Устройство дополнительного освещения. (Научно-исследовательская работа)

Лучший научно-исследовательский проект, топливо и энергетика Устройство дополнительного освещения. (Научно­исследовательская работа) Автор: Нагорная Александра Игоревна, Обучающаяся МБОУ «Гимназии № 11 г. Ельца» 11 кл. и «Детского оздоровительно­образовательного центра г. Ельца», объединение: радиоконструирование 89802523746; [email protected] Научные руководители: Австриевских Наталья Михайловна­ учитель физики МБОУ «Гимназии №11г. Ельца»,   .  com 8910 352 48 66, natavstr    48@   gmail   Поваляев Борис Алексеевич­педагог  дополнительного образования (ДООЦ) Объединение: радиоконструирование.   8.952 596 83 94 Елец Оглавление Введение                                                                                                                           стр. 3 Основная часть   I Этап                                                                                                                                стр. 4­7 II Этап                                                                                                                                 Заключение                                                                                                                       стр.  Библиографический список                                                                                            стр. 10 Приложения                                                                                                                     стр.11­15 2 I. Вступление      В современном мире, с растущими показателями потребления и как следствие ­ ограниченными  энергоресурсами, стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из  альтернативных, возобновляемых источников. К таким источникам относятся, в первую очередь,  солнечная и ветровая энергии, геотермальное тепло, энергия морских волн и приливов.      Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем  энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе.  Доступность  технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы  энергоснабжения уже существующих объектов. Наша работа освещает изучение физических  явлений на более глубоком уровне. Новизна, актуальность и сложность данной научно­ исследовательской работы была в том, что данная тема является неосновным, но с более детальным изучением данного явления в курсе физики, приобретенный опыт позволит использовать данный  прибор непосредственно в темных помещениях, при этом получив аварийное и дополнительное  освещение.      В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная  литература, Интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что, используя в своих опытах  устройство аварийного и дополнительного освещения можно использовать в экстренных случаях,  когда нет электричества. Оригинальность нашей работы была в создании модели по схеме, в  интеграции предметов (физики, электротехники, экологии). Создав модель и проводя  эксперименты, мы более глубоко изучили техническое содержание темы, более детально изучили  некоторые физические явления (альтернативные источники энергии). То есть была доказана  взаимосвязь теории с практикой. Знания и умения, которые мы получили в ходе работы с  измерениями оставили огромный след в нашей жизни и чувство эстетического наслаждения. То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой.            Альтернативные источники.      Ни для кого не секрет, что в наше время происходит глобальное увеличение загрязнения  окружающей среды, что приводит к нарушению теплового баланса в атмосфере планеты,  3 уменьшению чистой воды и чистого воздуха, которым мы с вами дышим. Использование привычных источников энергии в немалой степени способствует этому.    Цены на энергию постоянно растут в связи с неумолимо растущими потребностями человечества.  Однако, выход есть, и он уже очевиден ­ это переход на альтернативные источники энергии. Так  уже поступают самые развитые государства. И не только те, что не имеют своих источников  энергии и вынуждены постоянно закупать ресурсы у других стран, но и те, кто думает о будущем и  понимает, что ресурсы не безграничны и сохранив хоть часть их сегодня дадут ему возможность на  существование потом.     Нехватка энергии и постоянное ограничение топливных ресурсов, аппетит к которым растет не  как раньше по дням, а уже измеряется в секундах, ведет к неизбежному переходу в ближайшем  будущем к альтернативным источникам энергии. Данные источники альтернативной энергии  экологически чисты, так как основой их работы является солнечная энергии, энергия ветра,  энергия земли, биоэнергия.     На данный момент времени общее потребление энергии в мире составляет приблизительно 1050 млрд. кВт/ч в год. Россия от общего мирового потребления энергии потребляет около 5 %. Уголь  составляет 80% запасов органического топлива на планете. В наше время уголь становиться все  менее популярным. Да, это относительно дешевый ресурс, который нам предлагает наша с вами  планета. Но его добыча становиться с каждым годом более трудоемким предприятием, которое  постоянно требует увеличения ресурсов на разработку данного вида топлива.     По данным международных экспертов в ближайшем будущем добыча нефти и природного газа  начнет сокращаться. Надо учитывать, что данные виды топлива постоянно растут в цене из­за  постоянно сокращающихся мировых ресурсов. Даже открытие новых месторождений не может  повлиять и стабилизировать цены, так как на их разработку и добычу с каждым разом приходиться  тратить все больше и больше времени и средств. Все это в ближайшем будущем приведет к снижению  мирового господства данных видов источников энергии, и их доля в топливно­энергетическом  балансе снизится к 2030 году с 65% до 20 %. Что касается гидроэнергетики, на которую  приходится в настоящее время 1,5% общего производства энергии в мире, то такой малый процент  можно считать лишь вспомогательным ресурсом к общему получаемому запасу энергии страны,  которая данным ресурсом обладает. Солнечная энергия преобразуется в электрическую при  помощи фотоэлектрических кремниевых ячеек, составляющих солнечные батареи. Солнечные  4 электростанции не производят вредных выбросов в атмосферу и экологически безопасны, а  источник их энергии ­ неисчерпаем. Но количество генерируемой фотоэлектрическими ячейками  энергии напрямую зависит от солнечной активности, поэтому для круглосуточного использования  их комплектуют аккумуляторными батареями. Солнечные электростанции могут круглогодично  снабжать электроэнергией дома, здания и целые поселки. Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация  позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой. Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон  подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода  играет слой с n­проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p­слой (дырочная  проводимость). Ток в n­слоя создается движением электронов, которые «выбиваются» при  попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p­слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на  «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются. На  стыке слоев с n­ и p­проводимостью создается p­n­переход. Получается своего рода диод, который  может создавать разность потенциалов за счет попадания на него лучей света. I Этап Устройство аварийного и дополнительного освещения. Цель работы: разработать и изготовить устройства аварийного и дополнительного освещения на  солнечных батареях без выноса последних к источнику естественного света. Задачи: 1. провести экспериментальные работы. 2. разработать схему электрическую принципиальную устройств. 3. выбрать радиоэлементы схемы  4. рассчитать номиналы радиоэлементов схемы 5. разработать и изготовить два варианта конструкции устройств Гипотеза:          А можно ли вместо естественного света применить искусственное освещение?  Методы: •   Эксперимент и наблюдение 5 • Сборка устройства по схеме, а также теоретический анализ научной литературы по данной  проблеме. В настоящее время разработано много различных устройств с применением солнечных батарей. Батареи устанавливаются как можно ближе к естественному свету, например, на окне помещений.  От них вырабатываемое напряжение по проводам подается на аккумуляторы устройств.  Аккумуляторы заражаются током солнечных батарей, и в дальнейшем осуществляется питание  осветительных ламп и др. Обычно осветительные лампы применяют светодиодные с низким  напряжением и малым током потребления. Как мы видим, для нормального функционирования  таких осветительных устройств нужен естественный свет. А можно ли вместо естественного света  применить искусственное освещение? Проведем экспериментальную работу. Возьмем  обыкновенный стандартный светильник НПП3006 (можно любой другой) с патроном Е27. Вкрутим  в патрон энергосберегающую лампу модели 2U­12 мощностью 13Вт, напряжением 220В.  Соберем простую схему (приложение, рис.1.) А1­элемент солнечной батареи (можно применить от калькулятора) А2­ лампа энергосберегающая; модель 2U­12, 13W, 220V/ 50 Hz R=1кОм­ резистор, ограничивающий ток элемента с.б., сопротивление нагрузки РV1­вольтметр (0­3 В) РА1­миллиамперметр (0­3 мА) Включим лампу в сеть 220В. Поднесем элемент с.б. к лампе на расстояние 3­5 см. В нашем  эксперименте показания вольтметра будут в пределах 1,9­2,1 В, миллиамперметра­ 1.7­2 мА.  Возможно отличие показаний приборов от указанных, в зависимости от размеров элемента  солнечной батареи. Таким образом, солнечная батарея может работать не только от естественного  света, но и от искусственного. Это позволяет выполнить намеченную цель работы.  Проведем эксперимент, используя разные лампы. Данные занесем в таблицу 1. (См. приложение) Таким образом, можно придти к выводу, о том, что наиболее эффективно использовать  светодиодные лампы. На основе данных таблицы и для их наглядного представления построим  диаграмму 1. (См. приложение) Для сравнения при использовании того же элемента солнечной батареи при естественном  освещении показания приборов представлены в таблице 2. ( См. приложение) При сравнении данных, занесенных в таблицы 1,2 показания приборов отличатся в среднем на 10­ 15%. Разработаем электрическую принципиальную схему устройства, рис.2(См. Приложение). В связи с  тем, что мы будем применять аккумулятор от сотового телефона напряжением 3,7 В, то солнечная  6 батарея А1 должна выдавать напряжение больше, чтобы создать ток зарядки. При  последовательном соединении трех элементов с.б. при освещении их лампой выходное напряжение  может составить 5,7­6,3 В. При включенной лампе А2 и освещении ею солнечной батареи  вырабатываемое напряжение подается на контрольный светодиод VD1 через резистор R1. Резистор  R1 выбирается на небольшой ток светодиода, чтобы создать небольшое свечение (лишний расход  тока с.б. не нужен). Далее напряжение с.б. подается через ограничительный резистор по току R2,  диод VD2, нормально закрытые контакты тумблера SA1 на аккумулятор. Происходит заряд  аккумулятора. Диод VD2 выбран с малым падением напряжения в прямом направлении 0,3­0,5 В,  для уменьшения потери при зарядке аккумулятора и введен схему для предотвращения медленного разряда аккумулятора, при выключенной лампе. Когда аккумулятор подзарядится, переключим  тумблер на светодиодный фонарь. Фонарь ярко загорится. Устройство аварийного и дополнительного освещения (схема электрическая принципиальная). (Приложение, рис.2)   А1­ Солнечная батарея из трех элементов А2­ Лампа энергосберегающая: модель 2U­12, 13W, 220В/50Hz А3­ фонарь с семью светодиодами сверх яркого свечения (белые) VD1­ светодиод сверх яркого свечения синий (красный) VD2­ Диод Д310 (Д311А, Б) R1­ Резистор МЛТ­0,125­15кОм R2­ Резистор МЛТ­0,125­1,8кОм R3*­ Резистор МЛТ­0,5 ­27Ом( подбирается при регулировании)  GБ1­ Аккумулятор (от сотового телефона) SA1­ Тумблер ТП1­2 Его можно использовать в качестве аварийного освещения при выключенной лампе и  дополнительного при включенной. Рассчитаем номиналы резисторов согласно схеме, рис.2. I 1. Среднее значение выходного напряжения с.б.­ 6В 2. Минимальное значение напряжения свечения светодиода VD1­ 1,5В 3. Выбранный ток нужного свечения светодиода­0,3мА R (кОм) =U (В)/I (мА) R1= (6­1,5 ) /0,3=15кОм II 1. Максимальное значение выходного напряжения с.б.­6,3В 2. Напряжение аккумулятора­3,7В 7 3. Ток подзарядки аккумулятора 1,3­1,5мА R2= (6,3­3,7)/1,5=1,73кОм  Выбираем резистор­ R2=1,8кОм: При расчете номинала резистора R2 диод VD2 можно не учитывать, т.к. падение напряжения на  нем в прямом направлении составляет всего лишь 0,3­0,5В. Примечание: Выбор слабого тока подзарядки аккумулятора, равный 1,5 мА, подтвержден  использованием собранной схемы в течение шести месяцев с положительными результатами и не  приводит к порче аккумулятора.  III. Специального расчета номинала резистора R3 не проводим. Его номинал зависит от количества  светодиодов фонаря А3 и нужной нам силы освещения.                                 Конструкция устройства (I вариант), фото 3 Первую конструкцию соберем по схеме рис.2 в корпусе светильника НПП3006, внутри которого  есть только патрон Е27 для лампочки. Над патроном установим на стойках отражатель фонаря с  семью светодиодами сверх яркого свечения белого цвета. На отражателе на планке закрепим  контрольный светодиод солнечной батареи синего свечения (или красного). Тумблер и  аккумулятор установим на боковой стенке светильника. Аккумулятор закрепляется с помощью  прямоугольной скобы и винтов М3х10 с гайками. Радиоэлементы R1, R2, R3,VD1 устанавливаются  на печатную плату, которая закрепляется винтами к свободным отверстиям светильника. На дно  светильника устанавливается солнечная батарея под лампочкой на расстоянии 3­5см. Сетевой  провод лампочки выводится с боковой стенки светильника. Монтаж схемы проводим проводом  НВ­0,2мм2 осталось надеть плафон на светильник и устройство аварийного и дополнительного  освещения готово.                                  Конструкция устройства (II вариант), фото 4 Вторая конструкция разработана и изготовлена к люстре, состоящей из пяти ламп с плафонами. В  центре люстры устанавливается отдельный фонарь со светодиодами аварийного и дополнительного  освещения. В корпусе фонаря размещаются радиоэлементы схемы, аккумулятор, проводится  монтаж схемы. На боковой стенке устанавливается контрольный светодиод с.б. и выключатель,  который работает с помощью цепочки. Над одним из плафонов на расстоянии 3­5 см размещается  солнечная батарея, которая соединяется с фонарем изогнутой медной трубкой диаметром 5мм.  Внутри трубки закладываются соединительные провода. Конструкция съемная. Преимущества устройств: 8 1. Устройства можно использовать непосредственно в темных помещениях, при этом получив  аварийное и дополнительное освещение.  2. Необязательное для работы устройства естественное освещение.  3. Компактность конструкций. Экспериментальная эксплуатация устройств показала, что подзарядка аккумулятора в течение 12  часов от включенной указанной лампы обеспечивает 1 час непрерывной работы фонаря с семью  светодиодами сверх яркого свечения. Количество циклов подзарядки прямо пропорционально  времени работы фонаря. При использовании энергосберегающих ламп свыше 20 Вт в устройствах,  необходимо увеличить расстояние между солнечной батареей и лампой.  Новизна данной работы заключается в том, что для солнечных батарей используется не  естественный свет, а искусственное освещение, от которого и подзаряжается аккумулятор, что  позволяет создать компактное устройство аварийного и дополнительного освещения и более  эффективно использовать электроэнергию.  В перспективе устройство можно разработать, например, для цехового аварийного и  дополнительного освещения на предприятиях. Установить в корпусе панель с солнечными  батареями. Над панелью­ лампы искусственного освещения. Так же установить фонарь аварийного  и дополнительного освещения, аккумулятор. Таким образом, изготовив и введя в эксплуатацию  такие светильники, мы резко повысим энергосбережение. На мой взгляд, преимущество будущей  работы еще и в том, что исчезает необходимость выносить солнечные батареи к естественному  свету, тем более на улицу, где они будут подвергаться атмосферным влияниям.  II Этап. Устройство аварийного освещения. Можно назвать данную работу вторым этапом моей научно­исследовательской работы «Устройство аварийного и дополнительного освещения». Целью предыдущей работы являлись разработка и  изготовление устройства аварийного и дополнительного освещения на солнечных батареях (далее  с.б.) без выноса последних к источнику естественного освещения. Проведены исследования,  экспериментальные работы. Расчеты. Изготовлено два варианта конструкции устройств. В каждой из конструкций находятся с.б., над ними лампа основного освещении 220В, аккумулятор  и низковольтный светодиодный фонарь, который включается как для дополнительного, так и для  аварийного освещения при подзаряженном аккумуляторе.  9 Цель работы: разработать и изготовить устройство аварийного и освещения без дополнительного  низковольтного фонаря, оставив лампу основного освещения ~220В, которая будет работать как от сети, так и при необходимости от аккумулятора. Разработаем принципиальную электрическую схему устройства, рис.5, в которую должны входить  основные узлы и элементы: 1 Линейка солнечной батареи 2 Светильник с люминесцентной лампой основного и аварийного освещения. 3 Аккумулятор =6В, 5А. 4 Повышающий преобразователь напряжения. В схеме применены следующие радиодетали: А1­ светильник ЛД(ЛБ)­18Вт, ~220В А2­Линейка(панель) солнечной батареи SA1, SA2­ Тумблер ТВ1­2 R*огр. ­ резистор подбирается при регулировании ХS1­ розетка электрическая ~220В ХР1, ХР2­ вилка электрическая ~220В Работа схемы: При положении тумблера SA1 в верхнем положении «Преобразователь» лампа А1подключена к  первичной высоковольтной обмотке трансформатора Т1. Тумблером SA2 в положении «Вкл.  Преобразователь» подается питание от аккумулятора GВ1через предохранитель FU1 на  преобразователь. Преобразователь начинает работать. На первичной обмотке трансформатора Т1  образуется высокое напряжение ~220В, которое и запитывает лампу светильника А1­ аварийный  режим. При этом режиме аккумулятор должен быть первично заряжен. В нижнем положении  тумблера SA1 «Сеть» лампа светильника подключается к сети ~220В­ основной режим. Для подзарядки аккумулятора от линейки солнечных батарей необходимо тумблер SA2 поставить  в нижнее положение «Заряд аккумулятора». Ток с.б. через диод VD3 и ограничительный резистор  R огр. поступит на аккумулятор. Который и будет подзаряжаться по времени при включенной  лампе светильника в сеть ~220В. Номинал резистора R огр. Зависит от тока подзарядки от с.б. и  может быть от 100 Ом до 1кОм. Диод VD3 необходим для развязки с.б. от аккумулятора и выбран  с малым прямым падением напряжения –(0,3­0,5) В. Конструкция. 10 Конструктивно устройств выполнено в виде стенда­ наглядного работающего пособия для средних  и высших радиотехнических заведений, рис.6. На панели (слева направо) закреплены: аккумулятор,  мощный транзистор на радиаторе, печатная плата с транзисторами VТ1 и VТ2 и радиоэлементами  схемы, мощный транзистор VТ4 на радиаторе, трансформатор и блок управления работой стенда.  На панели также установлен светильник с одной люминесцентной лампой ЛД(ЛБ)­18Вт. Новизна данной работы заключается в конструкции доработанного готового светильника, в  котором под лампой установлены в окнах солнечные батареи в линейку по длине самой лампы и не  мешают освещению фото 2. В модернизированном светильнике установлена лампа дневного света ЛБ­18ВТ, линейка из 8  элементов солнечных батарей по схеме рис. 7 Заключение. Альтернативные источники энергии выгоды в использовании. Эффективность использования тех  или иных альтернативных источников энергии напрямую зависит от региона, в котором необходима установка. Качественный мониторинг энергопотенциала позволяет определять наиболее  подходящую технологию и рассчитывать ее окупаемость на годы вперед, а также исключает  ошибки, связанные с региональными особенностями. Конечно, первоначальную цену энергонезависимого дома, с экологически чистыми,  возобновляемыми источниками энергоснабжения, сегодня нельзя назвать низкой, но по истечении  двух ­ пяти лет эксплуатации альтернативные источники энергии полностью окупают свою  стоимость и приносят ощутимую финансовую выгоду в течении многих лет.  Не стоит забывать о  экологичности альтернативных технологий добычи энергии. Солнечные, ветровые и гелиоустановки не производят вредных выбросов в атмосферу, не загрязняют воду и безопасны для человека. Новизна данной работы заключается в том, что для солнечных батарей используется не  естественный свет, а искусственное освещение, от которого и подзаряжается аккумулятор, что  позволяет создать компактное устройство аварийного и дополнительного освещения и более  эффективно использовать электроэнергию. Мы пришли к выводу, что преимущества нашего устройства в использовании непосредственно в темных помещениях и сельском хозяйстве, при этом получив аварийное и дополнительное  освещение, необязательное для работы устройства естественное освещение и компактность  конструкции. В перспективе устройство можно разработать, например, для цехового аварийного и  дополнительного освещения на предприятиях. Установить в корпусе панель с солнечными  батареями. Над панелью­ лампы искусственного освещения. Так же установить фонарь аварийного  11 и дополнительного освещения, аккумулятор. Таким образом, изготовив и введя в эксплуатацию  такие светильники, мы резко повысим энергосбережение. На мой взгляд, преимущество будущей  работы еще и в том, что исчезает необходимость выносить солнечные батареи к естественному  свету, тем более на улицу, где они будут подвергаться атмосферным влияниям.  Работа имеет теоретическую значимость, заключающуюся в обосновании возможности  применения для целей аварийного освещения светильников, получающих питание от  фотоэлементов, освещаемых искусственным светом. Практическая значимость работы связана с  повышением энергоэффективности систем аварийного освещения и повышением их  электробезопасности надежности. В таком варианте применения аварийного освещения исключены  вероятные поломки аварийного светильника и аккумулятора вследствие искажения показателей  качества электроэнергии в основной сети, например, вследствие перенапряжений в ней. Библиографический список 1. Журнал для старшекласников и учителей «Потенциал» №6 ­2014 2. О.Ф.Кабардин  «Физика­8»,Москва «Просвещение» 2012 3. Ю.И. Дик, О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов «Физика­10», под редакцией А.А. Пинского, Москва  «Просвещение» 2010 ru.wikipedia.org 4. 5. http://slovari.yandex.ru 6. Ишлинский А.Ю. «Новый политехнический словарь», издательство: М.: Большая Российская энциклопедия. 7. Кизлюк А.И. «Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и  отечественного производства (Глава: диоды и транзисторы)», издательство: Библион. 8. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. «Справочник радиолюбителя­конструктора», издательство:  Москва, «Радио и связь»  12 Рис.3 13 14 Рис. 4 Таблица 1. 15 Лампа Ток цепи, мА Напряжение цепи, В Ток цепи, мА 2,5 2,3 2,0 1,9 1,8 2,2 Погодные условия Энергосберегающая(ртутная) Ясно(солнечно) Облачно 2U­12 13W 220V 50Hz Пасмурно Накаливания 60W 220V 50 Hz Светодиодная LB42 10W 220V 50Hz Таблица 2. Диаграмма 1. Напряжение цепи, В 2,6 2,3 2,1 2 1,8 2,3 Ток цепи, мА Напряжение цепи, В  Энергосберег Накаливания Светодиодная 2.5 2 1.5 1 0.5 0 16 Рис. 5 Рис. 6. 17 Рис. 7 18