Проекты

Водный исследовательский комплекс «ВИК-2»

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Программирование, Судостроение, Альтернативная энергетика, Гидродинамика
Авторы работы: МОУ СОШ № 29, г. Подольск
Предметы: Физика, Математика, Биология, Информатика, Черчение, Экология, Материаловедение
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

В ЦНТ «Поиск» (центр научного творчества) проводятся экспедиции на водоёмах (с привлечением учащихся из других школ), в связи с чем возникает потребность в автономном боте для изучения окружающей среды. При проведении исследований по географии, биологии, химии, экологии, для решения задач полевых практикумов часто требуется лёгкое судно с хорошей проходимостью и грузоподъёмностью.

Выбранная конструкция судна позволяет установить оборудование для сбора образцов: грунта, воды, растений. Во время наблюдения за дикими животными очень важно соблюдать тишину, и лодка с электрическим двигателем имеет неоспоримое преимущество перед лодкой с двигателем бензиновым. Актуальным и важным для полевых исследований является использование солнечных панелей как самостоятельного дополнительного источника энергии.

Цель

Переоборудовать спортивное судно, оснастив необходимым инструментарием для решения научно-исследовательских задач.

Задачи

1. Изучить возможность продления работы двигателя при применении солнечной батареи и определить оптимальный режим использования бота.

2. Спроектировать и собрать исследовательские суда ИС-1 и ИС-2.

3. Разработать электромеханическую схему управления.

4. Разработать мобильную измерительную станцию (МИС) с поддержкой не менее 4 типов датчиков.

5. Подключить МИС к облачной платформе Интернета вещей GreenPl.

6. Подключить и установить МИС и всё необходимое оборудование на суда.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Система электропитания.

  • Солнечные панели, состоящие из Солнечных элементов 52х26 мм 0,25W
  • Модулятор электропитания
  • Ключ питания
  • Аккумулятор LiFePO4 24V
  • 40Ah, Электромотор Protruar G 3.0.

Система управления.

  • Рулевая колонка
  • Рулевая тяга

Навесное оборудование.

  • Канаты
  • Швартовочная утка
  • Весло

Перечень датчиков от компании «Научные развлечения».

  • Цифровой датчик температуры химический (–30+30) платиновый
  • Цифровой датчик pH
  • Солемер
  • Датчик удельной теплоёмкости
  • Эхолот
  • Анемометр
  • Навигатор

Оборудование.

  • Плата Raspberry Pi 3
  • Шуруповёрт
  • Лазерный резак
  • Фрезерный станок на числовом программном управлении(ЧПУ)
  • Шлифмашина
  • Грайвер
  • Болгарка
  • Электролобзик
  • Дрель
  • Пила
  • Респираторы
  • Шпатели
  • Кисточки
  • Халаты
  • Перчатки
  • Очки

Перечень материалов.

  • Стеклоткань Т-11
  • Фанера толщиной 4 мм
  • Брус 100x100x1000 мм
  • Брус щит
  • Металлические уголки
  • Дощатый щит
  • Гелькоут
  • Эпоксидная смола Эд-20
  • Эпоксидная шпаклёвка
  • Искусственный газон
  • Герметик
  • Саморезы
  • Гайки
  • Болты
  • Краска

Описание

В ходе выполнения работы:

  • выбрана модель судна, произведён базовый расчёт;
  • выбрано навесное оборудование и оснащение, созданы компоновки;
  • проведены отдельные измерения напряжения и тока панелей при разном угле падения света;
  • использовалась полученная спектрограмма лампы (диапазон поглощения света солнечными панелями 750-900 нм), с помощью которой рассчитана полезная интенсивность излучения лампы: ~2500 Вт и КПД солнечной батареи ~15,2%, т.е. КПД уменьшился на 2,2% за 2 года;
  • рассчитана нагрузка на кормовую часть, разработаны и реализованы более прочные и надёжные крепления;
  • созданы чертежи, изготовлены детали;
  • создан стапель;
  • собран каркас (стяжка фанеры с помощью саморезов на стапеле);
  • укреплена корма при помощи брус щита с последующим добавлением эпоксидной смолы;
  • созданы технические отверстия;
  • проклеены стыки изнутри каркаса и днища эпоксидной смолой и стеклотканью;
  • проверена герметичность каркаса;
  • загрунтовано и покрашено судно;
  • модернизирована рулевая часть на двигателе, установлено реле под более удобным углом для пилота, установлен поршень с учётом укреплённой кормы;
  • удлинён управляющий провод для двигателя, сделана защита от выпадения пилота;
  • установлен модулятор электропитания для преобразования напряжения солнечных панелей с 37В на 24В (рабочее напряжение);
  • проверена работоспособность электросхемы;
  • выбраны платы и датчики для ИС-1 и ИС-2 (Исследовательское судно);
  • создан код для выбора хранения БД, способа выгрузки данных и выбор пользовательского интерфейса;
  • проверена работоспособность кода;
  • собраны все части судна, проведены испытания.

Результаты работы / выводы

На данный момент создан и испытан рабочий прототип бота ИС-1, который будет использоваться Центром научного творчества «ПОИСК» школы № 29 г.о. Подольск. Оптимальным режимом эксплуатации судна является движение при нагрузке 150 – 400 Вт, что даёт возможность перемещаться судну почти 6 часов. Созданы рабочие чертежи и электросхема судна, в соответствии с которыми проведена сборка и монтаж оборудования. Лёгкость судна гарантирует удобство транспортировки, размеры бота позволяют расположить в нём все необходимые датчики: температуры, электропроводности, тока, напряжения, нитрит-ионов, мутности, оптической плотности. Автономная солнечная электростанция обеспечивает электроэнергией научное оборудование судна во время проведения исследовательских работ. Разработан первый небольшой прототип судна ИС-2 в масштабе 1:5 для использования в труднодоступных местах во время экспедиций с автоматическим сбором и накоплением данных.

Перспективы использования результатов работы

Переоборудованное судно можно использовать для полевых исследований водоёмов и рек.

Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации электроцепи маломерного судна с помощью солнечных панелей.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

1. ООО «Научные развлечения»

2. Школа строителей солнечных кораблей «ГелиоФлот»

3. ООО «GreenPL»

4. ЦНТ «Поиск»

5. НИЯУ МИФИ

Награды / достижения

1. XV фестиваль проектов «КосмОдис – Московская область-2019» – победитель.

2. Научно-практическая конференция «Шаг в науку» – 2-е место.

3. Межрегиональная научно-практическая конференция «Вместе исследуем и проектируем» – победитель.

4. Выставка работодателей и конкурс «Научно-техническое творчество среди молодёжи Москвы и Московской области» – участник.

5. Инженерные соревнования «Солнечная регата» – участник.

6. VII Международная научно-практическая конференция «Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование» – участник.