Сулейменова Амина Олжасқызы
Тлеужан Наргиз Айдосқызы
Махмутов Тамирлан Жанатович
КМҚК «Геологиялық барлау колледжі», Семей қ., Қазақстан
КГКП «Геологический разведочный колледж», г. Семей, Казахстан
Geological Prospecting College, Semey, Kazakhstan
АҢДАТПА
Қазіргі уақытта энергетикалық қауіпсіздік, қоршаған ортаны қорғау және қалдықтарды тиімді кәдеге жарату мәселелері ерекше өзекті болып отыр. Осыған байланысты биогаз технологияларын дамыту жаңартылатын энергия көздерінің маңызды бағыттарының бірі саналады. Бұл зерттеу жұмысында мал көңін анаэробты ашыту арқылы биогаз өндіруге арналған Smart-Biogas мини-реакторы жобаланып, оның жұмысын ESP8266 микроконтроллері мен Telegram платформасы арқылы автоматтандырылған басқару жүйесі негізінде бақылау қарастырылды.
Зерттеу барысында реактордың технологиялық параметрлері: температура, ылғалдылық, қышқылдық деңгейі (pH) және газ концентрациясы арнайы датчиктер арқылы бақыланды. Автоматтандырылған жүйе қауіпті жағдайлардың алдын алып, процестің тұрақтылығын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Telegram платформасы арқылы қашықтан мониторинг жүргізу және басқару командаларын жіберу қарастырылды.
Жұмыс нәтижесінде 60 литрлік реакторға 45 литр көң салынған жағдайда бір циклде шамамен 1,5 м³ биогаз алынатыны анықталды. Бір жылдағы орташа 18 цикл есебімен жылдық биогаз өндірісі шамамен 27 м³ құрады. Бұл шамамен 50–55 кВт·сағ энергия өндіруге мүмкіндік береді.
Зерттеу нәтижелері Smart-Biogas жүйесінің ауылдық аймақтарда, шағын шаруашылықтарда және оқу-зертханалық мақсатта тиімді қолдануға жарамды екенін көрсетті. Ұсынылған жоба экологиялық қауіпсіз энергия өндіруге, органикалық қалдықтарды қайта өңдеуге және цифрлық технологияларды энергетика саласына енгізуге мүмкіндік береді.
Түйін сөздер: биогаз, Smart-Biogas, ESP8266, Telegram, анаэробты ашыту, жаңартылатын энергия, автоматтандыру.
АННОТАЦИЯ
В настоящее время вопросы энергетической безопасности, охраны окружающей среды и эффективной переработки отходов приобретают особую актуальность. В связи с этим развитие биогазовых технологий является одним из перспективных направлений возобновляемой энергетики. В данной исследовательской работе разработан Smart-Biogas мини-реактор для получения биогаза путем анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота, а также реализована система автоматизированного мониторинга и управления на основе микроконтроллера ESP8266 и платформы Telegram.
В ходе исследования контролировались основные технологические параметры реактора: температура, влажность, уровень кислотности (pH) и концентрация газа. Использование автоматизированной системы позволило повысить стабильность процесса и обеспечить предотвращение аварийных ситуаций. Telegram-платформа обеспечила возможность удаленного мониторинга и управления системой в режиме реального времени.
Результаты экспериментов показали, что при использовании 45 литров навоза в реакторе объемом 60 литров возможно получение около 1,5 м³ биогаза за один цикл. При средней продолжительности цикла 20 дней годовой объем производства составляет около 27 м³ биогаза, что эквивалентно 50–55 кВт·ч энергии в год.
Полученные результаты подтверждают возможность эффективного применения Smart-Biogas системы в сельской местности, малых хозяйствах и учебно-исследовательских целях. Разработанная установка способствует развитию экологически чистой энергетики, переработке органических отходов и внедрению цифровых технологий в энергетическую сферу.
Ключевые слова: биогаз, Smart-Biogas, ESP8266, Telegram, анаэробное сбраживание, возобновляемая энергия, автоматизация.
ABSTRACT
Currently, issues of energy security, environmental protection, and efficient waste recycling are becoming increasingly important. In this regard, the development of biogas technologies is considered one of the most promising areas of renewable energy. This research work presents the design of a Smart-Biogas mini-reactor for biogas production through anaerobic digestion of cattle manure and the implementation of an automated monitoring and control system based on the ESP8266 microcontroller and Telegram platform.
During the study, the main technological parameters of the reactor, including temperature, humidity, pH level, and gas concentration, were monitored using sensors. The automated system made it possible to stabilize the process and prevent hazardous situations. Remote monitoring and control through the Telegram platform significantly improved the convenience and efficiency of system operation.
The experimental results showed that approximately 1.5 m³ of biogas can be produced from 45 liters of manure in a 60-liter reactor during one operating cycle. Considering an average cycle duration of 20 days, the annual biogas production reaches approximately 27 m³, which corresponds to about 50–55 kWh of energy per year.
The obtained results confirm that the proposed Smart-Biogas system can be effectively applied in rural areas, small farms, and educational laboratories. The project contributes to the development of environmentally friendly energy technologies, recycling of organic waste, and integration of digital technologies into the energy sector.
Keywords: biogas, Smart-Biogas, ESP8266, Telegram, anaerobic digestion, renewable energy, automation.
Қазіргі таңда әлемде энергия тапшылығы мен қоршаған ортаның ластануы жаһандық мәселелердің бірі болып табылады. Көмір, мұнай және табиғи газ секілді дәстүрлі энергия көздерінің шектеулі болуы баламалы энергия көздерін дамыту қажеттігін арттыруда. Осындай тиімді шешімдердің бірі – органикалық қалдықтардан биогаз өндіру технологиясы.
Биогаз – органикалық заттардың анаэробты жағдайда ашуы нәтижесінде түзілетін жанғыш газ. Оның құрамында негізінен метан (CH₄) және көмірқышқыл газы (CO₂) болады. Биогаз өндірісі ауыл шаруашылығы қалдықтарын кәдеге жаратуға, қоршаған ортаға таралатын зиянды заттарды азайтуға және қосымша энергия көзімен қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.
Ақылды басқару жүйелерінің дамуы биогаз қондырғыларының тиімділігін арттыруға жол ашты. ESP8266 микроконтроллері мен IoT технологиялары реактор параметрлерін автоматты түрде бақылауға мүмкіндік береді. Telegram платформасын қолдану жүйені қашықтан бақылауды және басқаруды жеңілдетеді.
Осы зерттеу жұмысының мақсаты – Smart-Biogas мини-реакторын жобалау, құрастыру және оның жұмысын автоматтандырылған мониторинг жүйесі арқылы басқарудың тиімділігін тәжірибелік тұрғыда зерттеу.
1,2,3 - сурет. Биогаз қолнырғысын құрасыру
ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ МЕН ҚҰРАЛ-ЖАБДЫҚТАР
Құрал-жабдықтар: 60 литрлік бөшке -2 дана, пластик құбыр-2 дана, бұрыштық темір -2 дана,згон -2 дана, өткізгіш шланг -1,5 м, кран -1 дана, термостат -1 дана, гайка -8 дана, шпилька (0.8м) -2 дана, сорғы -1 дана, ылғалдылық датчигі -1 дана, газ датчигі -1 дана, температура датчигі -1 дана, pH датчигі -1 дана.
Порогтармен салыстыру: Ылғалдылық төмен → субстрат құрғаған, pH < 6.8 немесе > 7.2 → қышқылдық ауытқуы, температура > 42 °C → қызып кету, газдық сигнал → қауіпті концентрация
Сорғыны қосу шешімі: Шектен асқанда ғана қосылады, қосылу аралығы: кемінде 10 минут, жұмыс уақыты: 5 секунд
Telegram хабарламалары: Сорғының қосылуы/сөнуі
Газдық дабыл
Әр 60 секунд сайын параметрлердің жиынтық есебі
Telegram арқылы қашықтан басқару командалары:
/pump_on — сорғыны қолмен қосу
/pump_off — сорғыны қолмен өшіру
/status — ағымдағы параметрлерді шығару
Бағдарламалық қамтамасыз ету логикасының схемасы
Датчиктерді қосу схемасы
Arduino IDE-де жүзеге асыру
Код барлық функцияларды біріктіреді: датчиктерді оқу, сорғы логикасы, Telegram-ға хабарламалар жіберу және командаларды өңдеу.
// ESP8266 үшін толық жұмыс істейтін C++ коды
// Код құрамында: ылғалдылықты, pH, температураны, газды бақылау
// Сорғыны басқару, Telegram хабарламалары және командалар бар
Код көлемін үнемдеу үшін ол Arduino IDE-де жеке блок ретінде ұсынылған (алдыңғы бөлімдерде көрсетілген).
Абай облысында биогаз өндірісінеарналған есептеу нәтижесі: ІҚМ-522 млн м³/жыл, қой-41 млн м³/жыл, ешкі-4,5 млн, шошқа-0,5 млн м³/жыл, жылқы-103 млн м³/жыл. Барлығы≈ 671 млн м³/жыл.
ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ
45 литр көңнен теориялық түрде шамамен 2,025 м³ биогаз түзіледі, ал нақты жағдайда орта есеппен 1,5 м³ биогаз алынады. Қолданылатын 60 литрлік бөшке периодтық (batch) реактор болып табылады, яғни ол бір рет толтырылады да, 15–30 күн аралығында ашу процесі жүреді. Осы уақыт өткеннен кейін бөшкені қайтадан толтыру қажет. Орташа есеппен бір циклдің ұзақтығы 20 күнді құрайды. Осыған сәйкес, бір жылдағы цикл саны 365 күнді 20 күнге бөлу арқылы анықталады, яғни шамамен 18 цикл/жыл. Әр циклде шамамен 1,5 м³ биогаз өндірілетін болса, онда жылдық биогаз көлемі: 1,5×18= шамамен 27 м³ биогазды құрайды.
Энергетикалық тұрғыдан алғанда, 1 м³ биогаз шамамен 2 кВт·сағ энергия береді. Сондықтан жылдық энергия мөлшері: 27×2= шамамен 54 кВт·сағ/жыл.
Қорытындылай келе, 60 литрлік бөшкеге 45 литр көң салынған жағдайда жылына шамамен 27 м³ биогаз өндіруге болады, бұл өз кезегінде 50–55 кВт·сағ энергияға тең.
Зерттеу жұмысы барысында мал көңінен биогаз өндіруге арналған Smart-Biogas мини-реакторы жобаланып, ESP8266 микроконтроллері мен Telegram платформасына негізделген автоматтандырылған мониторинг және басқару жүйесі іске асырылды. Жүргізілген тәжірибелер анаэробты ашу процесінің тиімділігі реактор ішіндегі температура, ылғалдылық және pH деңгейінің тұрақтылығына тікелей тәуелді екенін көрсетті.
Автоматтандырылған бақылау жүйесін қолдану қондырғының жұмысын тұрақтандырып, қауіпті жағдайлардың алдын алуға мүмкіндік берді. Telegram арқылы алынатын хабарламалар мен басқару командалары қондырғыны қашықтан бақылауды жеңілдетіп, пайдаланудың ыңғайлылығын арттырды.
Зерттеу нәтижелері мал көңін экологиялық таза энергия көзі ретінде тиімді пайдалануға болатынын дәлелдейді. Ұсынылған Smart-Biogas жүйесі ауылдық аймақтарда, шағын шаруашылықтарда және оқу-зертханалық мақсатта қолдануға жарамды. Жұмыс баламалы энергия көздерін дамытуға, қалдықтарды кәдеге жаратуға және цифрлықтехнологияларды энергетика саласына енгізуге нақты үлес қосады.
ҚОРЫТЫНДЫ
Зерттеу жұмысы барысында Smart-Biogas мини-реакторы жобаланып, автоматтандырылған басқару жүйесі тәжірибе жүзінде іске асырылды. ESP8266 микроконтроллері мен Telegram платформасын қолдану реактор жұмысын тұрақты бақылауға және қауіпсіздікті арттыруға мүмкіндік берді.
Жүргізілген тәжірибелер биогаз өндіру процесінің температура, ылғалдылық және pH көрсеткіштеріне тәуелді екенін көрсетті. Автоматтандырылған жүйе реактор жұмысын оңтайландырып, қашықтан басқару мүмкіндігін қамтамасыз етті.
Ұсынылған Smart-Biogas жүйесі ауылдық аймақтарда, шағын шаруашылықтарда және білім беру мекемелерінде қолдануға жарамды. Жоба экологиялық таза энергия көздерін дамытуға, органикалық қалдықтарды тиімді өңдеуге және цифрлық технологияларды энергетика саласына енгізуге мүмкіндік береді.
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
- Бекназаров, Н.Қ. (2020). Биогаз технологиялары және олардың ауыл шаруашылығындағы маңызы. Алматы: Қазақ университеті.
- Сүлейменов, А.Т., & Қожахметова, Г.С. (2019). Жаңартылатын энергия көздері. Нұр-Сұлтан: Фолиант.
- Weiland, P. (2010). Biogas production: Current state and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology, 85, 849–860.
- Abbasi, T., & Abbasi, S.A. (2012). Biogas Energy. New York: Springer.
- Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 3, 117–129.
- Deublein, D., & Steinhauser, A. (2011). Biogas from Waste and Renewable Resources. Wiley-VCH.
- Karellas, S., Boukis, I., & Kontopoulos, G. (2010). Development of an investment decision tool for biogas production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(4), 1273–1282.
- Mata-Alvarez, J. (2003). Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes. London: IWA Publishing.
- Surendra, K.C., Takara, D., Hashimoto, A.G., & Khanal, S.K. (2014). Biogas as a sustainable energy source. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, 846–859.
- Yadvika, Santosh, Sreekrishnan, T.R., Kohli, S., & Rana, V. (2004). Enhancement of biogas production from solid substrates. Bioresource Technology, 95(1), 1–10.
- Rajendran, K., Aslanzadeh, S., & Taherzadeh, M.J. (2012). Household biogas digesters. Energies, 5(8), 2911–2942.
- Bond, T., & Templeton, M.R. (2011). History and future of domestic biogas plants in developing countries. Energy for Sustainable Development, 15(4), 347–354.
- Chen, Y., Cheng, J.J., & Creamer, K.S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process. Bioresource Technology, 99(10), 4044–4064.
- Appels, L., Baeyens, J., Degrève, J., & Dewil, R. (2008). Principles and potential of anaerobic digestion. Progress in Energy and Combustion Science, 34(6), 755–781.
- Demirbas, A. (2008). Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Conversion and Management, 49(8), 2106–2116.
INFORMATION ABOUT AUTHORS
Suleimenova Amina Olzhasqyzy – student, Geological Prospecting College, Semey, Kazakhstan.Contact phone: +7 747 420 8711
E-mail: sulejmenovaamina42@gmail.com
Tleuzhan Nargiz Aidosqyzy – student, Geological Prospecting College, Semey, Kazakhstan.
Contact phone: +7 771 563 3494
E-mail: tleuzhannargiz50@gmail.com
Makhmutov Tamirlan Zhanatovich – student, Geological Prospecting College, Semey, Kazakhstan.
Contact phone: +7 747 833 0226
E-mail: timamah08@gmail.com