Елизавета Рыбакова
Мурманская область, г. Мурманск
МБОУ г. Мурманска "Гимназия №2", ГАУДО МО "МОЦДО "Лапландия", 6 класс
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ АНТИОБЛЕДЕНЕНИЯ КРОВЛИ И ВОДОСТОКОВ. ВЕРСИЯ 2.0
8
Научный руководитель: Павлов Николай Александрович, Мурманская область, г. Мурманск, ГАУДО МО "Мурманский областной центр дополнительного образования "Лапландия", педагог дополнительного образования
Актуальность
Проблема сосулькообразования и последствий схода снежных шапок и сосулек с крыш актуальна практически в каждом регионе нашей страны. По данным национального центра по антиобледенению «Ледовый патруль» Артура Мирзояна в России ежегодно от сосулек погибает порядка 300 человек, в том числе и в Мурманске и области, что говорит об отсутствии системы мер, направленных на предотвращение сосулько-образования или борьбы с ними. Жилищно-коммунальные службы просто не справляются с объемами работы в периоды потеплений.

С 60-х годов прошлого столетия ученые пытаются решить эту проблему, но ни одно решение так и не было введено в систематическое использование. В последние десятилетия активно разрабатываются кабельные системы противообледенения кровли и водостоков, которые неплохо себя зарекомендовали в очистке крыш честных домов, которые также не получили пока распространение в жилом фонде, так как установка и обслуживание являются дорогостоящими, требующими определенных энергозатрат.

Работа решает технологическую и экономическую проблемы имеющихся кабельных антиобледенительных систем
Цель проекта
Усовершенствование созданного прототипа автоматизированной системы контроля антиобледенения кровли и водостоков, использующей альтернативные источники энергии.
Задачи
  1. Актуализировать современное состояние проблемы в научной и научно-технической литературе, возможность разработки автоматизированной системы контроля антиобледенения кровли и водостоков, использующей альтернативные источники энергии.
  2. Создать прототип автоматизированной системы контроля антиобледенения кровли и водостоков с использованием ветрогенератора
  3. Усовершенствовать рабочий прототип через добавление модулей выбора источника питания и интерфейса пользователя (Версия 2.0).
  4. Проверить эффективность работы усовершенствованного прототипа.
Практическая значимость
Практическая значимость состоит в усовершенствовании рабочего прототипа автоматизированной системы контроля антиобледенения кровли и водостоков с использованием ветрогенератора (Версия 2.0), который позволит сократить затраты на чистку крыш и на электроэнергию.
Наш прототип (рис.1) состоит из:

1. Модуля обогрева (низковольтного нагревательного кабеля)

2. Модуля контроля окружающей среды, который представлен набором датчиков, контролирующих такие параметры как температуру и давление. Конструкция скатной кровли предполагает использовать систему снегозадержателей, на которые и будут крепиться датчики.
Датчики температуры будут устанавливаться непосредственно на кровлю и над кровлей. Это позволит контролировать температуру окружающей среды как над снежным покровом, так и под ним. Поскольку снег может быть использован как своеобразный теплоизолятор, то разница показателей датчиков, может послужить сигналом к запуску системы. Если снеговая нагрузка будет достаточной большой и скроет оба датчика температуры, то сигнал к запуску системы обогрева кровли будет идти от датчика давления, так как при большом скоплении снега появиться давление на элементы снегозадержателей и крыши.

3. Модуля энергообеспечения, который состоит из: аккумуляторного блока, ветрогенератора, преобразователя напряжения, блока контроля зарядки аккумулятора, блока выбора источника зарядки аккумулятора.

4. Модуль контроля - микроконтроллер Arduino. Программа написана на языке программирования Wiring, среда разработки Arduino IDE
Рисунок 1. Прототип автоматизированной системы контроля антиобледенения кровли и водостоков
В Версии 2.0. появились 2 модуля:

5. Модуль выбора источника питания. Изначально питание системы осуществляется от аккумулятора, но если его мощности недостаточно, или погода долгое время безветренная, то система переключается на питание от электросети.

6. Модуль интерфейса пользователя, представленный светодиодными элементами и кнопками управления.
При модернизации системы, в целях повышения ее надежности было принято решение проектировать и создать почетные платы устройства. Проектирование печатных плат осуществлялось в программе Sprint layout 6.0. Электронная начинка устройства разделена на 3 модуля:
Рисунок 2. Печатные платы
  • интерфейсный модуль, некотором располагается микроконтроллер и интерфейсы для подключения остальных модулей системы;
  • силовой модуль, на котором расположены интерфейсы для подключения датчиков и элементов питания системы;
  • модуль интерфейса пользователя, на котором имеются органы отображения информации и управления системой.

В системе предусмотрены органы отображения информации в виде дисплея. На нем выводиться информация о состоянии датчиков температуры, давления и другую информацию. На рисунке 3 изображен пример отображаемой информации о текущем состоянии температуры над и под снеговым покровом. Дизайн табло модуля интерфейса был разработан в графическом редакторе Adobe Photoshop СС.
Рис.3. Пример информационного сообщения на экране системы
Рис.4 Модуль интерфейса пользователя
  1. Индикатор работы системы, который горит при ее активации и выключен при деактивации;
  2. Индикатор подзарядки от кабельной электросети находиться во включенном состоянии при работе от сети и в выключенном состоянии при работе от аккумулятора;
  3. Кнопки управления (включающая табло, переключающая режимы табло);
  4. Дисплей для отображения состояний системы; 5 датчик, показывающий работу от аккумулятора

Также в версии 2.0. мы провели эксперимент, смонтировав систему на окно и оконный откос, экспериментальная проверка расчетов при подключении системы осуществляется через умную розетку с ваттметром Broadlink Sp3S. (рис 5)
Рис.5 Эксперимент
В результате мы создали и усовершенствовали действующий прототип кабельной антиобледенительной системы. Принципиальными отличиями нашего прототипа от имеющихся кабельных антиобледенительных систем являются:
- использование кабеля 12 Вольт;
- установка 2х датчиков температуры (вместо одного), включающих систему при разнице температур;
- использование датчика давления вместо датчика влажности, что особенно актуально в северных регионах;
- использование ветрогенератора тапа - Ротор Савониуса для подзарядки аккумулятора (экспериментальным путем мы установили, что данный ветрогенератор способен вырабатывать 2.4 Ватт). В версии 2.0. испытания проводились с ветрогенератором – ротор Дарье.

Мы посчитали примерные затраты на обогрев кабелем 12 вольт для 200 погонных метров крыши, однако цифры получись приблизительные, так как реальное потребление зависит от толщины теплоизоляции (в том числе слоя снега, температуры окружающей среды и т.д.). при непрерывной работе прототипа от городской электросети за 30 дней ее непрерывной работы потратим 30 тысяч рублей с тарифом 2,820руб. за КВт/ч (тариф для граждан, проживающих в домах с газовыми плитами). Часть этой затраченной электроэнергии должна быть компенсирована накопленной электроэнергией ветрогенераторов, а также переменным режимом реальной работы установки – не 24 часа в сутки, а снег растаял – установка перешла в режим ожидания.

Мы просчитали примерную экономическую выгодность данного прототипа при установке на стандартную кровлю многоквартирного дома, сравнив затраты на очистку двускатной кровли на 7 лет при установке стандартной антиобледенительной системы, экспериментальной (нашей) антиобледенительной системы и механическом способе уборки, без учета затрат на износ оборудования (рис.6). Уже с первого года установка и использование кабельной антиобледенительной системы является выгодным по сравнению с вызовом специализированной бригады (из расчета 10 вызовов за сезон). Установка нашей антиобледенительной системы обойдется дороже в первый год, но, учитывая ее автономность и частичное потребление электроэнергии от аккумулятора, а частичное от стандартной электросети за 7 лет будут примерно на 30 тысяч меньше, чем затраты на использование автоматизированной системы, работающей от электросети, и в 3 раза меньше, чем регулярный вызов специализированных бригад за данный период.

Своей работой мы хотели в первую очередь привлечь внимание этой к серьезной проблеме. Возможно, установка и обслуживание таких систем в масштабах города – это очень дорого, но, человеческая жизнь стоит намного дороже.

В качестве перспектив развития проекта предполагается дальнейшее совершенствование системы, разработка приложения для смартфона по управлению и контролю за системой, более длительные испытания системы на прочность.
Рисунок 6 Обоснование экономической выгодности проекта
Сборка и тестирование ветрогенератора
Этапы работы
Монтаж системы
Тестирование системы
Создание модуля интерфейса пользователя
Разработка дизайна и программирование модуля интерфейса пользователя
Тестирование работы модуля
Эксперимент
Видео о проекте
Расписание работы автора проекта
30 марта, вт
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
14:00
14:20

15:35 - 15:45
Курганова Ю.А.
Онищенко Д.О.
30 марта, вт
14:40
15:00
15:20
Трубачев Е.А.
Чичекин И.В.
Шубин А.Н.

Задайте вопрос автору проекта
Обязанность отвечать на заданные вопросы остается полностью на участнике. Организаторы форума не несут ответственности за сроки получения ответа.
Заполняя данную форму Вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности сайта.
Пообщайтесь с автором в режиме реального времени
Вы можете посмотреть диалог с экспертом и задать вопросы автору в форме вебинара.
Расписание сессий приведено выше