XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка устройства датчика движения для энергосбережения
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире энергосбережение становится все более актуальной темой. Продолжающийся рост населения, индустриализация и увеличение потребления энергии создают огромные вызовы для окружающей среды и природных ресурсов. Недостаток энергетических ресурсов и негативное воздействие на окружающую среду стимулируют поиск новых путей эффективного использования энергии.
В рамках этого проекта мы сосредоточились на энергосбережении и разработали устройство для экономии энергии. Датчики движения способствуют снижению потребления электроэнергии на 30-80%.
Актуальность проблемы. Энергосбережению, как одному из способов решения проблемы загрязнения окружающей среды, уделяется во всём мире. Потребление энергии во всем мире и в России постоянно растет.
Гипотеза исследования: знания о способах энергосбережения могут стать привычками для любого человека.
Цель исследования: формирование представлений об энергосберегающем образе жизни и навыках энергосбережения в подвальных помещениях.
Задачи исследования:
1) Изучить проблему потребления энергии;
2) Рассмотреть характеристики датчика движения;
3)Проверить на практике эффективность способ энергосбережения электричества;
4) Посчитать экономию от использования датчика движения;
5) Проанализировать результаты;
6) Сделать выводы.
Ожидаемые результаты. Данный проект позволит:
1.Уменьшить воздействие человека на природу.
2.Сэкономить энергетические ресурсы для будущего поколения.
3.Сэкономить бюджет семей, организаций.
4.Сформировать экологическую культуру личности.
ГЛАВА I. ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ КАК СРЕДСТВО ЭКОНОМИИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
1.1. Проблема энергосбережения
Зачем нужно экономить электроэнергию? Вопрос очень актуальный, и прежде чем говорить про энергосбережение, необходимо четко понимать, почему и зачем это необходимо. Для того, чтобы ответить на этот вопрос нужно рассмотреть схему и принцип получения электроэнергии.
Каждый день мы регулярно используем электричество, которое уже стало незаменимым помощником в нашей современной жизни. Мы так привыкли к его наличию, что зачастую не задумываемся о том, каким образом электрический ток попадает к нам в дом.
Начинается всё на электростанциях. Основной частью любой электростанции является генератор, при помощи которого вырабатывается переменный ток за счет использования какого-либо источника. Источником может служить ископаемое топливо, атомная реакция, энергия течения реки, приливов и отливов, ветра, солнечного излучения и другие. При этом только часть энергии, полученная от источника, преобразуется в электроэнергию. Коэффициент полезного действия (КПД) зависит от многих факторов: от типа электростанции, вида топлива, качества линий передач и другие.
После электростанции по проводам электрический ток поступает на повышающие подстанции. В результате напряжение повышается до сотен киловольт. Это делается для того, чтобы уменьшить потери энергии при передаче электричества на большие расстояния. От повышающих подстанций тянутся провода к понижающим подстанциям, где напряжение снова падает до 220 В и попадает к нам в дом.
Пepeдaчa элeктpoэнepгии связана c заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. B соответствии c законом Джоуля – Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой:
Rt =
гдe R – coпpoтивлeниe линии, U – пepeдaвaeмoe нaпpяжeниe, P –мoщнocть иcтoчникa тoкa.
Пpи oчeнь бoльшoй длинe линии пepeдaчa энepгии мoжeт cтaть экoнoмичecки нeвыгoднoй. Знaчитeльнo cнизить coпpoтивлeниe линии R пpaктичecки вecьмa тpуднo, пoэтoму пpиxoдитcя умeньшaть cилу тoкa I.
Taк кaк мoщнocть иcтoчникa тoкa P paвнa пpoизвeдeнию cилы тoкa I нa нaпpяжeниe U, тo для умeньшeния пepeдaвaeмoй мoщнocти нужнo пoвыcить пepeдaвaeмoe нaпpяжeниe в линии пepeдaчи.
Для этoгo нa кpупныx элeктpocтaнцияx уcтaнaвливaют пoвышaющиe тpaнcфopмaтopы. Tpaнcфopмaтop увeличивaeт нaпpяжeниe в линии вo cтoлькo жe paз, вo cкoлькo paз умeньшaeт cилу тoкa.
Чeм длиннee линия пepeдaчи, тeм выгoднee иcпoльзoвaть бoлee выcoкoe нaпpяжeниe. Гeнepaтopыпepeмeннoгo тoкa нacтpaивaютнa нaпpяжeния, нe пpeвышaющиe 16 – 20 кB. Бoлee выcoкoe нaпpяжeниe пoтpeбoвaлo быпpинятия cлoжныx cпeциaльныx мep дляизoляции oбмoтoкидpугиx чacтeйгeнepaтopoв. Дaлee для нeпocpeдcтвeннoгo иcпoльзoвaния элeктpoэнepгии пoтpeбитeлeм нeoбxoдимo пoнижaть нaпpяжeниe.
Этo дocтигaeтcя c пoмoщью пoнижaющиx тpaнcфopмaтopoв. Пoнижeниe нaпpяжeния (и cooтвeтcтвeннo увeличeниe cилы тoкa) ocущecтвляютcя пoэтaпнo. Пpи oчeнь выcoкoм нaпpяжeнии мeжду пpoвoдaми мoжeт нaчaтьcя paзpяд, пpивoдящий к пoтepям энepгии. Дoпуcтимaя aмплитудa пepeмeннoгo нaпpяжeния дoлжнa быть тaкoй, чтoбы пpи зaдaннoй плoщaди пoпepeчнoгo ceчeния пpoвoдa пoтepи энepгии вcлeдcтвиe paзpядa были нeзнaчитeльными.
Элeктpичecкиe cтaнции oбъeдинeны выcoкoвoльтными линиями элeктpoпepeдaчи, oбpaзуя oбщую элeктpичecкую ceть, к кoтopoй пoдключeны пoтpeбитeли.
Рассматривая тепловую электростанцию, мы видим, что станция потребляет постоянное количество топлива (например, газа) за единицу времени. При этом станция вырабатывает постоянное количество энергии. Если потребителей энергии нет, то станция работает вхолостую. Полезную работу станция не совершает, а только теряет энергию за счет потерь в цепи. При этом КПД станции равен 0 %.
Рис.1. Принцип работы ТЭС
С одной стороны, чем больше потребителей энергии, тем эффективнее передаётся электрическая энергия и выше коэффициент полезного действия электростанции. Это может создать впечатление, что экономия электроэнергии не является необходимостью, а скорее стоит использовать её в полной мере.
Тем не менее, сохранение электроэнергии остается важным. Во-первых, это помогает сэкономить деньги. Во-вторых, практика энергосбережения, в том числе и электроэнергии, способствует формированию у людей общей культуры бережливости. Люди, сознательно экономя энергию, становятся более ответственными и могут более рационально использовать ресурсы, включая денежные.
Таким образом, хотя передача электрической энергии более эффективна при большом количестве потребителей, сохранение и экономия электроэнергии имеют свою важность.
Также экономия электроэнергии имеет значительное влияние на окружающую среду. Производство и потребление электроэнергии связаны с выбросом парниковых газов и других вредных веществ, которые способствуют изменению климата и загрязнению воздуха. Поэтому экономия электроэнергии позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду и способствует устойчивому развитию.
1.2. Датчик движения: преимущества и недостатки
Датчик движения – это устройство для получения информации о состоянии контролируемой им системы, преобразующее данные об изменении характеристик исследуемой области в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Датчики движения в повседневной жизни чаще всего используются в:
1) сигнализациях, охранных системах, системах контроле доступа;
2) управлении освещением;
3) для управления устройствами вентиляции, системах умного дома, кондиционирования, автоматического открывания дверей и т.п.
Мы будем использовать датчик движения в подвале.
На данный момент самыми распространёнными видами датчиков движения являются: инфракрасные датчики движения (ИК), ультразвуковые датчики движения (УЗ), микроволновые датчики движения (СВЧ).
ИК датчики движения реагируют на изменение теплового излучения, которое испускается окружающими объектами. У каждого объекта есть инфракрасное излучение, которое проходит через систему линз или специальных вогнутых сегментированных зеркал, и попадает на чувствительный сенсор, расположенный внутри датчика, регистрирующий это.
В нашей работе используется инфракрасный датчик движения, поэтому рассмотрим его преимущества и недостатки.
Основными недостатками датчиков ИК являются:
1) возможность ложных срабатываний. Ввиду того, что датчик реагирует на любые тепловые излучения, могут случаться ложные срабатывания даже на теплый воздух, поступающий из кондиционера, радиаторов отопления и т.п.;
2) низкая точность работы вне помещений;
3) относительно узкий диапазон рабочих температур;
4) не срабатывает на объекты, покрытые не пропускающими инфракрасное излучение материалами.
Преимущества инфракрасных датчиков движения:
1) возможность довольно точной регулировки дальности и угла обнаружения движущихся объектов;
2) удобен в использовании вне помещений т.к. реагирует лишь на объекты, имеющие собственную температуру;
3) при работе абсолютно безопасны для здоровья человека или домашних питомцев, так как работает в режиме «приемника», ничего не излучая.
ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Создание датчика движения
Для того, чтобы создать датчик движения и установить его в подвале, мы использовали следующее оборудование: датчик движения с PIR-датчиком, соединительные провода, корпус, лампочку, патрон для лампочкм, вилку электрическую.
Реализация проекта:
1. Мы взяли корпус и сделали в нем 2 отверстия под датчик света и патрон.
2. Вставили в отверстия датчик света и патрон.
3. Разобрали патрон, собрали все по схеме и на клемы закрепили провода.
Рис.2. Схема устройства
4. Устройство готово.
Рис.3
Рис.4
Фото этапов работы см. в приложении 1. А работу разработанного устройства можно посмотреть по ссылке: https://disk.yandex.ru/d/8N1p_8pd3PlTRQ
Принцип работы созданного нами датчика заключается в обнаружении изменения уровня инфракрасного излучения в зоне его обнаружения при возникновении в ней движения.
Под зоной обнаружения понимают часть пространства в котором детектор определяет изменение положения контролируемого объекта.
Как правило, объектом контроля является человек, а целью его обнаружения – формирование тревоги в системах охранной сигнализации или включение исполнительных устройств в средствах автоматики (управление светом, например).
Линза Френеля представляет собой оптическое устройство, проецирующее на пироэлектрический модуль пространство зоны контроля в виде отдельных секторов. Пироэлектрический модуль отслеживает уровень инфракрасного излучения в каждом из них.
При появлении в зоне обнаружения движения при котором объект с температурой, отличающейся от окружающей, пересекает эти сектора на сенсоре возникает электрический заряд.
Рис.5 Рис.6
Электронной схемой он обрабатывается, преобразуется сигнал, который поступает на исполнительное устройство. В качестве такого устройства используется электромагнитные реле.
2.2. Финансово – экономическое обоснование затрат на реализацию проекта
Таблица 1
|
Название детали |
Цена в рублях |
|
Датчик движения с PIR-датчиком |
254 |
|
Соединительные провода |
30 |
|
Корпус |
59 |
|
Лампочка |
110 |
|
Патрон для лампочки |
79 |
|
Вилка электрическая |
29 |
Предполагаемая цена – 561 рубль.
Датчики движения не употребляют много энергии, даже тогда, когда они включены, приблизительное употребления электроэнергии от 0,05 Вт до 5.
Может ли датчик движения реально экономить энергию?
Ответ однозначен — да! По данным исследований, использование этих устройств позволяет сэкономить 40-50% электроэнергии, которая уходит на освещение. А в некоторых случаях — до 80%.
Важно понимать: это не означает, что после установки датчика вам станут приходить счета с суммой в два раза меньше, чем до. Речь идет только о расходах на освещение, а энергию потребляют и многие другие приборы.
Тем не менее, чем лампочки будут гореть впустую, освещая целый день пустое помещение, лучше, если автоматика погасит их и сохранит ресурсы и ваш бюджет.
Итак, насколько быстро окупится дома датчик движения?
Ответ будет субъективным, так как мы возьмем конкретный пример, и на нем сделаем расчет. А именно: мы ставим настенный инфракрасный датчик в подвал, и он будет управлять одной лампочкой.
Понятно, что от каждой конкретной ситуации расчет может отличаться, причем довольно значительно, как в большую, так и в меньшую сторону. Но для среднего значения расчет будет объективным.
Исходя из таблицы цены нашего датчика выходит 561 рубль. Примем, что использование света в подвале будет 5 раз в неделю.
Предположим, что датчик срабатывает за сутки 3 раза, и каждый раз свет загорается на 3 минуты. Теперь смотрим стоимость 1 кВт∙ч для Астрахани на октябрь 2023 года: для однотарифного учета и домов с электрическими плитами это 5,94 рублей за 1 кВт∙ч.
Вот и все, теперь есть вся входящая информация для расчета.
В неделю (5 раз) датчик срабатывает на: 3∙5∙3=45 минут. 45∙4=180 минут в месяц, что составляет 3ч.
Без датчика движения лампочка в среднем горела 1ч в день использования, свет включали 5 раз в неделю; 1∙5=5 ч- в неделю.
5∙4=20ч в месяц работает лампочка.
20-3=17ч- экономия в часах.
17∙5,94=100 руб 98 коп.
561:100,98=5,6
То есть, окупаемость составит 5-6 месяцев.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения научно-исследовательской работы нами был разработан устройство датчиков движения.
Главное преимущество нашего датчика – это простая установка и его настройка для последующей работы: не требуется прокладка специальных сетей управления или применение дополнительного дорогостоящего оборудования. Датчик установился в разрыв электрической цепи и сразу готов к эксплуатации.
При использовании датчика движения экономия электроэнергии достигается тем, что осветительный прибор включается лишь на время нахождения людей в помещении, в нашем случае подвале.
Основная цель эксплуатации заключается в обеспечении требуемого уровня надежности работы датчика, а также в энергосбережении.
Использование датчиков движения позволяет значительно сократить потребление электроэнергии, особенно в тех случаях, когда освещение или другие устройства включены в помещениях, где отсутствует активность людей.
Также датчик движения снижает риск забывания выключить освещение или другие приборы, что способствует экономии энергии.
Главным итогом данной работы является решение вопроса энергосбережения и энергоэффективности в соответствии с особенностями устройства и условиями эксплуатации датчика движения. Экономия разработанного устройства составляет полгода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быстрицкий, Г.Ф. Общая энергетика (Текст): учеб. пособие для НПО, СПО / Г.Ф. Быстрицкий. – М.: ИЦ «Академия», 2014. – 208 с.
2. Буров В.Д., Дорохов Е.В., Елизаров Д.П. Тепловые электрические станции. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 466 с.
3. Датчики движения: виды и преимущества [Электронный ресурс]. URL: https://jelektrik.by/stati/osveshchenie/datchiki-dvizheniya-vidy-i-preimushchestva (дата обращения: 01.10.2023).
4. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб.для общеобразоват.учреждений: базовый и поофил. уровни / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин; под ред. В.И.Николаева, Н.А.Парфентьевой. - 19-е изд. - М.: Просвещение, 2010. - 399 с.
5. Подлипинский В.С., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики: учебник. - СПб.: Политехника, 1995. - 472 с.
6. Прудников И.А. Устройство датчика движения. М.: «НИУ МИЭТ», 2017. - С.236-239
7. Самарин, О. Д. Теплофизические и технико-экономические основы теплотехнической безопасности и энергосбережения в здании / О.Д. Самарин. - М.: МГСУ, 2014. - 160 c
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Этапы работы:
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис.9
Рис.10