Водный исследовательский комплекс «ВИК-2»

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.