Аннотация
Данный проект направлен на изучение природных показателей озера в с/п «Берёзка» и конструирование прототипа - робота при использовании которого, ожидается улучшение экологической ситуации и природных показателей водной среды.
Автономный неуправляемый ветряной аэратор - механический робот, чем-то напоминающий небольшую мельницу, перемещающуюся по поверхности воды, с целью сбора информации о глубинах водоёма, показателях скорости ветра, о наличии на дне предметов, препятствий и показатели кислорода и других растворённых газов в воде.
Питание аппарата осуществляется от солнечных батарей или других средств питания. Некоторые разновидности аэраторов аэрация может использоваться для окисления таких веществ как железо, а также способствовать удалению из воды растворённых газов, таких как двуокись углерода или сероводород.
Нами был разработан и собран полностью автономный робот, который выполняет такие задачи как насыщение воды кислородом, сбор информации о природных показателях водоёма (показатели кислорода и других растворённых в воде газов, глубины водоёма) и внешних показателей природы (скорость ветра).
Введение
Человечество придумало множество способов насыщения воды кислородом: начиная от безнапорных машин и заканчивая инжекторными. Сейчас больше применяются безнапорные ветряные аэраторы (Автономные, механические, необитаемые наводные аппараты), где человек задействован только в перемещении и сборе анализов. Помимо решения глобальных проблем, ветряные аэраторы могут быть использованы и для решения местных экологических задач.
Рядом с г. Зеленогорском есть прекрасная зона отдыха для горожан и отдыхающих санатория-профилактория «Березка». Санаторий был открыт в 80-х годах для нужд Электрохимического завода. Сегодня – это современный комплекс, куда приезжают люди со всей России поправить свое здоровье. Здесь современная лечебная база, кристально чистый лесной воздух, сказочный сосновый бор, великолепная панорама водохранилища, но великолепна она только с виду.
Сильно прогреваемые летом и заросшие тростником, камышом, рогозом мелководные участки водохранилища превращаются в своеобразный питомник для сине-зеленых водорослей, в результате – вода имеет неприятный запах, сине-зеленый цвет, очень мутная, отдыхающие не купаются в этом водоеме, и даже находиться на его берегу неприятно. Водоём превращается в болото. В данный момент реализуется проект по исследованию и очищению этого озера.
Для решения данных проблемы мы решили разработать и собрать прототип автономного, механического аппарата, выполняющего такие функции как насыщение воды кислородом, сбор информации о природных показателях водоёма (показатели кислорода и других растворённых в воде газов, температура воды) и внешних показателей природы (скорость ветра). С его помощью можно проводить изучение природных показателей водоёма и проводить мониторинг очищения озера.
Цель:
Создать автономную систему волновой аэрации воды для улучшения природных показателей и экологической ситуации озера на р. Большая Камала с/п «Березка».
Задачи:
I. Изучить теоретический материал по данной теме;
II. Создать чертежи;
III. Подобрать материалы для конструирования;
IV. Осуществить сборку робота;
V. Запрограммировать робота;
VI. Протестировать робота;
VII. Сделать вывод по проделанной работе.
Изучение теоретического материала
Аэрация — естественное проветривание, насыщение воздухом, кислородом (организованный естественный воздухообмен).
Аэрацией называется процесс, при котором воздух тесно контактирует с водой (жидкостью). Аэрация осуществляется распылением воды (жидкости) в воздухе или пропусканием пузырьков воздуха через воду, то есть путём непосредственного контакта воды и воздуха/кислорода. Аэрация может использоваться при насыщении воды кислородом для окисления таких веществ как железо, а также способствовать удалению из воды растворённых газов, таких как двуокись углерода или сероводород. Аэрация является основой процесса очистки стоков в биологических очистных сооружениях.
Аэрация воды — это, как уже было сказано выше, процесс насыщения воды кислородом, для чего могут быть использованы самые различные подходы:
1. Биологическая аэрация воды;
2. Химическая аэрация воды;
3. Механическая аэрация воды.
Биологическая аэрация воды — это, в сущности, естественный природный процесс. Известно, что фитопланктон в воде отвечает за то, какой процент кислорода там содержится. Как правило, на долю фитопланктона приходится от 80 до 90% всего кислорода, а ту незначительную часть, которая приходит извне, принято называть «инвазия».
Суть биологической аэрации воды сводится к тому, чтобы различными способами стимулировать увеличение количества фитопланктона, а он, в свою очередь, будет способствовать насыщению воды кислородом. Вариантов того, как может быть организована биологическая аэрация воды множество. Например, часто применяются различные минеральные удобрения. Другим, альтернативным способом биологической аэрации воды является население водоёма различными рыбами, питающимися растительностью. В частности, наиболее часто используют белого толстолобика или белого амура. Эти рыбы питаются преимущественно взрослым фитопланктоном, поскольку он крупнее и заметить его проще. Это способствует естественному приросту молодняка, в связи с чем фитопланктон в своей массе работает интенсивнее, а значит, вода обогащается кислородом — происходит биологическая аэрация воды.
Химическая аэрация воды осуществляется искусственными методами. Суть способа состоит в том, что в воду добавляются реагенты, которые должны выделять кислород при соединении с водой.
В рамках химической аэрации воды каждое из веществ имеет разную степень эффективности. Например, перекись кальция даёт не только прямой эффект, но ещё и образует гашеную известь, что также полезно для аэрации воды. На практике химическая аэрация воды выглядит следующим образом: если в воду добавляется четыре с половиной килограмма перекиси кальция, то из неё получается килограмм кислорода и 4,6 килограмм гашеной извести.
Механическая аэрация воды является одной из наиболее популярных форм аэрации. Причина заключается в том, что в рамках метода практически не нужно прилагать какие-то усилия, а кроме того, для его реализации требуется минимальное время. Также, в отличие от химической аэрации воды, нет никаких рисков для экологии, что является важнейшим преимуществом.
Изучив разные способы аэрации воды, мы решили остановиться на механическом, а именно на волновом аэраторе воды. При использовании такого устройства обеспечивается вертикальная циркуляция воды, что приводит к обмену водных слоёв, дегазации и насыщению их кислородом. Активный газообмен с окружающей средой обеспечивается благодаря созданию спиралевидных волн.
Волновая модель аэратора представляет собой механическое устройство, состоящее из трубчатого корпуса с вращающейся осью внутри. Двумя подшипниками, цилиндрическими лопастями и пропеллером. Закрепляется он на поверхности водоёма при помощи растяжек (в зимнее время) или по типу буя (в летнее), данное размещение предотвращает вращение вокруг оси.
Создание чертежей
Изучив методы аэрации, мы нарисовали чертеж и создали 3D-модель нашей будущей установки в программе SolidWorks-17. Также, мы разработали блок питания, корпус для электроники.
Данная конструкция установки удобна в размещении на ней электроники. Бортовой компьютер размещен на деревянном основании конструкции, для соблюдения центра тяжести. Датчики распределены следующим образом-1, расположен над водой, для определения мутности воды, и 2, расположен в воде, для измерения температуры воды. Солнечные батареи и накопитель энергии мы установили на корпусе робота. Один из датчиков нацелен под прямым углом на воду снизу.
3D модель
а) Вид конструкции сверху и сбоку;
б) Вид сврху;
в) Вид сбоку.