Сумеречный выключатель

I. Введение

Президент Российской Федерации Владимир Владимирович Путин отметил, что "в числе неотложных тем продолжают оставаться, конечно, и вопросы энергоэффективности, энергосбережения. Пока у нас с этим вопросом всё довольно тоскливо, несмотря на то, что есть и специальный Указ на эту тему, и компании хотят этим заниматься. В общем, это одна из ключевых задач, которая будет, в конечном счёте, определять нашу конкурентоспособность на годы вперёд".

Проблема – неравномерное использование ресурсов муниципальными службами для освещения улиц, и отсутствие дешевых автоматических выключателей.

Поэтому было решено создать универсальный выключатель, способный самостоятельно отключать и включать освещение, реагируя на свет.

Гипотеза – свет способен являться катализатором для протекания электрического тока в цепи, а так же для прекращения его протекания.

Причина, по которой был выбран данный проект – интерес к радиотехнике и физике в целом. Работа является актуальной в реалиях современного быта.

Цель проекта – определить источники потребления электроэнергии и вычислить ее значение для приборов, работающих в ожидающем режиме и разработать на основе фоторезистора устройство способное реагировать на солнечный свет и выключать освещение. Углубить знания в радиоэлектронике. В рамках данной цели выделены следующие задачи:

1. Анализ теоретических основ в области радиотехники и разработка схемы устройства с проведением исследования входящих элементов.
2. Выявить возможные способы экономии электроэнергии
3. Подготовка необходимых материалов для разработки устройства.
4. Изготовление прототипа устройства, его опробирование и исправление недочетов.
5. Создание готового устройства и рефлексия работы.

Объект –  действие света на проводник с электрическим током.

Предмет – фотоэффект, лежащий в основе работы фоторезисторов.  

Целевая аудитория:

1.Собственники и ответственные за освещение улиц.

2.Муниципальные организации, ответственные за освещение и распределение средств.

3.Преподаватели и обучающиеся, занятые изучением радиотехники.

 4.Потребитель, желающий улучшить условия быта.

Методы исследования: анализ, синтез, систематизация и структурирование информации; эксперимет, опрос.

 Этапы и методы работы над проектом

Смета:

• Плата «Arduino nano» - 120 руб.
• 2 резистора – 1 руб.
• 4 диода – 2 руб.
• Фоторезистор – 20 руб.

Итог: 143 руб.

В наших домах много электроприборов, в том числе тех, которые используются не постоянно, а находятся в ожидающем режиме. Я решил выяснить: потребляют ли они электроэнергию в таком состоянии. Поочередно оставляя такие приборы включенными в розетку, оказалось, что все они потребляют некоторое количество электроэнергии, это видно по показаниям счетчика.

Потребление электроэнергии приборами в режиме ожидания.

Если учитывать, что стоимость 1 кВт ч. Составляет 3,27 рубля, то получается, что за год мы платим 57 рублей за напрасно использованную электроэнергию. И это только в одной квартире.

Дело здесь не в деньгах, которые мы оплачиваем, 57 рублей за год каждая семья может найти. Просто почти за каждой парадной дверью ежедневно исчезают в никуда 49 Вт электроэнергии. А в результате производства таких объемов энергии в атмосферу выбрасываются миллионы тонн углекислого газа.

Но отключают от сети эти приборы не всегда, например согласно анкетированию проведенному среди 10-х классов у 28% телевизоры на ночь не отключаются, компьютеры у 44%, микроволновые печи у 50%.

С ростом технологий для людей стало обычным выходить на улицы ночью и совершать прогулки. Но мало кто задумывается, что освещение города дело весьма затратное и в среднем в год уходит около половины сотни миллионов рублей. Однако, освещение на улицах каждый день включается в определенное время. И это не всегда полезно. Очень часто темнота наступает намного позже включения фонарей, и они работают в холостую, тратя драгоценную электроэнергию. Даже если сократить это время на какое-то минимальное значение, то можно очень сильно сократить расходы.

Действительно, в современном мире разрабатывается много проектов «Умного города», который включает в себя контроль освещенности улицы. Однако бюджет подобных проектов оставляет желать лучшего.

        Гипотеза – свет является катализатором, который способен ограничивать и регулировать протекание электрического тока в цепи, что позволит использовать это свойство для составления электрической цепи.

Для разработки устройства мы воспользуемся универсальной микросхемой Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

Под воздействием солнечного света фоторезистор меняет своё сопротивление. Arduino получает от него аналоговый сигнал. В программном коде указано, что при достижении определённого значения на светодиоды подаётся сигнал и они зажигаются.

Разработав необходимую схему и написав программный код необходимый для работы платы, я приступил ко второму этапу проекта - сборке устройства. При создании прототипа возникли некоторые сложности, а именно подключение компонентов к плате Arduino nano. Данный тип является очень маленьким, поэтому приходилось приложить немало усилий, чтобы правильно спаять прибор. Не стоит забывать, что излишнее нагревание платы легко выводит её из строя. Умение пользоваться паяльником, припоем и канифолью было получено ранее, при изготовлении предыдущего проекта «Сигнализация о протечке воды».

Первоначально, была выбрана данная схема и адаптирована под arduino nano.  Схема состоит из 2-х резисторов, фоторезистора,  платы «arduino nano» и 4-х диодов, вместо одного на схеме, соединительных проводов. Свет попадая на фоторезистор, уменьшает сопротивление последнего, за счет чего схема замыкается. Ток, проходя через плату, с заранее записанной программой, представленной ниже, попадает на диоды и зажигает их. Для питания устройства было принято решение использовать USB-порт. Так же важным элементом является корпус. Он был изготовлен из картона, с приклеенной сверху бумагой серебряного цвета, для отражения света.

Экспериментальные данные зависимости фототока нашего прибора от величины светового потока, падающего на фотоэлемент, где ℓ- расстояние до источника света, а световой поток рассчитывался по формуле Ф = (IS)/ ℓ2 :

При апробации оказалось, что прибор был удобно откалиброван с первой попытки. Что касается выгоды: до того, как стемнело, фонари (4шт.) на Фосфоритной улице проработали 45 минут. Вычисляем стоимость бесполезной работы:

1)0,1*0,75*37*4=11,1 КВт

2)0,1*0,75*37*4*3,27=36,29руб (За один вечер, фосфоритная улица);

3)11,1*31=344,1 КВт;

4)36,29*31=1125руб (за месят улица Фосфоритная);

Стоимость фотореле составляет всего 143 рубля. Вывод: окупаемость данной инвестиции составляет 3 дня!