Беги за Солнцем

XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Беги за Солнцем

Леонтьева Е.Н. 1
1Муниципальное Общеобразовательное Учреждение - Средняя Общеобразовательная Школа № 4 г. Маркса Саратовской области
Елисеев С.А. 1
1Муниципальное Общеобразовательное Учреждение - Средняя Общеобразовательная Школа № 4 г. Маркса Саратовской области
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение(Солнцем полна голова (М.Таль)).


Механизация работ в тепличном хозяйстве значительно сказывается на увеличении урожая и особенно на снижении его себестоимости. Созданы системы автоматизированного управления режимом работы теплицы предназначенные для создания температурных циклов, контроля за микроклиматом [1,2], однако незаслуженно обделены вниманием вопросы транспортировки собранного урожая (и не только его). Транспортные расходы, на фоне постоянного роста тарифов на энергоносителей, неотъемлемая составляющая себестоимости продукции [6].
Имеющиеся, на сегодняшний день, транспортные системы замкнуты на широкий центральный проход теплицы [3], в то время как сбор урожая происходит в узких боковых секциях, откуда собранный продукт доставляется до центрального прохода до сих пор, в основном, вручную.
Объектом нашего исследования является теплица закрытого грунта [5].
Предметом исследования является разработка и макет транспортной электрифицированной радиоуправляемой тележки с возможностью её зарядки от солнечных панелей.

1.1. Цель и задачи работы.

Цель работы - разработать макет электрифицированной радиоуправляемой тележки и подобрать для неё пару «гелевый аккумулятор - солнечная панель»

Задачи:

  • Сконструировать макет теплицы в масштабе от реальной;

  •  По массе предполагаемого (до 50кг) перевозимого груза и габаритам междурядий подобрать на рынке электромобилей подходящий вариант;

  • Согласно рабочих характеристик двигателя выбранного электромобиля подобрать гелевый аккумулятор максимальной ёмкости;

  • Согласно эксплуатационных характеристик аккумулятора подобрать солнечную панель;

  • Обосновать эффективность применения выбранного направления использования пары «аккумулятор - солнечная панель».

2.Основная часть.

2.1 Анализ существующих методов транспортировки продукции.

1.  Электропогрузчики (стоимость от 999000 рублей) - используются в крупных и финансово стабильных тепличных хозяйствах. Расход электроэнергии для самых распространённых погрузчиков марок ЭП 1616 (1006; 2016; 1006x) 12,8 .

Годовые затраты на электроэнергию составляют 33000…49000 рублей, без учета затрат на обучение оператора, техобслуживания, заработную плату оператора. Кроме того погрузчик может работать только в центральном проходе (ширина проезда погрузчика 3630мм).

2. Рохли.

Рохли гидравлические, цена от 19 до 25 т.р. (в Саратове). В качестве недостатков выделим низкий уровень безопасности, плохая манёвренность и оперативность перевозки и конечно высокие физические нагрузки оператора. Не могут работать в междурядьях (рабочий коридор от 2100мм) [4].

3. Тележки на рельсовом пути.

Труборельсовые тележки стоимостью от 33000 рублей. Главный недостаток – отсутствие манёвренности. Кроме того, руководители некоторых тепличных хозяйств категорически запрещают что-либо монтировать на напольное покрытие (например в ЗАО совхоз «Весна»). Электрофицированная тележка без рельсового пути была разработана в СГАУ для ЗАО «Весна». Недостаток – отклонение от прямолинейного движения на больших длинах пробега (график в приложении) [Приложение 5].

4. Буксировочные электромобили «BogaertspowerBEE» (Бельгия).

Ширина 630мм, высота 1360мм, вес 600кг. Какова цена на этот буксировщик можно только догадываться – в открытых источниках её нет, только по специальному запросу. Однако сам электромобиль перевозить ничего не может – только буксировать. К недостаткам следует отнести предположительно высокую цену, затраты на обучение и зарплату оператора, поставку расходных материалов из Бельгии.

5. Ручные тележки.

Специализированные тележки для теплиц стоят в районе 24000 рублей (например фирмы Walzmatie, модель 1000). Их недостатки очевидны – одни только затраты физических усилий чего стоят, кроме того ёмкости с плодами на них так-же укладывают вручную. Как показывает анализ существующих на сегодняшний день транспортных средств для сбора урожая в теплицах, ни одно из них не приспособлено для:

  • Работы внутри каркаса стеллажа теплицы работающей по технологии «аквапоника»;

  • Не имеет дистанционного управления;

  • Не позволяет собирать урожай в ёмкость, установленную прямо на тележке с последующей прямой транспортировкой.

2.2. Обоснование выбора шасси для тележки.
 
В качестве шасси для тележки предлагается выбрать шасси от детского электромобиля. Оснований для подобного выбора несколько:

  • Ширина соответствует ширине междурядий в теплицах закрытого грунта (стеллажей аквапоники): 640 – 930мм (без учёта зеркал заднего вида в среднем на 200мм) [Приложение 6];

  • Паспортная грузоподъёмность до 70кг (больше не надо – на конечном этапе транспортировки ящик перемешается вручную – большая масса будет непреподъёмная);

  • Мощность электродвигателей 45 Вт в количестве 2 штук (на каждое колесо);

  • Регулируемый дорожный просвет (клиренс) до 15см;

  • Пульт дистанционного радиоуправления (2,4 Ггц) радиусом действия 50м (возможно увеличение после доработки);

  • Минимальная доработка кузова под ящики с готовой продукцией;

  • Наличие реверса резко увеличивающее манёвренность;

  • Скорость до 20 км/ч;

  • Наличие нескольких передач «вперед» в зависимости от нагрузки;

  • Гелевый аккумулятор 12В 30А/ч с возможностью установки аккумулятора 24В (300 циклов «заряд – разряд» и 2 года активной эксплуатации);

  • Приемлемая стоимость: до 30000 рублей.

3.Зарядка (подзарядка) аккумулятора.

3.1. Общие вопросы.

При работе солнечного элемента без нагрузки, напряжение фото – ЭДС на нём составит (при 25С)  17В. При подключении нагрузки, а затем при уменьшении её сопротивления, ток в нагрузке начнёт расти. Напряжение примерно 17В (см. график) [Приложение 1] является оптимальным режимом работы солнечного элемента. При попытках увеличить отбор тока, напряжение на солнечном элементе падает, а ток, который он генерирует, продолжает оставаться практически неизменным. Это говорит о том, что солнечная батарея является практически идеальным источником тока, то, что как раз и надо для зарядки аккумулятора. [7]

Для зарядки аккумулятора надо применять солнечную батарею, которая имеет максимальный генерируемый ток примерно равный току зарядки аккумулятора. В этом случае солнечная батарея автоматически будет производить зарядку аккумулятора необходимым зарядным током при своём освещении.

Батарею необходимо подключать к аккумулятору через диод [8]. Это необходимо потому, что при благоприятном солнечном освещении напряжение на солнечной батарее может упасть ниже, чем напряжение на заряженном аккумуляторе. В этом случае аккумулятор вместо своего заряда, разрядится через внутреннее сопротивление солнечной батареи. Буферный конденсатор «С1» [Приложение 3] необходим, если аккумуляторы будут использоваться для работы во время своей зарядки (подзарядки). Последовательно с солнечной батареей включён амперметр [Приложение 3] . Его включение весьма желательно. Он показывает, какой величины ток потребляет аккумулятор от солнечной батареи. А это даёт возможность судить, находится аккумулятор под зарядным или «тренировочным» током, и вообще работает солнечная батарея в данный момент или нет.

Процесс зарядки аккумуляторной батареи можно считать законченным, если напряжение на ней под нагрузкой составит 14,2 – 14,5В. Среднее значение в процессе подзарядки  14В (максимальный ток зарядки 2,7…9,0А. Модель RUTRIKE 6 EVF – 32А/ч С3) [7] .

Ночью солнечные батареи нет необходимости отключать от аккумуляторов, поскольку они будут отключаться автоматически с помощью диода VD1 [Приложение 3]

3.2. Расчёт режимов зарядки аккумулятора от солнечной панели.

В паспорте солнечной батареи указывают напряжение фото - ЭДС. В нашем случае солнечная батарея «SUN DAY SDM-150» с фото–ЭДС 17,8B (максимальное значение). Превышение напряжения солнечной батареи (17,8В) напряжения на аккумуляторе (14,9В) не страшно. Это превышение будет компенсировано некоторым уменьшением выходного напряжения солнечной батареи, которое произойдёт из-за неравномерного освещения элемента, загрязнения, падения напряжения на диодах и транзисторах (в среднем 0,7B на одном). Однако не следует забывать, что ток солнечной батареи не должен превышать зарядный ток аккумулятора 2,7 - 9А (паспортные данные).

При зарядке тягового аккумулятора в фазе насыщения ток заряда восстанавливает ёмкость аккумулятора [8]. Для тяговых аккумуляторов, используется ток 0,3C (гелевый аккумулятор, для кислотных, щелочных, литий – ионных значения иные), где «С» - ёмкость 30А/ч [8]. Паспортные данные солнечной панели по току 8,41А – номинально и 9А – максимально.

Для того, чтобы не испортить аккумуляторную батарею при зарядке, необходимо вести учёт времени её работы. После этого проводить дозарядку отданной ёмкости. Для восстановления утраченной ёмкости аккумуляторной батареи, она должна получить заряд на 150 % превышающий утраченный [8]. Приведём пример такого расчёта. Возьмём самый простой случай. Аккумуляторная батарея «12V – 32А/ч» (производитель не принципиален, гель) питает двигатель тележки с током потребления 3,7А (паспортные данные двигателя Р= 45 Вт) в течение 4 часов (первая смена до обеденного перерыва). Следовательно, утраченный заряд аккумулятора составит: 3,75А  4 ч = 15Ач. Для восстановления утраченного заряда она должна получить заряд: 15 + 1,51,5 = 37,5Ач. Данная аккумуляторная батарея должна находиться под зарядным током до 4А (паспортные данные) в течение 37,5/4 ≈ 9,4 часа. Для нашей солнечной панели номинальный ток 8,4А, значит для зарядки подключим параллельно 2 аккумулятора (8,4 : 2 ≈ 4,2А).

На полноценный рабочий день (8ч) нам потребуется 2 аккумулятора «12В, 32Ач».

Кстати, у гелевых аккумуляторов практически отсутствует «эффект памяти» (запоминание характеристик разрядного цикла при неполном разряде и саморазряде), поэтому эти эффекты при расчёте не учтены [8].

Необходимо обратить внимание на то, что в некоторых случаях солнечная панель может сделать перезаряд аккумуляторной батареи – это приводит к переполюсовке элементов аккумуляторной батареи и к выходу её из строя. Сразу можно сказать, что при использовании 17,8 вольтовой батареи «Sun Day SDM – 150» при параллельной зарядке 2 аккумуляторов типа «12V 32А/ч», заряд составит (как показывает расчёт выше) 80% - 90%. После этого солнечная батарея обеспечит только «тренировочный» ток для этих аккумуляторов.

 

3.3. Быстрая зарядка.

При максимально допустимом зарядном токе в ~ 9А (коридор по току 2,7 – 9А) имеем время зарядки для двух аккумуляторов t ≈ 8.9 часа. Или для одного аккумулятора время заряда составит t ≈ 4.2 часа. Так что, возможны варианты, которые будем выбирать, исходя из производственной необходимости.

Кстати, некоторые авторы технической литературы, приводят иную методику расчёта времени зарядки аккумуляторных батарей по следующей зависимости:

tk [8], где

С – ёмкость аккумулятора, А/ч;

Iз – зарядный ток, А;

k – коэффициент, значение которого варьируется в пределах 1,2 (никель-кадмиевые батареи) – 1,4 (никель-марганцевые батареи).

При k = 1,2 формула даёт, в нашем случае, следующий результат:

t  1,2 ≈ 5 часов, что практически совпадает с ранее полученным(4,2 часа). Однако, мы считаем, что рассчитывать время заряда аккумулятора именно по отданному заряду (потерянной ёмкости) более корректно.

4. Обоснование целесообразности применения зарядки аккумуляторов от солнечных панелей.

Согласно данным статистики количество солнечных дней в Саратовской области в год составляет в среднем 86 или в часах 2054 ч [Приложение 6]. Один цикл полной зарядки аккумулятора от солнечной панели, согласно приведённым выше расчётам ~ 4,2 часа. Итого за год будем иметь 2054 : 4,2 ≈ 489 циклов полной зарядки на половину рабочей смены (4 часа).

Один аккумулятор обеспечит = ≈ 8.5 часов работы тележки (где 37.5 – утраченный заряд аккумулятора за 4 часа работы или половину рабочего дня), а - соответственно 8,5 ≈ 2086 часов. При 8-ми часовом рабочем дне и 247 рабочих днях в 2021 году (производственный календарь на 2021 год) имеем 247 х 8 = 1976 рабочих часов, что меньше расчётного числа часов работы аккумуляторной батареи (2086) на 110 часов, что составит примерно 14 рабочих дней. И это при условии, что аккумуляторная тележка будет работать 8 часов непрерывно(!). С учётом наблюдаемой на рынке гелевых аккумуляторов устойчивой тенденции к росту их ёмкости при неизменных габаритных размерах, можем получить уверенную работу агрегатов в течение одной смены. Напомним, что данный расчёт проведён для одной пары «солнечная панель – гелевый аккумулятор». При использовании ещё одной пары, все расчётные показатели увеличатся вдвое.

5. Заключение.

В ходе нашей работы, на основании данных и пожеланий предоставленных нам руководством ЗАО «Совхоз «Весна» (Решетов А.А.) и «Агроцентр СГАУ» (Соловьёв Д.А.), был разработан рабочий макет теплицы по технологии акваопоника» с применением электрифицированной радиоуправляемой тележки.

Обоснован выбор действующей модели тележки с расчетом режимов зарядки её аккумуляторных батарей от солнечных панелей. Дан примерный расчёт эффективности применения пары «солнечная панель – гелевый аккумулятор» в климатических условиях Саратовской области.

6. Список источников информации.

  1. Иванов А.А., «Автоматизация технологических процессов», М., Форум,2012,224с.

  2. Курдюмов Н.К., «Умная теплица», Владис,2007,19с.

  3. Скиртадзе А.Г., «Автоматизация технологических процессов», Старый оскол,ТНТ,2013,524с.

  4. Пашковский А.И., «Современное овощеводство открытого и закрытого грунта», Киев, Киевская правда,2005,205с.

  5. Современные теплицы и парники, http://mexa/ib.com/read/486014 (дата обращения 15.09.2023)

  6. Технологии финансирования,энергосбережения,выращивания и строительства в защищённом грунте,http://msucares.com/pubs/publications/p1828

  7. Официальный сайт аккумуляторов «Ru Trike» https://rutrike.ru/catalog/akkumulyatory_i_zaryadnye_ustroystva/dlya_ibp/tyagovyy_gelevyy_akkumulyator_rutrike_6_evf_32_12v32a_h_c3.html (дата обращения 17.09.2023)

  8. Зарядка аккумуляторов с помощью солнечных батарей, «Радиоконструктор», №10,2002, с.13 – 17.

7. Приложение.

1. График «Ток-Напряжение на солнечной панели»

2. Схема изучения характеристик солнечной панели.

3. Схема подключения солнечной панели к гелевому аккумулятору.

4. Промышленная схема подключения солнечной панели к аккумулятору.

5. График отклонения от прямолинейного движения транспортной тележки СГАУ.

6.Среднесуточное количество солнечных часов в Саратовской области.

Просмотров работы: 60