«Зелёный» бойлер – нагреватель на основе возобновляемых источников энергии (GREEN BOILER)

Актуальность

Использование солнечных модулей не ограничивается электроснабжением различных устройств, тогда как в комбинации с солнечными коллекторами их можно использовать для догрева тёплой воды до более высоких температур с помощью получаемого от них электричества. В свою очередь недорогие и простые в конструкции солнечные коллекторы найдут широкое применение в южных регионах, где присутствует высокая доля инсоляции, и население не имеет больших средств для закупки дорогого оборудования и оплаты высоких тарифов на теплоснабжение. Наряду с недорогими солнечными коллекторами, которые нашли своё применение в дешёвом нагреве воды и обеспечивают достаточную долговечность, фотоэлектрические модули уже достигли эффективности 20% и срока службы 40–50 лет, а ветрогенераторы могут работать даже от слабого ветра при вертикально-осевой конструкции. Комбинация преобразователей солнечной и ветряной энергии позволит сглаживать просадки в производстве энергии в пасмурное время и штиль. В то же время электроэнергия от фотоэлектрических модулей и ветрогенератора позволит догревать тёплую воду (около 50 °C), получаемую на выходе из солнечного коллектора, до более высоких температур (до 80–90 °C), которая затем может использоваться для бытовых и технических нужд, теплоснабжения зданий в ночное время и т.п.

Комбинация вышеперечисленных устройств позволит производить автономный нагрев воды для собственных нужд потребителей с помощью тепловой и электрической энергии в ясные и пасмурные дни, в штиль и ветреную погоду.

Цель

Сборка макета, а в будущем и установки, предназначенной для нагрева воды с помощью тепловой энергии от солнечного коллектора и электрической энергии от фотоэлектрического модуля и ветрогенератора с целью её догрева до более высоких температур.

Задачи

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

2.     Изучение системы автоматизированного проектирования Компас 3D.

3.    Изучение программы-слайсера 3D-принтера.

4.    Создание трёхмерных моделей компонентов макета.

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

6.    Изготовление компонентов макета с помощью послойного наплавления термопластика.

7.    Разработка программного обеспечения для работы прототипа.

8.    Итоговая сборка компонентов макета в разработанный прототип.

9.   ; Описание конструкции и принципа работы разработанного макета прототипа.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Солнечный контроллер
• Фотоэлектрический модуль
• Ветрогенератор
• Калориметр со спиралью
• Плата Arduino Uno с корпусом и проводами
• Дисплей LCD 1602
• Датчик температуры DHT11
• Мультиметр
• Источник питания
• Соединительные провода

Описание

В процессе выполнения проекта использовались: принципы работы солнечного коллектора, фотоэлектрического модуля, ветрогенератора; метод трёхмерного моделирования в системе автоматизированного проектирования для создания трёхмерных моделей прототипа; метод твердотельного прототипирования с помощью аддитивных технологий на 3D-принтере для изготовления компонентов прототипа; принципы и инструменты для сборки электронных компонентов.

Компоненты разрабатываемого устройства представлены на рисунке, а принцип их работы описан ниже.

Тепловой нагрев воды осуществлялся с помощью теплового коллектора, который состоит из основы, трёхмерная модель которой создана с помощью системы автоматизированного проектирования Компас 3D [21]

и трубки из зачернённого полимерного материала для меньшего отражения солнечных лучей и лучшего их поглощения.

В результате печати корпуса и сборки его с полимерной зачернённой спиралью образуется солнечный коллектор (рисунок 7). Для первого опытного образца использовался упрощённый солнечный коллектор с целью отработки работы макета и упрощения его сборки; в установке планируется использовать вышеприведённый корпус и спираль, причём с лицевым застеклением и тыльной теплоизоляцией.

Вода из резервуара под действием силы тяжести или с помощью насоса поступала в зачернённую трубку солнечного коллектора, где нагревалась до 40–50 °C за счёт солнечной энергии. Из коллектора вода поступала в бойлер (в макете – калориметр со спиралью), где догревалась до более высокой температуры. Наряду с фотоэлектрическим модулем в макете и будущей установке использовался ветрогенератор, который сглаживал уменьшение нагрева от Солнца во время пасмурных дней и по ночам. Электроэнергия, получаемая от ветрогенератора, также шла на догрев воды в калориметре (бойлере) до более высоких температур. Принцип работы ветрогенератора основан на преобразовании кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию [27].

Прототип ветрогенаратора изготавливался с помощью разработанной трёхмерной модели в системе автоматизированного проектирования и впоследствии – на 3D-принтере с помощью послойного построения расплавленным полимерным материалом в виде пластика PLA. В качестве ветряной турбины в рассматриваемом проекте использовался ветрогенератор особой вертикально-осевой конструкции, которая обеспечивает работу даже при малых скоростях ветра и относительно безопасна для птиц. Трёхмерная модель разработанного ветроагрегата представлена на рисунке.

Наряду с представленными компонентами в состав устройства также входит программное обеспечение в среде Arduino IDE на языке С++, которое представляет собой программу, с помощью которой работает контроллер, связывает все компоненты устройства воедино.

Результаты работы/выводы

В результате проделанной работы разработан и изготовлен макет для нагрева воды с помощью возобновляемых источников энергии – солнечного коллектора, фотоэлектрического модуля и ветрогенератора. Первоначальный нагрев воды обеспечивается с помощью тепловой энергии от солнечного коллектора, а догрев в бойлере до более высоких температур – с помощью электрической энергии от фотоэлектрического модуля и ветрогенератора. Использование двух преобразователей энергии вместо одного увеличивает выработку энергии и уменьшает периоды с низкой выработкой. Разработанная система может работать как автономно, так и параллельно с существующей энергосетью. Макет также может быть оптимизирован и модернизирован, на что будут направлены дальнейшие действия.

Перспективы использования результатов работы

В будущих планируемых работах по усовершенствованию макета планируется увеличить мощность фотоэлектрического модуля и ветрогенератора, добавить в макет насос для

перекачки жидкости в зависимости от температуры теплоносителя, параметры работы которого будут запрограммированы с помощью контроллера Arduino. Планируется увеличить и оптимизировать конструкцию солнечного коллектора, а также изготовить бойлер большей ёмкости и с лучшей теплоизоляцией. Добавление аккумулятора с контроллером заряда для сохранения электрической энергии от преобразователей возобновляемой энергии также планируется в дальнейших работах. Реализованный в макете принцип планируется внедрить в установку с большей мощностью для нагрева теплоносителя от возобновляемых источников энергии. Также планируется распространение разработанного макета в образовательных учреждениях с целью обучения устойчивому равитию и принципам возобновляемой энергетики.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

«Российский университет транспорта (МИИТ)»;

Технопарк РУТ; 

«Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

Награды/достижения

Школьная научно-исследовательская конференция – призёр

Мнение автора

Разработанный макет может быть образовательным стендом для изучения принципов работы преобразователей возобновляемой энергии или примером реализации представленных компонентов в реальном проекте, который будет способствовать устойчивому развитию и ускоренному глобальному энергопереходу»