V procese uplatňovania technológií alternatívnych zdrojov energie v praxi, opierajúcich sa predovšetkým o širokú bázu zdrojov obnoviteľných je dôležitý aspekt vzdelávania a osvety v oblasti zabezpečovania energetických potrieb spoločnosti v lokálnom aj globálnom merítku. Tomu napomáha zavádzanie vizualizačných a demonštračných laboratórií.
Správne chápanie rozmerov, v ktorých naša súčasná spoločnosť spotrebováva energetické zdroje, predovšetkým pre výrobu elektrickej energie, tepla pre priemysel, komunálnu sféru, bývanie, pohon strojov a zariadení, dopravu, výživu obyvateľstva a podobne je prvotným predpokladom efektívneho riešenia energetických problémov. Z pohľadu subjektu, ktorý profiluje budúcich odborníkov práve pre oblasť získavania a spracovania zemských zdrojov (Fakulta BERG) je zvlášť dôležité vytvoriť u poslucháčov triezvy a nezaujatý inžiniersky pohľad na problematiku, ktorý umožní absolventom štúdia následne uplatniť svoje poznatky v praxi a tým prispieť k efektívnemu uplatňovaniu obnoviteľných zdrojov energie v celom spektre možností ich využitia.
Úloha laboratórií v oblasti OZE
Štúdijný program Využívanie alternatívnych zdrojov energie, na fakulte BERG, sa snaží o komplexné pokrytie problematiky získavania a spracovania zemských zdrojov od klasického získavania nerastných surovín, cez tradičné zdroje energie až po oblasť alternatívnych zdrojov energie a nových progresívnych technológií. Jedným z nástrojov tohto procesu je správne uplatňovanie názorných metód výuky smerujúcich k získavaniu reálnej predstavy študentov o výrobnej praxi a skutočnom charaktere skúmaných objektov, čo je možné dosiahnuť predovšetkým cestou dobre koncipovaných a vybavených laboratórií. Ústav zastrešujúci štúdijný program Využívanie alternatívnych zdrojov energie disponoval doteraz jedným výskumným laboratóriom s názvom Centrum obnoviteľných zdrojov energie (COZE). Toto laboratórium je zamerané predovšetkým na detailné priblíženie jednotlivých technológií v oblasti využívania OZE. Laboratórium plní tak vzdelávaciu, ako aj vedecko-výskumnú funkciu a v rámci jeho činnosti vzniklo viacero inovácií. Laboratórium COZE však nebolo schopné poskytnúť potrebnú vizualizáciu a prenesenia sa do určitej mierky, umožňujúcej širšie chápanie súvislostí v systéme: surovinové zdroje – tradičné zdroje energie – obnoviteľné zdroje energie, kvôli čomu vznikla potreba zriadiť laboratórium s touto funkciou. Koncom roka 2011 bolo otvorené nové laboratórium, s názvom Laboratórium získavania zemských zdrojov (LZZZ), ktorého výstavba prebehla v rámci riešenia projektu financovaného z prostriedkov Ministerstva školstva SR, a ktorého zameranie bolo prioritne prezentačno-vzdelávacie, v neposlednom rade však aj vedecko-výskumné.
Cieľom projektu bolo v prvom rade vytvoriť laboratórium pre simuláciu a vizualizáciu procesov získavania zemských zdrojov (obr. 1), a to od činností súvisiacich s procesom ťažby energetických surovín, predstavujúcich v súčasnej dobe tradičné zdroje energie až po technológie využívajúce alternatívne zdroje energie.
Modelovací aparát laboratória získavania zemských zdrojov
Kľúčovými prvkami laboratória je dvojica simulačných stolov, z ktorých väčší – centrálny umožňuje vytváranie rôznorodých konfigurácií terénu a jeho morfológie a simulovanie rôznorodých činností a stavov, ako sú:
- pri ťažbe energetických surovín proces odkrývky ložiska nerastnej suroviny, vybudovania otvárkových a prípravných diel, rozčlenenia ložiska do rezov, vybudovania dopravných trás a podobne,
- v prípade AZE vytváranie úsekov hydrologických profilov pre účel návrhu MVE, vedenie derivačných diel, určovanie objemov akumulačných nádrží, insolácia solárnych zariadení v svahovitom teréne a na miestach s vegetáciou, umiestňovanie veterných elektrární v krajine, aplikácie v oblasti situovania plôch pre využívanie fyto a dendromasy, určovanie využiteľných objemov skládok odpadov pre získavanie rôznych energetických plynov, a podobne.
V súčasnej dobe je samotný simulačný stôl vybavený:
- polystyrénovou výplňou v podobe blokov, ktorou sa vytvára skelet modelu (obr. 2, vpravo),
- povrchovým modelovacím materiálom, ktorý vytvára vrchnú vrstvu modelu, má regulovateľnú pevnosť a opakovateľnú použiteľnosť (tento materiál bol vyvinutý v rámci riešenia projektu a je aktuálne predmetom dvoch prihlášok úžitkového vzoru na Úrade priemyselného vlastníctva SR), (obr. 2, vľavo),
- modelovým technologickým parkom pre dobývanie ložísk, analogickým s reálnou prevádzkou v mierke 1:87 a 1:50,
- modelovou vegetáciou.
V ďalšej fáze sa pripravuje doplnenie vybavenia simulačného stola o blokové modely budov, FV a solárnych termálnych zariadení (predovšetkým absorpčnej časti), telies vodných stavieb, veterných turbín a podobne.
Hlavný simulačný stôl je zároveň vybavený meracím aparátom, slúžiacim na presné zaznamenávanie polohy objektov v priestore s využitím laserového merania vzdialenosti (obr. 3). Nad stolom je umiestnená posuvná rampa s inštalovaným dataprojektorom slúžiacim na projekciu 2D objektov na povrch modelovaného terénu, na premietanie mapových podkladov a ich virtuálnu modifikáciu a na modelovú insoláciu modelu (obr. 4). Na posuvnej rampe je umiestnené aj snímacie zariadenie pre digitálny záznam obrazu. Modelovací aparát laboratória takto umožňuje na jednej strane transformáciu mapových a iných projektových podkladov do hmatateľnej 3D podoby, vykonanie modifikácií resp. simulácií zmeny stavu a následne, na druhej strane virtualizáciu objektu alebo situácie, či spätný prenos do 2D podoby mapových listov.
Možnosti modelovacieho aparátu
V oblasti obnoviteľných zdrojov energie je možné nájsť uplatnenie modelovacieho aparátu laboratória predovšetkým v týchto oblastiach a aplikáciách:
Solárne fotovoltaické systémy
Umiestňovanie fotovoltaických panelov v teréne z pohľadu insolácie:
- z pohľadu využitia územia,
- z pohľadu estetického,
- z pohladu výpočtu priestorových parametrov,
- z pohľadu optimalizácie.
Simulačný stôl zohľadňuje potreby pri návrhoch inštalácie fotovoltaických systémov tým, že predstavuje medzičlánok medzi virtuálnym prostredím a reálnym stavom. Výhoda fyzikálnej simulácie spočíva predovšetkým v možnosti priamej insolácie modelovaného objektu v kvázireálnych podmienkach zohľadňujúc špecifiká morfológie terénu a prítomnosti objektov, ktoré môžu predstavovať insolačnú prekážku.
Solárne ohrevné systémy
- posudzovanie umiestňovania solárnych kolektorov predovšetkým na objektoch a v blízkosti vegetácie.
Simulácie môžu byť zamerané na umiestňovanie solárnych kolektorov predovšetkým na strechy objektov a posudzovanie ich insolácie v priebehu roka so zohľadnením všetkých typov prekážok a obmedzení.
Vodná energia
Vytváranie vybraných úsekov hydrologických profilov pre účel návrhu MVE z pohľadu vzdutia hladiny, derivácie, pre určenie objemu akumulačnej nádrže, vedenie rybochodov a ďalších technologických a environmentálnych aspektov
Charakter modelu umožňuje 3D vytvorenie prietočného profilu vodného toku, umiestnenie vzdúvacieho zariadenia (napr. hate) a vedenie derivačného diela (náhonu, tlakového privádzača) a určenie množstva naakumulovanej vody vyplnením vymodelovaného objektu nivelizovaným sypkým substrátom a odmeraním jeho objemu. Takýmto spôsobom je možné účinne kvantifikovať objemové parametre vodného diela.
Biomasa
Umiestňovanie výmer pre energetické rastliny z pohľadu eliminácie záberu bonitných pôd a optimalizácia tohto procesu (s dôrazom na rýchlo rastúce dreviny, v povodňových územiach, v svahovitom teréne).
Geotermálna energia
Možnosť zapracovania geologických profilov do modelu a ich následného odkrývania v rezoch – tým možnosť vidieť do vnútorných geologických štruktúr (zvodnelé kolektory sedimentárnych hornín, priebeh vrtov a podobne).
Veterná energia
Umiestňovanie veterných zariadení v teréne z pohľadu geometrických parametrov, teoretických a legislatívnych predpokladov, estetických a environmentálnych požiadaviek (modely veterných turbín v mierke umiestnené v namodelovanom teréne).
Vzhľadom k veľkým projekčným aj simulačným možnostiam modelovacieho aparátu laboratória je možné konštatovať, že uvedené prípady predstavujú len časť aplikácií a skutočný rozsah sa ukáže v priebehu činnosti samotného laboratória. Výborné vizualizačné možnosti súvisiace s premietaním a priamym interaktívnym kreslením priamo do terénu sú základom pre dobré sprístupnenie problematiky študentom a tým jednoduché a efektívne si osvojenie poznatkov s vysokou mierou disponibility získaných vedomostí v ich ďalšej praxi.
Záver
Laboratórium získavania zemských zdrojov bolo vytvorené ako komplexné vzdelávaco – výskumné laboratórium, ktorého charakter modelovacieho prostredia a príslušného meracieho a vizualizačného aparátu umožňuje nielen tak využitie oblasti získavania nerastných surovín, ale ako aj v širokom priestore problematiky využívania zemských zdrojov, predovšetkým na báze OZE. Úspešná realizácia simulácií je predpokladom efektívneho prenosu získaných poznatkov do reality, ako aj profilovania študentov zameraných práve na využívanie alternatívnych zdrojov energie, čím v konečnom dôsledku môže LZZZ prispieť k rozvoju oblasti OZE a k ich uplatňovaniu v praxi.
(Príspevok bol vypracovaný v súvislosti s riešením projektu KEGA 3/7249/09 - Vytvorenie multimediálneho simulačnovizualizačného laboratória získavania zemských zdrojov.)
Doc. Ing. Radim Rybár, PhD., Ing. Jana Horodníkova, PhD., FBERG, TU v Košiciach
Celý článek je uveřejněn v čísle 3/12 časopisu Energie 21.
