Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Свидетельство о публикации

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Другое / Другие методич. материалы / Исследовательский проект "Универсальная крыша" *
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 28 июня.

Подать заявку на курс
  • Другое

Исследовательский проект "Универсальная крыша" *

библиотека
материалов

33

slide.jpg

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2»






«Универсальная крыша»

эмбл1.jpg

















Секция:

Естественные науки и современный мир:

физика (техническое творчество)

Автор работы:

Жирнов Сергей

Наговицын Андрей

МБОУ «СОШ №2»,

10 – А класс

Научный руководитель:

Колчина Марина Николаевна

МБОУ «СОШ №2»,

Учитель физики














Салехард

2015





 «Универсальная крыша»

Жирнов Сергей

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 – А класс







Краткая аннотация


В нашем городе Зимой сход с крыш снега и падение сосулек представляет немалую угрозу здоровью и жизни пешеходов, и избежать этой проблемы поможет наш дом будущего с  обогревом кровли и водостоков. Который будет использовать альтернативный источник энергии – солнце, которое является постоянно возобновляемым, вечным видом энергии. Мы предлагаем построить дом с вмонтированной пленкой для плавления снега и использовать талую воду в теплице на крыше.



The brief summary

In our city in the Winter a descent from roofs of snow and falling of icicles poses considerable threat to health and life of pedestrians, and our house of the future with heating of a roof and drains will help to avoid this problem. Which will use an alternative energy source – the sun which is constantly renewable, eternal type of energy. We suggest to build the house with the built-in film for melting of snow and to use thawed snow in the greenhouse on a roof.











«Универсальная крыша»

Жирнов Сергей

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 – А класс





Аннотация


В нашем городе Зимой сход с крыш снега и падение сосулек представляет немалую угрозу здоровью и жизни пешеходов, и избежать этой проблемы поможет наш дом будущего с  обогревом кровли и водостоков. Который будет использовать альтернативный источник энергии – солнце, которое является постоянно возобновляемым, вечным видом энергии. Мы предлагаем построить дом с вмонтированной пленкой для плавления снега и использовать талую воду в теплице на крыше.

Объект исследования: крыши домов.

Предмет исследования: снег падающий на крышу.

Гипотеза исследования: если вмонтировать пленочный подогрев на крышу дома, то снег, который может нанести угрозу жизни человека при падении, можно растопить и использовать в теплице, которая будет находиться на крыше дома. Бесплатный полив. Бесплатная энергия, которую получают с помощью солнечной батареи.

Цель исследования: Изучить вопрос возможности построения дома, в котором кровля будет обогреваться пленочным подогревом, работающим на солнечной батареи и ветрогенератора.

После изучения теоретического материала, мы смоделировали дом в 3 D, построили модель крыши с пленочным подогревом и собрали робота с солнечной батареей, изучили экономическую выгоду данного проекта, мы пришли к выводу, что построив нашу крышу мы решаем важные вопросы.

  • Использование постоянно возобновляемого источника.

  • Экологичность.

  • Безопасность.

  • Экономичность.



«Универсальная крыша»

Жирнов Сергей

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 – А класс



Содержание













«Универсальная крыша»

Жирнов Сергей

Ямало-Ненецкий автономный округ, город Салехард

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2», 10 – А класс


Введение

В настоящее время хорошо известно, что мировые запасы угля, нефти и природного газа постепенно истощаются. Приходится разрабатывать новые месторождения в условиях вечной мерзлоты. Подводное бурение с последующей добычей углеводородов в промышленных масштабах весьма трудоёмкий процесс, отсюда высокая себестоимость продукта и рост цен на энергоносители. Поэтому очень актуальным является использование альтернативных источников энергии. Чаще других источников используются ветроэлектростанции и светопреобразующие элементы.

Мы в своем проекте предлагаем использовать альтернативный источник энергии – солнце, которое является постоянно возобновляемым, вечным видом энергии. 1 проблема, которая решается в нашем проекте использование, экологически чистого источника электроэнергии.

Наш источник энергии необходим, чтобы решить 2-ю проблему, которая является достаточно актуальной на сегодняшний день в нашей стране.

Тяжелые пласты снега и острые сосульки несут угрозу безопасности прохожих, а проблема устранения этой угрозы стоит достаточно остро. Зимой сход с крыш снега и падение сосулек представляет немалую угрозу здоровью и жизни пешеходов, и избежать этой проблемы поможет наш дом будущего с  обогревом кровли и водостоков.

На крыше мы также предлагаем поставить небольшую теплицу, в которой будут использоваться перегоревшие люминесцентные лампы, а в резервуарах будет накапливаться талая вода.

Объект исследования: крыши домов.

Предмет исследования: снег падающий на крыши домов.

Гипотеза исследования: если вмонтировать пленочный подогрев на крышу дома, то снег, который может нанести угрозу жизни человека при падении, можно растопить и использовать в теплице, которая будет находиться на крыше дома. Бесплатный полив. Бесплатная энергия, которую получают с помощью солнечной батареи.

Цель исследования: Изучить вопрос возможности построения дома, в котором кровля будет обогреваться пленочным подогревом, работающим на солнечной батареи и ветрогенератора.

Задачи

  • Изучить теоретический материал по теме проекта, используя учебную литературу и интернет ресурсы (учебники физика 11 класс «Фотоэффект», электродинамика 10-11 кл., элементы робототехники, программирование).

  • Изучить теоретический материал по теме проекта, используя учебную литературу и интернет ресурсы:

    • Возможности построения теплицы на крышах дома.

    • Возможность создания схемы, в которой будет производиться работа перегоревших ламп люминесценции.

  • Составить план работы.

  • Провести экономические расчеты с точки зрения выгоды нашего проекта.

  • Моделирование дома в 3D.

  • Построение реального мини объекта крыши.

  • Конструирование робота на солнечной батарее и его программирование.

  • Используя микроконтроллер Arduino составить схему работы кнопки и привести ее в действие.

  • Использование проекта «Дом - будущего», как объекта, на котором будет находиться наша теплица.

Методы исследования:

  • анализ литературы и научных источников по данной проблеме;

  • эксперимент;

  • наблюдение;

  • статистический метод;

  • анализ и сравнение полученных результатов.

Практическая значимость работы

Данная конструкция может быть использована в домах ЯНАО, построив на крыше теплицу, которая точно также будет отапливаться с помощью пленочного подогрева как и крыша, работает за счет энергии солнца, а значит бесплатного электричества. Талый снег бесплатная вода для полива. Всегда свежие овощи.


Глава 1. Теория


Теория фотоэффекта.

В основе нашей работы лежит преобразование солнечной энергии в энергии электрическую, в учебниках солнечная энергия – это солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас световой поток интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, он обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м2. А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м2. Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (Приложение 1), и имя ему - фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект - это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

Действительно ли необходим яркий солнечный свет для работы фотоэлектрических технологий?

Для работы фотоэлектрической системы необходим дневной свет, но не прямые солнечные лучи. Действительно, если фотоэлектрический модуль подвергается воздействию искусственного света, он также будет производить электричество.

Солнечный свет состоит как из прямого света, так и из отраженного или рассеянного света (это свет, который был рассеян пылью и частицами воды в атмосфере). Фотогальванические элементы используют не только постоянную составляющую света, но и производят электричество при облачной погоде. Одно из распространенных заблуждений, что ФЭ технологии работают только при прямых солнечных лучах и, следовательно, не подходят для использования в умеренном климате. Но это не так: фотоэлектрические технологии применяются при рассеянном солнечном излучении, а также при прямом солнечном свете.

Когда солнечный свет попадает на фотогальванические элементы, вырабатывается постоянный ток. При направлении электрической нагрузки по всей элементу этот ток можно использовать. Количество полезной электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическим модулем, пропорционально интенсивности световой энергии, которая попадает в область превращения. Чем доступнее солнечный ресурс, тем выше потенциал выработки электроэнергии.

Однако так как электрическая мощность фотоэлектрического модуля зависит от интенсивности света, воздействию которого она подвергается, определенно, что фотоэлектрический модуль при наличии солнца в полдень в ясный день, будет производить электроэнергию с максимальной мощностью. Таким образом, действительно можно сказать, что фотоэлектрические модули имеют тенденцию к выработке большего количества электроэнергии в яркие дни, чем в пасмурные. Тем не менее, для того, чтобы работать, фотоэлектрические системы не должны обязательно находиться под прямыми солнечными лучами, так что даже в пасмурные дни фотоэлектрические модули будут вырабатывать некоторое количество электроэнергии.

При преобразовании световой энергии с помощью ФЭП она преобразуется в электрическую.

Мы знаем с 8 класса, что Электрический ток- это движение заряженных частиц.

Те явления, которые вызывает электрический ток, называют действиями.
По этим явлениям можно судить "есть" или "нет" в электрической цепи ток.

Именно одно из действий электрического тока мы используем в своей работе, а именно тепловое действие.


Принцип работы люминесцентных ламп


Люминесцентные лампы сейчас применяются очень широко. Они используются для освещения заводов, организаций, школ и детских садов, а сейчас пришли и в наши дома в виде так называемых энергосберегающих ламп.

К сожалению, и эти современные варианты люминесцентных ламп тоже со временем перегорают. И если сгоревшую электронику можно починить, то перегоревшую нить накаливания восстановить невозможно - и такую лампу выбрасывают.

Однако выход есть. Существуют специальные схемы для использования перегоревших люминесцентных ламп - за счет изменения схемы подключения они продолжают работать еще долгие годы.

Как же это получается? Рассмотрим для начала, как работает обычная, "брежневская" схема включения люминесцентной лампы. (Приложение 5)

При включении ток проходит через дроссель 1, первую нить накала 2, пускатель 5 и вторую нить накала 3. Пускатель - это специальная неоновая лампа с биметаллическими электродами, которые при возникновении в неоновой лампе тлеющего разряда (свечения) нагреваются, начинают изгибаться и через некоторое время (обычно через 1-2 секунды) замыкаются. Ток в цепи возрастает, нити 2 и 3 нагреваются и начинают испускать потоки электронов (это называется "термоэлектронный эффект"). Одновременно из-за замыкания электродов тлеющий разряд в пускателе прекращается, электроды постепенно охлаждаются и через 1-2 секунды размыкают цепь накала. Ток в цепи резко уменьшается, а напряжение благодаря самоиндукции в дросселе 1 резко возрастает - и лампа вспыхивает.

Понятно, что если в этой схеме у лампы перегорит одна из нитей - схема работать не будет. Кроме того, такая "брежневская" схема имеет еще ряд недостатков - лампа в ней питается переменным током, из-за чего она мерцает с удвоенной частотой сети, да и запуск при помощи пускателя довольно капризен, длителен и часто сопровождается "миганиями" лампы.

Лампу можно запитать и постоянным током - тогда она не будет мерцать. А чтобы не ждать нагрева накалов, к лампе нужно приложить вначале повышенное напряжение - тогда электроны, необходимые для начальной ионизации газа в лампе, будут вырваны из нитей электрическим полем уже при комнатной температуре. Затем, когда лампа загорится - накалы нагреются сами из-за потока электронов в лампе.

Простейшей схемой, реализующей этот подход, стала вот такая:

(Приложение 6).



Сопротивление R1 служит для стабилизации режима работы лампы. При включении схемы конденсатор С1 заряжается через диод Д2 до амплитудного значения напряжения сети. А в следующий полупериод напряжения сети, складываясь с напряжением конденсатора, заряжает конденсатор С3. Аналогично действует и вторая половина схемы (С2, С4, Д3, Д4). Напряжения конденсаторов С3 и С4 складываются, достигая величины, необходимой для зажигания лампы.

После того как зажигание произошло, конденсаторы С1 и С2 начинаю работать как балластные сопротивления, обеспечивающие устойчивый газовый разряд в лампе.

hello_html_635d2159.png

Диоды можно использовать типа Д226Б до мощности лампы в 40 ватт включительно, а при более высокой мощности нужно перейти на более мощные диоды - например, типа Д205. Или аналогичные современных типов.

Недостаток: Конденсаторы нужны неполярные (например, МБМ) на напряжение не ниже 600 вольт. В этом и заключается главный минус этой простейшей схемы - в ней используется два конденсатора довольно значительной емкости на высокое напряжение, такие конденсаторы имеют большие габариты.



Глава 2. Угроза схода снега и сосулек с крыш многоэтажных домов – выход есть!!!

Использование постоянно возобновляемого источника.

Солнечные энергетические технологии превращают электромагнитное излучение Солнца в формы тепла и электроэнергии, пригодные для использования. Солнечная энергия может использоваться в деятельности человека, включая: сушку, приготовление пищи, дистилляцию/опреснение, обогрев бассейнов, нагрев воды, отопление, охлаждение и производство электроэнергии.


Эксперимент «Работа солнечной батареи»

Мы предлагаем в своем проекте использовать роботизированную модель солнечной батареи.

Робот (солнечная панель). В роботе используется датчик освещенности, делая обороты на 3600, робот ищет самую яркую точку из всего спектра. С помощью нашего робота можно получить наилучший угол, при котором солнечная панель, получит максимальное количество энергии. (Приложение 2). Видеоматериал (файл видео 1)



Предотвращение угрозы от ледяных глыб и снега скопившегося на крышах.

Выход есть!

Наш климатический пояс способствует возникновению наледи в водостоках  и сосулек на крышах, начиная с февраля. Образование сосулек происходит из-за резких перепадов дневной и ночной температур при оттепелях. Дневные температуры способствуют таянию снега, а ночные превращают образовавшуюся воду в ледяные наросты. Помимо дневных и ночных перепадов температур, этому способствует и нагревание кровли от внутренних отапливаемых помещений. Осложняет ситуацию сложные конструкции крыш с обилием углов и надстроек, плохая вентиляция чердачного пространства.

Для того чтобы предотвратить угрозу жизни проходящим внизу людям и максимально продлить срок службы кровельного покрытия мы предлагаем вмонтировать в кровлю специальную пленочную ленту, которую используют для обогрева полов. Эта лента будет работать от панелей солнечных батарей. Т.е мы будем использовать тепловое действие света. (Приложение 3). Видеоматериал (файл видео 2)



Эксперимент «Работа имитированного датчика давления»

Для того чтобы пленка работала только, тогда когда падает снег, мы предлагаем на крышах вмонтировать 4 датчика давления.

В своем проекте мы в качестве датчика давления используем обычную кнопку, которая его заменяет, выпавший снег давит с определенной силой. В результате поступает сигнал о включении энергии, которая будет поступать на пленочный подогрев.

В своих расчетах мы использовали только что выпавший снег толщиной 1,5 см. Датчик срабатывает только в том случае, если снег имеет плотность hello_html_44d60d52.gif

(Приложение 4). Видеоматериал (файл видео 3)


Сравнительный анализ с уже имеющимися конструкциями

Вы скажете, уже есть крыши с подогревом, да есть, но в них используется греющий кабель, мы предлагаем использовать пленочный пол, так кон более безопасен. Экологический аспект нашего проекта. Проведем анализ уже с имеющимся способом подогрева крыш.

Критерий сравнения

Тёплый пол на основе резистивных кабелей

Тёплый пол на основе термоплёнки

Тепловыделяющий материал

Металлический сплав

Карбон

Длинноволновое инфракрасное излучение

Отсутствует

90,3 % инфракрасного излучения лежит в диапазоне 5–20 мкм

Стойкость к внешним воздействиям

Подвержен коррозии и при внешнем повреждении кабеля полностью выходит из строя

Не подвержен коррозии и при внешнем повреждении выходят из строя только поврежденные элементы

Возможность работать в присутствии электропроводной жидкости

Да

нет

Равномерность прогрева

Значительный перепад температур по поверхности пола и высоте помещения

Лучистое тепло равномерно нагревает  помещение по высоте

Площадь  прогрева

Способность электрообогреваемых полов накапливать тепловую энергию в своей толще дольше по времени, так как низкая рабочая площадь обогрева

Равномерно обогревает каждый квадратный миллиметр площади. Высокая рабочая площадь

Конвективные потоки

Создает, приводящие к минимальному подъему пыли с пола. 

Не создает.

Возможность установки в ходе "косметического ремонта"

Не очень удобно, т.к. требуются "мокрые работы" и время для застывания стяжки

Идеальны для "косметического ремонта", "сухой монтаж



Утилизация люминесцентных ламп, есть решение!

Мы предлагаем на наших крышах построить теплицу, в которых будут использованы пленочный пол для обогрева, ультрафиолетовые лампы, а также перегоревшие люминесцентные лампы уже по предложенной схеме выше.

Таким образом мы решим важный вопрос утилизации.


Глава 3. Экономический аспект проекта.

Немало важную роль играет и экономический фактор. Поэтому нам предстояло ответить на вопросы, которые, касались не только технической стороны, но и экономической.




    1. Что необходимо для установки солнечной батареи?

Каждая система солнечных батарей автономного электроснабжения включает в себя: солнечные батареи (панели), контроллер заряда, инвертер и аккумуляторы. Мощность каждого компонента рассчитывается в зависимости от нужд потребителя. Срок службы солнечных панелей 40-50 лет, контроллера и инвертера 15-20 лет, аккумуляторов в зависимости от типа и характера использования - 4-10 лет.


    1. Какую солнечную батарею автономного электроснабжения, лучше выбрать?

Множество фирм предлагает разнообразные солнечные батареи, изучив множество интернет магазинов, нас заинтересовали солнечные панели Himin Solar, которые дают на 10-20% больше энергии. Заявленная характеристика 5 киловатт мощности панелей, в ясный день они и дают 5 киловатт. Даже в дождливый день поступает почти 1 киловатт энергии. У сходных по характеристикам других солнечных панелей в дождь и снег производительность падает в 10-15 раз, а здесь лишь в 5-6. Мы прочитали множество отзывов, остановились на данных панелях.


    1. Сколько полезной энергии можно получить в декабре?

Если использовать солнечную панель Himin Solar

Стандартная система солнечных батарей автономного электроснабжения состоит из солнечных панелей общей мощностью 5.4 кВт. Подобная система позволяет надежно обеспечить потребности в электричестве большинства владельцев частных жилых домов. В месяц эта система вырабатывает в среднем от 500 до 1000 кВтч, что достаточно для работы нашей системы.


Экономические расчеты

Масса только что выпавшего снега.

Расчеты позволяющие определить, массу только что выпавшего снега на длину 6 м, ширину 1 м, высоту - 1,5 см:








Сколько необходимо тепла для плавления снега?




Сколько потребуется времени для растопки снега?




Выгода в летний период.

Потребление энергии в период с апреля по сентябрь

hello_html_m503cd0e1.png


Спасем семейный бюджет

hello_html_1ce1ead9.png


Стоимость монтажа теплицы

hello_html_m1f185c.png


Окупаемость теплицы

Наша теплица окупится уже после первого урожая, в качестве примера приведем расчеты.

    • 1 урожай 50 кг на 1 м2

    • (Берем огурцы как пример)

    • Площадь плодородного участка составляет 40 м2

    • Получаем 2000 кг

    • Берем среднюю стоимость огурцов на севере:

    • 2000 кг * 250 руб/кг = 500000 рублей




Заключение

  • Наша универсальная крыша позволит сохранить людские жизни, не скапливая корки снега и глыбы сосулек.

  • Встроенные роботизированные солнечные панели позволят круглый год преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Решается экономический вопрос, а также вопрос энергосбережения.

  • Наша теплица позволяет решить вопрос, связанный с утилизацией люминесцентных ламп. Решается вопрос утилизации.

  • Теплица созданная на крыше с пленочным подогревом, работает круглый год, значит и урожай можно получить, как минимум дважды за год, а это значит, что ее окупаемость уже произойдет в первый год использования.

  • Ну и конечно всегда свежие, дешевые овощи.

Мы в своем проекте показали, что можно и нужно использовать альтернативные источники для различных потребностей человека. Наш дом экологичен и экономически выгоден.











Список используемой литературы



Приложения.

Приложение 1

hello_html_m40f73dea.png


Приложение 2

hello_html_34a00089.png


Приложение 3

hello_html_m260f3256.png


Приложение 5

hello_html_m1ded59a1.png


Приложение 6

http://cyro.ru/_pu/0/94702341.jpg


Подайте заявку сейчас на любой интересующий Вас курс переподготовки, чтобы получить диплом со скидкой 50% уже осенью 2017 года.


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Краткое описание документа:

 

В нашем городе Зимой сход с крыш снега и падение сосулек представляет немалую угрозу здоровью и жизни пешеходов, и избежать этой проблемы поможет наш дом с универсальной крышей, кровля и водостоки, которой будут обогреваться пленочным полом. На крыше будет находиться роботизированная солнечная батарея, которая ищет самое яркое место и устанавливается в этом положении. На крыше дома будет находиться теплица, в которой точно также используется вмонтированный пленочный пол, в теплице устанавливается резервуар, в который стекает талая вода с крыш и используются для освещения перегоревшие люминесцентные лампы. решается экологический вопрос, связанный с утилизацией люминесцентных ламп.

Автор
Дата добавления 19.03.2015
Раздел Другое
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров375
Номер материала 449722
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх