывает энергию от пешеходов (Приложени 1, рисунок 3.1). [16] Новая тротуарная плитка изготовлена из гибкого водонепроницаемого материала, который прогибается при нажатии на несколько миллиметров. С каждым шагом вырабатывается и преобразуется в электричество несколько джоулей энергии, которая может быть или сохранена в аккумуляторах, или сразу же направлена на освещение улицы. Группа американских ученых разработало каблучный генератор [11] — когда человек идет или бежит, давление его ног на вставки заставляет их сжиматься и растягиваться, и вырабатывать небольшое количество электричества.

Биотопливо. Жидкое: биодизель, биоэтанол.Твёрдое: древесные отходы и биомасса из древесины, лузги, соломы и т. п., топливные брикеты.Газообразное: биогаз, синтез-газ.

Геотермальная энергетика. Используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии.

Грозовая энергетика. Грозовая энергетика — это способ использования энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть.

Управляемый термоядерный синтез. Синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер. До сих пор не применяется.

Получение электроэнергии в фотоэлектрических элементах, расположенных на околоземной орбите или на Луне. Электроэнергия будет передаваться на Землю в форме микроволнового излучения. Может способствовать глобальному потеплению. До сих пор не применяется.

    Глава 4. Энергообеспечение в г.Тюмени и пути оптимизации энергопотребления на примере «Умного дома».
      ТЭЦ-2 – источник электричества и тепла г.Тюмени.

В городе Тюмени работает две электростанции: ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Вместе с преподавателями и студентами ЦДОД «LegoEducation» мы побывали на экскурсии на ТЭЦ-2 19 января 2018г. (Приложение 1, рисунки 4.1-4.3). Экскурсию провели: старший начальник смены электростанции: Лидерс Виктор Робертович, Начальник смены электростанции: Ипулаев Вячеслав Шуматбаевич.

Наша электроцентраль работает на природном газе сразу с момента основания с 1986 года, резервное топливо – мазут. Нас интересовал вопрос: какой объем вредного газа выходит в атмосферу после сгорания природного газа и как это вредит воздуху нашего города. Виктор Робертович мне ответил так: «С целью исключения загрязнения атмосферы весь дым проходит серьезную очистку и нейтролизацию, затем проверяется множеством датчиков и уже затем выходит через дымовые трубы. Все выбросы в атмосферу в пределах нормы».

Наш город обеспечивают электричеством и теплом две электростанции ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 и они обе осуществляют выбросы в атмосферу вредных продуктов сгорания каждый день, пусть даже в пределах нормы. Это всё равно загрязняет воздух, которым мы дышим, кроме этого накопление газа CO2 в атмосфере изменяет тепловой баланс планеты, что неизбежно ведет к парниковому эффекту. И важно помнить, что природный газ может через несколько десятков лет просто закончиться. Как в этом случае наш город будет жить? Именно поэтому я решил провести эксперимент: построить «умный дом» из конструктора LEGO и установить на нем миниэлектргостанции, что поможет мне увидеть и оценить использование альтернативных источников энергии в нашем городе.

      Пути оптимизации и снижения энергопотребления на примере энергоэффективного «Умного дома»

Рассмотрев огромное множество альтернативных источников энергии и способов их использования, мы решили построить энергоэффективный дом («умный дом»), установив на нем миниэнергостанции 3х видов:

Солнечная электростанция на крыше дома. Солнечные батареи этой станции позволят получить энергию в дневное время при безоблачной погоде.

Ветровая электростанция на торцевой стороне здания в районе верхних этажей. Ветрогенераторы этой станции позволят получить энергию в ветреную погоду.

Мускульная электростанция «Умная лестница», на примере умного тротуара, который добывает энергию от пешеходов.

Кроме этого, мы установили энергосберегающие ставни, которые автоматически открываются утром, чтобы дневной свет проникал в квартиры и закрываются в темное время суток, предотвращая потерю тепла.

Большинство жителей города Тюмени проживают в высотных многоквартирных домах, поэтому мы разработали модель 10 этажного многоквартирного умного дома на базе конструктора Lego (Приложение 1, рисунок 4.4). Все электростанции нашего дома мы конструировали поэтапно и каждую станцию проверяли отдельно с помощью тестовой программы.

Солнечные батареи мы расположили под углом на самой высокой точке здания – на крыше, они имеют возможность поворачиваться, следуя за движением солнца по небу.

Основной механизм в системе соединения солнечных батарей – это зубчатая передача, в которой все шестерни (17 шт) имеют средний размер, таким образом, 9 пластин солнечных батарей будут поворачиваться с одинаковой скоростью (Приложение 1, рисунок 4.5). [2] [3] Мы использовали понижающую зубчатую передачу для более точного и легкого поворота тяжелых платин с помощью большого мотора.

В пластины встроен датчик цвета, который контролирует изменение освещенности, который определяет восход и закат солнца и следит за движением солнца по небу. В качестве движимого солнца мы использовали яркий фонарь. При выключенном фонаре освещенность составляет не более 30%, если фонарь включить, то освещенность приближается к 40%, пороговое значение освещенности в программе мы установили 30%. Тестовая программа для запуска солнечных батарей представлена на рисунке 4.6 Приложения 1.

Ветрогенераторы мы расположили с торцевой части здания, таким образом, потоки ветра, прорываясь между домами, будут вращать лопасти генератора. Всего было установлено 6 ветрогенераторов: по 3 с каждой стороны дома, на верхних этажах, там где скорость потока воздуха больше (Приложение 1, рисунок 4.7).

Принцип работы ветрогонератора заключается в преобразовании энергии ветра сначала в механическую энергию, затем в электрическую. В нашей модели лопасти ветрогенератора будут вращаться от больших моторов (Приложение 1, рисунок 4.8), таким образом имитируя свою работу. Передача движения от мотора к трем ветрогенераторам осуществляется с помощью зубчатой передачи и ременной передачи. [2] [3]

Сигнал к началу вращения моторы получат от гироскопического датчика (Приложение 1, рисунок 4.9), который совершит небольшой поворот не менее чем на 10ᵒ в горизонтальной плоскости при движении воздуха от фена. Тестовая программа для запуска ветрогенераторов представлена на рисунке 4.10 Приложения 1. Как только датчик гироскоп отклонится на 10ᵒ против часовой стрелки, ветрогенераторы начнут работать, постепенно увеличивая скорость вращения от 0 до 50 единиц, затем вновь проверяется значение гироскопа, и если датчик ввернулся в исходное положение, то моторы выключаются.

Мускульная электростанция «умная лестница».

Чтобы показать как работает «умная лестница», мы установили 2 датчика касания на лестничные пролеты (Приложение 1, рисунок 4.11). При нажатии на датчик, на лестнице загорается свет – индикатор EV3. Всего 2 датчика и 2 EV3, таким образом лестница в моей модели умного дома освещается наверху и внизу. Тестовая программа для включения общего освещения на лестнице при нажатии на ступени представлена на рисунке 4.12 Приложения 1.

В нашем доме всего 10 этажей и на каждом этаже широкие панорамные окна, поэтому на весь дом необходимо было сконструировать 20 ставень, из расчета на одно окно двое ставень (Приложение 1, рисунок 4.13). Открываться и закрываться ставни будут одновременно, поэтому мы разместили каждый вертикальный ряд ставень на одну сборную ось. Механизм поворота ставень расположили на 11 техническом этаже. Ставни приводит в движение большой мотор посредством зубчатой передачи (Приложение 1, рисунок 4.14). [3] Команду на открытие и закрытие ставень дает система солнечных батарей с встроенным датчиком цвета, который контролирует восход и закат Солнца. Тестовая программа для запуска 20 ставень умного дома представлена на рисунке 4.15 Приложения 1.

Все высотки оснащены лифтом, поэтому в нашем доме для реалистичности модели мы установили и запрограммировали лифт (Приложение 1, рисунок 4.16). Лифт поднимается и опускается от среднего мотора с помощью лебедки. Экспериментальным путем мы установили, что подъем с 1 до 10 этажа (9 этажей подъема) происходит за 18 оборотов среднего мотора, далее посчитали, что для подъема на 1 этаж необходимо 2 оборота. Лифт должен работать круглосуточно и не зависеть от восхода и заката солнца, поэтому программа для лифта будет работать всегда. Тестовая программа для лифта представлена на рисунке 4.17 Приложения 1. Для демонстрации работы лифта я запрограммировал 3 подъема: сначала на 4 этаж, затем на 7 и 10.

На рисунке 4.18 Приложения 1 представлена модель «Умный дом» в завершенном виде. Итак, при запуске модели, сразу начинает работать лифт. Далее мы включаем фонарь, и наступает утро, датчик цвета улавливает повышение освещенности, и открываются ставни дома, слышится приветствие «доброе утро». Затем мы приближаем фонарь и двигаем его слева направо над крышей дома, панели солнечных батарей поворачиваются за движением фонаря. Как только мы выключаем фонарь, ставни дома закрываются, слышится «доброй ночи» и солнечные батареи возвращаются в исходную позицию, ожидая восхода солнца. В любое время суток может подуть ветер и ветрогенераторы заработают. Для этого мы включаем фен и струю воздуха направляем на датчик гироскоп, он поворачивается и начинают работать ветряки. При выключении фена, датчик гироскоп возвращается в исходное состояние и ветрогенераторы медленно останавливаются. Когда человечки поднимаются или спускаются по лестнице, они нажимают на специальные пластины (датчики касания) и лестничные клетки освещаются оранжевым светом индикаторов состояния блоков EV3.

Все подвижные модули управляются с помощью двух блоков EV3, расположенных в верхней и нижней части дома. От EV3-1, расположенного в верхней части дома, запускаются солнечные батареи, ставни и лифт, а также индикатор состояния EV3-1 освещает лестницу при нажатии верхнего датчика касания. От EV3-2, расположенного в нижней части дома, запускаются ветрогенераторы, а также индикатор состояния EV3-2 освещает лестницу при нажатии нижнего датчика касания. Итоговые программы для EV3-1 и EV3-2 представлены на рисунках 4.19 и 4.20 Приложения 1.

Итак, энергоэффективность «умного дома» обеспечивается тремя электростанциями, встроенными в конструкцию дома, а также энергосберегающими ставнями. Для выработки энергии используются три взаимодополняющие альтернативные источники: солнце, ветер и мускульная сила человека. Именно поэтому электричество в доме будет всегда. Переизбыток электричества можно накапливать, а затем в ночное и безветренное время тратить, или можно обмениваться электричеством с городом. Если такие электростанции установить на всех высотках нашего города, то мы можем постепенно отказаться от использования природного газа для получения электричества, тем самым воздух будет чистым и температурный фон планеты не будет изменяться.

Человечество с древних времён использует различные источники энергии для улучшения условий жизнедеятельности. Спустя тысячелетия многие источники энергии остались прежними – энергия горения, энергия воды, солнца, ветра, изменились способы и объёмы её получения. Уровень потребления энергии с развитием человечества ежегодно растёт, вслед за ним ежегодно растёт уровень выработки энергии, строятся новые ЭС, увеличивается мощность действующих ЭС.

Ввиду распространённости, доступности углеводородов их относительно небольшой стоимости, возможности получения при использовании одновременно двух видов энергии, тепловой и электрической бóльшее количество ЭС являются тепловыми (около 85 % электроэнергии вырабатывается ТЭС). Все тепловые ЭС осуществляют выбросы в атмосферу вредных продуктов сгорания каждый день, пусть даже в пределах нормы. Это всё равно загрязняет воздух, которым мы дышим, кроме этого накопление газа CO2 в атмосфере изменяет тепловой баланс планеты и становится причиной возникновения парникового эффекта – одной из актуальнейших и серьёзнейших экологический проблем современности. И важно помнить, что природный газ является невозобновляемым источником энергии и может через несколько десятков лет просто закончиться. Как в этом случае наш город будет жить?

Именно поэтому мы предлагаем наш проект «умный дом». Энергоэффективность «умного дома» обеспечивается тремя электростанциями, встроенными в конструкцию дома, а также энергосберегающими ставнями. Для выработки энергии используются три взаимодополняющие альтернативные источники: солнце, ветер и мускульная сила человека. Все энергостанции гармонично вписались в конструкцию дома, что позволяет рассмотреть их использование при строительстве современных кварталов. Рекомендуем установить миниэлектростанции на высотках не только города Тюмени, но и в Краснодарском крае и Крыму, где много солнца и ветра.

Андрей Гришин (перевод с английского), Что такое энергия. – Москва: Махаон, 2014

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», курс «Мир робототехники» ЦДОД «LEGO Education», — Режим доступа — https://vk.com/lego_education_school

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

Веников В.А., Журавлев В.Г., Филиппова Т.А. Энергетика в современном мире. – Москва: Знание, 1986.

Гладков К.А. Энергия атома. – Москва: Детская литература, 1968.

Малая энергетика: труды Международной научно-практической конференции. 11-14 октября 2005 г., г. Москва, Россия. – Москва, 2005.

Рыжов К.В. 100 великих изобретений — Москва: Вече, 2000.

Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию. – Москва: Мир, 1981.

Источник

Adblock
detector