Инновационное техническое творчество в Тазовском районном Доме детского творчества
Инновационное техническое творчество в Тазовском районном Доме детского творчества
Аннотация
В статье представлен опыт обучения инновационному техническому творчеству в детском объединении «Техническое моделирование и конструирование» МБОУ ДОД «Тазовский районный Дом детского творчества». Воспитанники объединения занимаются научно-исследовательской работой, создавая проекты различной направленности. Ребята достигли неплохих результатов в области альтернативной энергетики, а именно ветроэнергетики и гидроэнергетики. Исследовательские проекты обучающихся не раз занимали призовые места на конкурсах окружного и всероссийского уровня. Своими инновационными разработками будущие инженеры и технологи намерены внести посильный вклад в экономику района и округа. Статья будет полезна педагогам дополнительного образования детей, методистам, руководителям образовательных учреждений.
Более 10 лет в Тазовском районном Доме детского творчества работает творческое объединение научно-технической направленности под руководством Сергея Анатольевича Кунина. Программу «Техническое моделирование и конструирование», автором которой является сам Сергей Анатольевич, можно смело назвать программой комплексного обучения детей инновационному техническому творчеству. Надо отметить, что в 2010 году эта программа стала победителем окружного этапа Всероссийского конкурса авторских программ дополнительного образования детей.
Дети в объединении занимаются исследовательской работой, разрабатывая проекты различной направленности, но предпочтение отдают проектам в области альтернативной энергетики. Проекты разрабатываются в течение нескольких лет, и получается так, что одни дети начинают работать над проектом, получают определенные результаты, заявляют о своих разработках на конкурсах различного уровня. Когда подростки заканчивают учебу в школе и продолжают обучение в профессиональных учебных заведениях (чаще всего технического профиля), то на их место приходят другие ребята, заинтересовываются одним из предлагаемых проектов и работают над ним дальше: вносят усовершенствования, модернизируют, получают новые результаты, бывает, что находят новое применение. Рассмотрим основные проекты воспитанников объединения «Техническое моделирование и конструирование».
Проекты в области ветроэнергетики
Территория Ямало-Ненецкого автономного округа, за исключением нескольких южных и приуральских районов, является наиболее благоприятной для использования ветровой энергетики. Среднегодовая ветровая нагрузка составляет от 8 м/сек до 10 м/сек, а на побережье Северного Ледовитого океана она превышает эти показатели. Таким образом, можно утверждать, что на территории Ямала существует подходящая среда для использования ветровых электростанций. Причем использовать готовые ветростанции пропеллерного типа, широко применяемые в Европе, США и других странах, на грунтах вечной мерзлоты ЯНАО не представляется возможным. В суровых северных условиях необходимы совершенно иные технические, конструкционные, строительные, технологические и организационные решения. Таким образом, воспитанники объединения поставили перед собой цель работы в области ветроэнергетики - спроектировать и изготовить действующую модель ветроустановки, способную надежно и безотказно работать в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера.
В феврале 2006 г. на IV Окружной научно-исследовательской конференции учащихся и студентов «Ступень в будущее» был представлен проект Недашковского Максима «Устройство для преобразования энергии потока жидкости или газа в другие виды энергии». Проект представлял собой механическое устройство, позволяющее преобразовывать энергию воздушного или водного потока в механическую энергию турбины, а затем и в электрическую энергию генератора. Эта работа послужила началом в теоретическом обосновании использования альтернативных источников энергии. Недашковский М. предложил в качестве циклонной камеры простое устройство завихрения потока воздуха, напоминающее конструкцию обыкновенного свистка.
В марте 2008 года Токарик Олег, указав на недостатки конструкции Недашковского, которая не в полной мере использовала энергию потока воздуха, подготовил «Проект действующей модели ветроустановки» и отправил его на I Окружное заочное соревнование школьников «Ступень в будущее. Юниор». Проект получил диплом II степени. В этой работе воспитанник представил новую конструкцию турбины, снабженную тканевыми лопастями. Такая конструкция турбины способна безотказно и долговечно работать в потоке воздуха в любой период времени года. О.Токарику удалось не только спроектировать, но изготовить и испытать действующую малогабаритную модель ветроустановки. Эта модель, несмотря на ряд недостатков, допущенных при изготовлении, устойчиво работала при скорости ветра 10-12 м/сек.
В 2008/2009 учебном году Токарик О. продолжает усовершенствовать свою разработку (в частности, конструкцию циклонной камеры) и создает модель промышленной ветростанции с учетом устойчивости к повышенной ветровой нагрузке и монтажа ее на грунтах вечной мерзлоты. В проекте впервые предложена подземная схема расположения генератора и буферная защита от влияния вечной мерзлоты. Работа Токарика была представлена на VI Окружной научно-исследовательской конференции учащихся и студентов «Ступень в будущее», где принесла воспитаннику диплом за оригинальный проект промышленной ветроустановки. Надо отметить, что конструкция ветровой станции несравнима по производительности с любыми пропеллерными аналогами, так как коэффициент использования энергии потока воздуха в циклонной камере с тканево-парусной турбиной 4-5 раз больше чем у любого пропеллерного винта.
В 2009/2010 учебном году работу над проектом продолжил Азаров Максим, и уже в марте 2010 года предложил доработанный проект «Промышленная ветростанция циклонного типа в северном исполнении» на Всероссийский конкурс научно-инновационных проектов компании «Сименс» в России «Технологии повышения эффективности на производстве и в жизни». Воспитанник получил за проект диплом I степени. Используя предыдущие исследования и макетные испытания, Азаров М., кроме поправок, внесенных в проект ветростанции, разработал технологию строительства станции на грунтах вечной мерзлоты, а также предложил организационно-технические мероприятия, необходимые для ее устойчивой работы.
Каждый воспитанник, работавший над проектом, добавлял в него свое видение и свое решение. Так, например, Клочан Станислав и Колганов Дмитрий, работая дальше над этим проектом, усовершенствовали конструкции циклонных камер и рабочих турбин промышленной ветростанции с целью увеличения мощности, повышения их эксплуатационной производительности и общей рентабельности проекта.
Кроме того, представляя свою работу «Усовершенствованная ветростанция циклонного типа в северном исполнении» в декабре 2010 г. на Всероссийском конкурсе «Молодежные идеи и проекты, направленные на повышение энергоэффективности и энергосбережения», ребята представили экономическое обоснование проекта: «В Тазовском районе ЯНАО на всех электростанциях вырабатывается около 50 млн. кВт/час электроэнергии в год. На выработку электроэнергии и отопление за год расходуется природного газа более 7 000 000 000 м2, дизельного топлива более 12 000 тонн; дров более 30 000 м.2 Спроектированная ветростанция способна производить 10,5 млн. кВт/час электроэнергии в год. Строительство пяти таких ветростанций в нашем районе позволит на 75-80% сократить расход сгораемого топлива и выбросы углекислого газа в атмосферу. Главный технико-экономический показатель – срок окупаемости - для нашего проекта составил 7-8 лет, что, как минимум, вдвое меньше сроков окупаемости импортных ветрогенераторов, у которых этот показатель составляет 15-25 лет. Простота и надежность, устойчивость к экстремальным условиям эксплуатации ставит наш проект в ряд перспективных проектов». В номинации «Лучший проект в области энергоэффективности и энергосбережения» воспитанники получили диплом 3 степени.
В июне 2012г. результаты проектов по ветроэнергетике были посланы в Тюменскую областную думу, и в сентябре 2012 г. на дальнейшую разработку проекта был выделен грант в размере 148 тыс.руб. На эти деньги заказан ветрогенератор и закуплены необходимые детали. Эти составляющие нужны будут для ввода в действие переносной ветроустановки для кочевых стойбищ, значение которой для коренного народа тундры трудно переоценить.
Проекты в области гидроэнергетики
Использовать энергию потока воды в реке в своих целях человек пытался с древних времен. Но реализовать эту возможность, не нарушая экологию, человек не мог, потому что не было достаточных технических возможностей. Приходилось возводить плотины, отводить рукава рек, создавать искусственные водопады. Все это приводило к прямому нарушению экосистемы водных ресурсов. Воспитанники объединения «Техническое моделирование и конструирование» задались целью создания эффективной и экологически безопасной гидроэнергетической установки, способной преобразовывать энергию течения воды в реке в механическую, а затем в электрическую энергию. За основу было взято циклонное устройство ветроустановки и преобразовано для использования аналогичной конструкции в водной среде.
В 2008 году Балакаев Петр представил на окружной этап Российского национального конкурса водных проектов старшеклассников проект экологически безопасной гидроэнергетической установки и занял 1 место. Воспитанник в работе указал на главное преимущество предлагаемой гидроэнергетической установки: для ее эксплуатации нет необходимости возводить на реке какие-либо гидротехнические сооружения, так как возможна установка на дно реки без всяких вмешательств в рельеф местности. Кроме того, гидроустановка снабжена мягкими тканевыми лопастями, что позволяет сохранить попавшую в рабочую камеру рыбу. Предлагаемая гидроэнергетическая установка эффективно работает при скорости течения реки 4 м/сек и более.
Продолжая работу, Петр создает «Проект экологически безопасных гидроэнергетических установок стационарного, погружного и плавающего типа» и в 2009 году представляет свою разработку на Всероссийском конкурсе научно-инновационных проектов компании «Сименс» в России «Чистая планета для нашего будущего», где занимает 2 место. Эта работа дала возможность рассмотреть использование циклонного устройства в различных вариантах, в том числе и в плавающем состоянии. Погружная конструкция устанавливалась на дно реки без всяких вмешательств в рельеф местности, плавающая конструкция, соответственно, оставалась на воде. В процессе работы над проектом воспитанник изготовил макеты гидроустановок погружного и плавающего типа и испытал их; обосновал экологическую безопасность и экономическую целесообразность использования предложенных гидроэнергетических установок.
Говоря о практическом применении гидроустановки, Балакаев указал на возможное применение целого каскада стационарных установок на нижнем бьефе гидроэлектростанций, при выходе отработанной воды из машинного зала станций. Кроме того, предлагаемую стационарную установку с достаточным эффектом можно использовать на горных реках в черте городов и поселков в сочетании с берегоукрепительными сооружениями.
Отметим, что Балакаев Петр после окончания школы поступил в институт водного хозяйства в г. Санкт-Петербург, а работу над проектом продолжили другие воспитанники С.А.Кунина. Над плавающей моделью гидроэлектроустановки в 2010 году работали Алексей Дурасов, Даниил Белобаев и Дмитрий Шестериков. В июне ребята успешно провели испытание плавающей модели гидроустановки. Натуральные испытания плавающей модели проводились на сбросе ручья в реку Таз в черте поселка Тазовский. Скорость потока воды составляла в среднем около 8 м/сек и была вполне достаточной для проведения исследований.
Белобаев Даниил и Шестериков Дмитрий посылали свои работы на Международный конкурс школьных проектов по энергоэффективности «Энергия и среда обитания», где заняли 2 место.
Дурасов Алексей, продолжая работу, создал «Проект плавающего гидроэлектрокомплекса» и вышел с ним в 2011 году на Всероссийский конкурс научно-инновационных проектов компании «Сименс» в России «Инновации для устойчивого развития», где занял 1 место.
Используя предшествующие теоретические исследования, воспитанник спроектировал плавающий гидроэлектрокомплекс, выполнил расчеты мощности гидросиловой установки, определил оптимальные условия эксплуатации и рассмотрел имеющиеся возможности для реализации проекта. Предложенный А.Дурасовым проект доказывает, что при современных технологических возможностях вполне реально можно использовать энергию течения реки для организации небольших перерабатывающих цехов. Это позволит в некоторой мере решить проблему занятости в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока, снизить потребление дорогостоящего жидкого топлива, уменьшить выбросы углекислого газа от его сгорания.
Сезонная эксплуатация плавающего гидроэлектрокомплекса позволит производить экологически чистые природные продукты питания, глубоко перерабатывать лесной материал. На борту плавающего комплекса предлагается установить необходимое оборудование для переработки рыбы, сельскохозяйственных и лесных продуктов (грибы, ягоды). Гидроэлектрокомплекс развивает мощность 5-10 кВт при средней скорости течения воды в реке 4-5 м/сек, чего вполне достаточно для переработки 1-5 тонн рыбы или лесной продукции в сутки или 10-15 кубометров пиломатериалов.
Стоимость такого комплекса по приблизительным оценкам составляет порядка 10-12 млн. рублей. Наличие 20-30 мобильных плавучих перерабатывающих комплексов на реке Таз существенно повлияло бы на экономику Тазовского и Красноселькупского районов ЯНАО, которые являются дотационными. Здесь есть возможность перерабатывать живую рыбу, свежую ягоду и грибы, производить консервированные и прессервированные экологически чистые продукты высшего качества, которые можно будет реализовать на внутреннем рынке и экспортировать в другие страны. Кроме того, проект почти идеален в экологическом плане. Выбросы в атмосферу возможны только от термообработки продуктов консервирования или древесной пыли при переработке древесины.
С этим же проектом в 2011 году Алексей выступал на Всероссийской межвузовской конференции молодых исследователей (старшеклассников и студентов) «Наука. Образование. Профессия» в г. Санкт-Петербург, где завоевал Гран-при и право поступить в технический вуз города без экзаменов, чем подросток успешно воспользовался после окончания школы.
В настоящее время над использованием гидроэнергетических установок работают другие воспитанники, которые предлагают новые решения. Например, Тибичи Михаил, предварительно проведя опрос тундровиков в своем и соседних стойбищах, решил поработать над проектом «Переносной гидроэлектрогенератор». Такой генератор, решил Михаил, необходим для кочевников в летнее время, когда они уходят далеко от населенных пунктов, и топливо приходится экономить. Но в тундре всегда можно найти небольшую речку или даже ручей полутораметровой глубины. Скорость течения может составлять всего 2-3 м/сек. И такой переносной гидрогенератор обеспечит кочевому народу подзарядку любых аккумуляторов небольшой емкости, необходимых для связи и повседневной работы.
Хочется упомянуть еще об одном очень интересном проекте, которым занимается Михаил Тибичи. Это «Проект аэроприводного всесезонного речного тягача для эксплуатации на Крайнем Севере». Михаил предлагает в своем проекте решение очень важной транспортной проблемы региона. Указывая на то, что суровые и разносезонные условия эксплуатации любого вида транспорта в субарктическом климате накладывают свои дополнительные издержки, Михаил ставит перед собой цель: разработать транспортный аэроприводный тягач, способный в летнее время перемещать плавающие грузы в виде лихтеров по открытой воде, а в зимнее время формировать и водить санные поезда.
Такой транспорт, считает М.Тибичи, обладает рядом значительных преимуществ перед обычным речным флотом, а самое главное, он энергоэффективнее, чем вертолет и зимний автотранспорт, так как:
- навигационный срок увеличивается до 10-11 месяцев вместо 2-3;
- уникальное ходовое оборудование в виде шагающего движителя позволяет снять с мели сам тягач, выйти на берег и вытащить на него весь грузовой состав перед ледоставом или ледоходом на реке, преодолеть зимние торосы, обмелевшие участки реки или озера;
- появляется возможность вывозить углеводородное сырье для химической промышленности непосредственно с материковой части до Северного Морского пути;
- появляется доступная и надежная перевозка нестандартных крупногабаритных грузов, которые невозможно перевозить ж/д вагонами на Ямал из южных областей;
- наконец, появляется возможность организовать регулярные грузопассажирские перевозки на Ямале с заходом во все населенные пункты, расположенные по берегам рек, озер, Обской и Тазовской губы.
Проект в 2011 г. стал победителем регионального конкурса инновационных идей старшеклассников «Мой выбор - Ямал!» Кроме того, в ноябре 2011г. проект получил грант в размере 105 тыс.руб. на постройку действующей модели от компании «ЛУКОЙЛ — ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ» на конкурсе социальных проектов «Стратегия успеха – 2011» в номинации «Дорогу молодым». В марте 2012 закуплены основные комплектующие на постройку модели. Работа продолжается.
В настоящее время, кроме указанных проектов, воспитанники объединения трудятся над следующими проектами: «Морской волновой насос», «Опреснитель морской воды», «Влияние вечной мерзлоты на постройки в пос. Тазовский ЯНАО» и др.
Программа «Техническое моделирование и конструирование» дает возможность всем желающим принять участие в инновационных разработках и научно-исследовательской работе, выполнить научно-исследовательский проект и выступить с ним на конкурсах различного уровня – от муниципального до всероссийского.
Замечательно то, что занятия научно-техническим творчеством способствуют профориентации воспитанников. Для многих выпускников Сергея Анатольевича обучение в объединении стало «шагом в будущее», то есть допрофессиональной подготовкой будущих конструкторов, технологов, инженеров-механиков, инженеров-эксплуатационников техники в различных отраслях промышленности. За десять лет обучения по программе 24 воспитанника поступили в технические вузы, 8 - в техникумы и колледжи технической направленности, 11 воспитанников поступили на обучение в технические училища. Двое воспитанников, благодаря своим достижениям во Всероссийской межвузовской конференции молодых исследователей (старшеклассников и студентов) «Наука. Образование. Профессия», были рекомендованы к поступлению в санкт-петербургские вузы без экзаменов и в настоящее время в них обучаются.
Преимущество проектов воспитанников С.А.Кунина в том, что они в основном разрабатываются для использования в ЯНАО. Ребята, создавая проектные работы, учатся мыслить на перспективу и уже сейчас думают об экологии родного края. Они уверены в том, что использование гидроэнергетических и ветроэнергетических установок позволит в будущем не только снизить потребление жидкого топлива до 50% в отдаленных районах Сибири и Крайнего Севера, но и, как следствие, уменьшить наполовину загрязнение окружающей среды в этих районах. Таким образом, своими инновационными разработками ребята пытаются внести посильный вклад в экономику района и округа.
Электронный журнал «Образование Ямала»
Интернет-компания СофтАрт