22

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2»

«Автолопата»

Секция:

Естественные науки и современный мир:

физика (техническое творчество)

Автор работы:

Сидоренко Михаил

МБОУ «СОШ №2»,

10 - Б класс

Научный руководитель:

Колчина Марина Николаевна

МБОУ «СОШ №2»,

Учитель физики

Салехард

2016

«Автолопата»

Сидоренко Михаил

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 - Б класс

Краткая аннотация

Начиная с начала октября и порой до середины мая у нас на Ямале выпадает огромное количество осадков в виде снега. Во дворах частного дома или на небольшой площадке убрать снег, конечно же не составит труда. НО совсем другое дело - территория предприятий, фабрик, заводов, стадионов, парковок и других коммерческих объектов.

Мы предлагаем заменить ручной труд, а также использование техники, на автолопату.

The brief summary

Since the beginning of October , and at times up to the middle of May we Yamal drops a huge amount of snowfall . In the yard of a private home or in a small area to remove the snow , of course, is not difficult. But it is quite another thing - the territory of enterprises , factories, stadiums , parking lots and other commercial facilities .

We propose to replace the manual labor and the use of technology on avtolopatu .

«Автолопата»

Сидоренко Михаил

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 - Б класс

Аннотация

Начиная с начала октября и порой до середины мая у нас на Ямале выпадает огромное количество осадков в виде снега. Во дворах частного дома или на небольшой площадке убрать снег, конечно же не составит труда. Но совсем другое дело - территория предприятий, фабрик, заводов, стадионов, парковок и других коммерческих объектов.

Наша команда поставила перед собой

Цель: Изучить возможность построения автомеханической лопаты, которая могла бы убирать большие территории заводов, фабрик, коммерческих организаций, работающая от солнечной батареи.

Объектом нашего проекта является Территории заводов, фабрик, коммерческих организаций.

Предметом: Снег, падающий на территорию объекта.

Гипотеза:

• Если установить на большой территории специальные рельсы, по которым свободно может перемещаться специальная вмонтированная лопата, начинающая свою работу только тогда, когда срабатывает датчик давления.

• Этот снег лопата убирает в большую емкость, находящуюся на уровне земли, внутри этой емкости находится греющий кабель, который работает от солнечной батареи, установленной на крыше.

• Вода, растопленная в емкости, сразу поступает через канализационные трубы в здание, где накапливается с помощью специального накопителя.

После изучения теоретического материала, мы построили модель, с помощью программы Блендер 3 D. С помощью 3 D принтера распечатали рельсы, изучили экономическую выгоду данного проекта, мы пришли к выводу, что автолопату можно использовать в коммерческих организациях, на предприятиях, где есть большие территории, аэропорт и др. на территории ЯНАО, которые необходимо расчистить от снега очень быстро.

«Автолопата»

Сидоренко Михаил

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 - Б класс

Содержание

«Автолопата»

Сидоренко Михаил

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 - Б класс

Введение

Начиная с начала октября и порой до середины мая у нас на Ямале выпадает огромное количество осадков в виде снега. Во дворах частного дома или на небольшой площадке убрать снег, конечно же, не составит труда. Но совсем другое дело - территория предприятий, фабрик, заводов, стадионов, парковок и других коммерческих объектов.

Проблема уборки снега остро стоит в мегаполисах, на дорогах, трассах, во дворах и на промышленных объектах. Нередко возникает ситуация, когда не проведение своевременно уборки снега приводит к тому, что приходится привлекать дополнительную технику для борьбы с ледяной корой и утрамбованным пластом снега. Здесь уборка снега может стать настоящей проблемой, требующей привлечения профессиональной помощи. Мы предлагаем Заменить ручной труд, а также использование техники, на автолопату.

Наша команда поставила перед собой:

Цель: Изучить возможность построения автомеханической лопаты, которая могла бы убирать большие территории заводов, фабрик, коммерческих организаций, работающая от солнечной батареи.

Объектом нашего проекта является Территории заводов, фабрик, коммерческих организаций.

Предметом: Снег падающий на территорию объекта.

Гипотеза:

• Если установить на большой территории специальные рельсы, по которым свободно может перемещаться специальная вмонтированная лопата, начинающая свою работу только тогда, когда срабатывает датчик давления.

• Этот снег лопата убирает в большую емкость, находящуюся на уровне земли, внутри этой емкости находится греющий кабель, который работает от солнечной батареи, установленной на крыше.

• Вода растопленная в емкости, сразу поступает через канализационные трубы в здание, где накапливается с помощью специального накопителя.

Задачи

• Изучить теоретический материал по теме проекта, используя учебную литературу и интернет ресурсы (учебники физика 10-11 класс «Фотоэффект», электродинамика 10-11 кл., элементы программирования, основы 3 D моделирования).

• Изучить теоретический материал по теме проекта, используя учебную литературу и интернет ресурсы изучить вопрос:

• возможность установки рельс на территории предприятий с большой площадью.

• возможность создания анимации, которая покажет работу нашей автолопаты.

• изучить проект «Универсальная крыша».

• Составить план работы.

• Создание анимации.

• Использование робота на солнечной батарее.

• С помощью 3 D принтера изготовить рельсы.

• Используя микроконтроллер Arduino составить схему работы кнопки и привести ее в действие.

• Провести экономические расчеты с точки зрения выгоды нашего проекта.

Методы исследования:

• анализ литературы и научных источников по данной проблеме;

• эксперимент;

• наблюдение;

• статистический метод;

• моделирование;

• анализ и сравнение полученных результатов.

Практическая значимость работы

Данная конструкция может быть использована в коммерческих организациях, на предприятиях, где есть большие территории, аэропорт и др. на территории ЯНАО.

Мы можем предложить создание социального проекта для людей с ограниченными возможностями, живущими в частных домах.

Для реализации нашего проекта мы решали следующие задачи:

Задача 1. Создать анимации с помощью программы Blender.

Программа Blender - это пакет для создания трехмерной компьютерной графики. Её используют для 3D моделирования и визуализации - они нужны для различных сфер деятельности.

Blender будет полезен для эффектной презентации, например, при строительстве, создания различных спецэффектов, совмещение 3d и видеоряда, и анимации.

Мы использовали эту программу для визуального представления нашего проекта. (Файл 1)

С помощью программы Blender мы смоделировали лопаты, рельсы. (Приложение 2)

Задача 2. «Работа солнечной батареи».

Для того чтобы наша система работала, нам необходима энергия, мы предлагаем использовать альтернативную энергию, а именно солнечную энергию.

Как работает фотоэлемент?

Теория фотоэффекта.

В основе работы солнечной батареи лежит преобразование солнечной энергии в энергии электрическую, в учебниках солнечная энергия - это солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц - Фотонов. Для нас световой поток интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, он обладает энергией! Использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию - электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра- фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Действительно ли необходим яркий солнечный свет для работы фотоэлектрических технологий?

Для работы фотоэлектрической системы необходим дневной свет, но не прямые солнечные лучи. Действительно, если фотоэлектрический модуль подвергается воздействию искусственного света, он также будет производить электричество.

Солнечный свет состоит как из прямого света, так и из отраженного или рассеянного света (это свет, который был рассеян пылью и частицами воды в атмосфере. Фотогальванические элементы используют не только постоянную составляющую света, но и производят электричество при облачной погоде. Одно из распространенных заблуждений, что ФЭ технологии работают только при прямых солнечных лучах и, следовательно, не подходят для использования в умеренном климате. Но это не так: фотоэлектрические технологии применяются при рассеянном солнечном излучении, а также при прямом солнечном свете.

Когда солнечный свет попадает на фотогальванические элементы, вырабатывается постоянный ток. При направлении электрической нагрузки по всей элементу этот ток можно использовать. Количество полезной электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическим модулем, пропорционально интенсивности световой энергии, которая попадает в область превращения. Чем доступнее солнечный ресурс, тем выше потенциал выработки электроэнергии.

Однако так как электрическая мощность фотоэлектрического модуля зависит от интенсивности света, воздействию которого она подвергается, определенно, что фотоэлектрический модуль при наличии солнца в полдень в ясный день, будет производить электроэнергию с максимальной мощностью. Таким образом, действительно можно сказать, что фотоэлектрические модули имеют тенденцию к выработке большего количества электроэнергии в яркие дни, чем в пасмурные. Тем не менее, для того, чтобы работать, фотоэлектрические системы не должны обязательно находиться под прямыми солнечными лучами, так что даже в пасмурные дни фотоэлектрические модули будут вырабатывать некоторое количество электроэнергии.

При преобразовании световой энергии с помощью ФЭП она преобразуется в электрическую.

Мы предлагаем в своем проекте использовать роботизированную модель солнечной батареи.

Робот (солнечная панель). В роботе используется датчик освещенности, делая обороты на 360⁰, робот ищет самую яркую точку из всего спектра. С помощью нашего робота можно получить наилучший угол, при котором солнечная панель, получит максимальное количество энергии. (Приложение 1). Видеоматериал (файл видео 1)

Задача 3. Создание рельс.

С помощью 3 D принтера нам удалось распечатать рельсы для движения автолопаты.

Для этого мы с помощью программы Blender смоделировали рельсы. Записали файл на флеш карту, данные были переданы на 3D принтер, после прогрева стола и пластика, принтер в течении 16 часов печатал модель - «рельсы», необходимы для движения автолопаты. Для печати мы использовали пластика ABS. (Модель 1)

Задача 4. Используя микроконтроллер Arduino составить схему работы кнопки и привести ее в действие.

В своем проекте мы предлагаем использовать датчик давления, который будет располагаться на платформе, он необходим для того чтобы приводить в движение, автолопату.

Датчик включает автолопату.

В своем проекте мы в качестве датчика давления используем обычную кнопку, которая его заменяет, выпавший снег давит с определенной силой. В результате поступает сигнал о включении энергии, которая будет поступать на автолопату.

В своих расчетах мы использовали только что выпавший снег толщиной 1,5 см. Датчик срабатывает только в том случае, если снег имеет плотность

(Приложение 3).

С помощью языка программирования паскаль мы создали 2 программы, которые наглядно показывают, как работает кнопка давления. (Приложение 4).

Задача 5. Провести экономические расчеты с точки зрения выгоды нашего проекта.

Немало важную роль играет и экономический фактор. Поэтому нам предстояло ответить на вопросы, которые, касались не только технической стороны, но и экономической.

1. Конструирование робота работающего на солнечных батареях.

Каждая система солнечных батарей автономного электроснабжения включает в себя: солнечные батареи (панели), контроллер заряда, инвертер и аккумуляторы. Мощность каждого компонента рассчитывается в зависимости от нужд потребителя. Срок службы солнечных панелей 40-50 лет, контроллера и инвертера 15-20 лет, аккумуляторов в зависимости от типа и характера использования - 4-10 лет.

К примеру, если необходимо получить 100 кВт в месяц, при этом мы знаем, что наименьшая инсоляция в декабре, и составляет она 20 кВт/час/м², также нам известна площадь одного элемента, которая равняется, к примеру, 0,7 м². Далее, для расчета нужно инсоляцию (20) умножить на площадь батареи (0,7) и умножить на процент КПД (в нашем случае мы приняли 14%).

Формула имеет следующий вид: 20*0,7*0,14= 1,96 кВт. Это число означает количество электричества, которое вырабатывает одна солнечная батарея. Теперь можно рассчитать, сколько нам потребуется панелей, для достижения 100 кВт за месяц. Для этого 100 кВт делим на 1,96 кВт: 100/1,96=51. 51 - это требуемое количество панелей для выработки 100 кВт.

2. Монтаж кнопки давления.

Для монтажа кнопки давления необходимо 2000 - 3000 рублей.

3. Конструирование и установка рельс.

Данная таблица представляет монтаж железнодорожных путей, нам необходимо использовать только железобетонные шпалы, которые при необходимости можно заменить на более легкий материал, исходя из этих данных 1 метр полотна стоит 13 рублей, если нам необходима длина в 100 м, то цена материала 1300 рублей, а работа будет стоить 300 рублей.

4. Конструирование и установка ковша.

Сегодня на рынке множество компаний которые предлагают, разные ковши средняя цена будет колебаться от 15000 рублей до 25000 рублей.

5. Установка цистерны и канализационных труб ведущих к зданию.

Цистерна от 10000 рублей, канализационные трубы и необходимые комплектующие от 5000 рублей.

6. Насосная станция для водоснабжения дома. Цены колеблются от 5000 рублей.

7. Также для подогрева труб, мы будем использовать греющий кабель - цена за 1 метр от 150 рублей, если использовать 20 метров, то потребуется 3000 рублей.

Проведя расчет комплектующих автолопаты нам потребуется около 40000 рублей, без учета солнечных панелей ориентировочно на 1 га площади.

Если использовать ручной труд и специальную технику, то затраты будут следующими.

Судя по этой таблице если необходимо расчистить площадь в 1 га, потребуется 2200 рублей в месяц, если необходимо убирать снег на протяжении 7 месяцев, то потребуется 15400 рублей, таким образом, данная система окупится за 2,5 года.

Собираем проект в единое целое.

1. Снег падает на датчик давления.

2. С датчика давления идёт сигнал на блок управления.

3. Блок управления включает подогрев в желобе. Так же он включает двигатель, который заставляет лопату двигаться.

4. Лопата едет, сгребая снег в подогреваемый желоб. Желоб подогревается за счёт накопленной энергии, которая была произведена солнечными батареями. Либо же желоб находится в постоянном подогреве с помощью труб проложенных под ним (в случае с ТЭС).

5. Автолопата сгребает снег в специальный контейнер, который находится на уровне земли, в нижней части, этого контейнера, находится греющий кабель, работающий от солнечной батареи (располагающейся на крыше здания). Мы предлагаем использовать солнечную панель, устройство, которой описано в проекте «Универсальная крыша»

6. Когда лопата закончила очистку территории, снег, плавясь в желобе, по специальным трубам поступает в резервуары. Резервуары расположены в здании, либо в подвальном помещении здания.

7. Вода накапливается и используется заказчиком по тому назначению, которое он найдёт для неё.

(Приложение 5).

Заключение.

Изучив возможность построения автомеханической лопаты, которая могла бы убирать большие территории заводов, фабрик, коммерческих организаций, работающая от солнечной батареи или других альтернативных источников, мы пришли к выводу.

Нашу конструкцию можно вмонтировать абсолютно на любую большую территорию.

В будущем при строительстве домов, можно учитывать данную конструкцию и включать расходы на ее строительство в смету.

Наша, автолопата поможет сэкономить городской бюджет, а также физическую нагрузку дворников.

Лопата заменяет спец технику, не использовав которую, мы защищаем окружающую среду от вредных выбросов в атмосферу.

Наша лопата работает полностью автоматически.

Встроенные роботизированные солнечные панели позволят круглый год преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Решается экономический вопрос, а также вопрос энергосбережения. Энергию в период, когда снега нет, можно использовать в бытовых целях.

Ну и наконец, мы можем помочь людям с ограниченными, возможностям, что на сегодня играет не мало важную роль. (проект можно использовать как социальный проект для пенсионеров и инвалидов, которые живут в частном секторе и и не могут самостоятельно решить данную проблему).

Мы в своем проекте показали, что можно и нужно использовать альтернативные источники для различных потребностей человека. Наша конструкция легка в использовании, быстро окупается, экологична и экономически выгодна.

Список используемой литературы

• «Электротехника» Пособие для поступающих в вузы 1987г.;

• Европейская Фотоэлектрическая Ассоциация, EPIA. Часто задаваемые вопросы.

• Учебники физика 8 кл. Перышкин, 10 кл., 11 кл. Мякишев, Буховцев.

• Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. Автор: Кашкаров А.

• techno-guide.ru/energetika/solnechnye-batarei/skolko-stoyat-sovremennye-solnechnye-batarei.html

• te-st.ru/tools/blender-org-tools/

• programishka.ru/catalog/show_catalog/36/

• septik.guru/truby/kanalizacionnye/truba-kanalizatsionnaya-plastikovaya.html

• mascus.ru/stroitelnaya_tehnika/kovshi_dlya_ekskavatorov_i_pogruzchikov

• blog.greenmax.ru/tag/traktor-dlya-uborki-snega/

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5