«Зелёная школа» – энергоактивное здание будущего (GREEN SCHOOL)

Актуальность

Проектирование и создание школ и других строений с преобразователями возобновляемой энергии будут особенно актуальны в южных регионах, где также присутствуют ветры, скорость которых может быть невелика, так как при электроснабжении зданий могут использоваться тихоходные вертикально-осевые ветрогенераторы. Подобная концепция «Зелёной школы» найдёт применение в отдалённых географических районах, сельской местности и регионах с устойчивым развитием, закреплённым на государственном уровне. Предложенные технические решения позволят не только производить автономное электроснабжение объекта, но и экономить средства при параллельной с сетью работой, продавая в централизованную сеть получаемую электроэнергию, будет согласовываться с глобальным энергопереходом, быть примером «зелёного» и устойчивого будущего для подрастающего поколения, а также уменьшать выбросы углекислого газа благодаря уменьшению использования ископаемого топлива. В качестве примера величины потребляемой электроэнергии можно привести расход за 2021 г. корпуса 2011 Школы № 2045: осень – 62610 кВт/ч; зима – 56100 кВт/ч; весна – 44406 кВт/ч; лето – 15246 кВт/ч. Потребляемую электроэнергию можно компенсировать из системы, состоящей из преобразоваталей возобновляемой энергии, а в периоды малого электропотребления (лето) и высокого прихода солнечного излучения – производить продажу в централизованную сеть.

Цель

Целью представленного проекта является разработка и изготовление макета – прототипа строения школы с преобразователями солнечной и ветряной энергии, которые устанавливаются непосредственно на конструктивные элементы здания. Реализация технических решений проекта впоследствии планируется в школе № 2045 с присвоением ей статуса энергоактивного здания.

Задачи

1.      Изучение устройства, принципа работы солнечного модуля и ветрогенератора, а также применение их в прототипе.

2.      Изучение системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor.

3.     Изучение программы-слайсера 3D-принтера.

4.     Создание трёхмерных моделей школы и преобразователей возобновляемой энергии.

5.      Изучение технологии послойного наплавления полимерного материала с целью создания твердотельных прототипов с помощью 3D-принтера.

6.     Изготовление макета школы и преобразователей возобновляемой энергии с помощью послойного наплавления термопластика.

7.     Итоговая сборка компонентов макета в разработанный прототип.

8.     Описание конструкции и принципа работы разработанного макета – прототипа «Зелёной школы».

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Прототип-макет школы
• Солнечные модули в виде кровельных панелей и сайдинг-панелей
• Комплект соединительных проводов и шин
• Ветрогенератор
• Контроллер постоянного тока
• Инвектор
• Аккумуляторная батарея
• Осветительные приборы
• Компьютер
• 3-D принтер

Описание

Разрабатываемый прототип «Зелёной школы» с преобразователями солнечной в ветряной энергии позволяет производить автономное или параллельное с существующей сетью электроснабжение здания, что помогает экономить на платежах за электроэнергию и работать в автономном режиме, мотивирует подрастающее поколение к устойчивому развитию и уменьшает выбросы углекислого газа за счёт уменьшения использования ископаемого топлива.

Результаты работы/выводы

В результате проделанной работы изготовлен макет – прототип «Зелёной школы», который демонстрирует принципы действия преобразователей возобновляемой энергии на примере солнечных модулей и ветрогенератора. Макет позволяет производить автономное и параллельное с существующей электросетью электроснабжение и продавать избыток электроэнергии в сеть при мощности электростанции не более 15 кВт. Разработанный макет будет интересен образовательным организациям, а внедрение его компонентов в реконструкцию реального здания позволит ему стать энергоактивным. Окупаемость затрат на внедрение реального проекта составит 10–20 лет в зависимости от установленной мощности системы, солнечного и ветрового потенциала региона, а также автономной или параллельной работы системы. Макет-прототип также может быть оптимизирован и модернизирован, на что будут направлены дальнейшие действия.

Перспективы использования результатов работы

В будущем планируется усовершенствование макета-прототипа, доработка электрической схемы системы, оптимизация состава системы относительно количества и мощности преобразователей солнечной и ветряной энергии, а также адаптация конструкции системы для успешной реализации на объекте. После оптимизации конструкции системы и её состава планируется внедрить разработанные компоненты в конструкцию и электрическую сеть Школы № 2045, после чего это здание может носить статус энергоактивного.

С целью мониторинга вырабатываемой и потребляемой электрической энергии планируется создать интернет-сайт для онлайн-мониторинга и записи параметров выработки электроэнергии от солнечных модулей и ветрогенераторов, а также электропотребление различных приборов – освещения, учебного оборудования и т. п. Все данные будут сохраняться и отображаться визуально в виде графиков (рисунок 19), что поможет анализировать ситуацию с выработкой и потреблением в те или иные периоды, на основании чего можно делать выводы о достаточности электрогенерирующей системы или её дополнении новыми модулями.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

«Российский университет транспорта (МИИТ)»;

Технопарк РУТ; 

«Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

Награды/достижения

Школьная научная конференция – призёр

Мнение автора

«В процессе создания макета-прототипа были изучены устройство, принципы работы солнечного модуля и ветрогенератора, а также применение их в прототипе; изучена и применена система автоматизированного проектирования Autodesk Inventor; изучена и применена программа-слайсер 3D-принтера; созданы трёхмерные модели школы и преобразователей возобновляемой энергии; изучена технология послойного наплавления полимерного материала с целью создания твердотельных прототипов с помощью 3D-принтера; изготовлен макет школы и преобразователи возобновляемой энергии с помощью послойного наплавления термопластика; произведена итоговая сборка компонентов макета в разработанный прототип; описана конструкция и принцип работы разработанного макета-прототипа «Зелёная школа».

Разработанный макет может быть образовательным стендом для изучения принципов работы преобразователей возобновляемой энергии или примером реализации представленных компонентов в проекте на реальном здании, например, школы, что будет способствовать устойчивому развитию подрастающего поколения.