Finalisté soutěže vědecko­technických projektů studentů středních škol se představují

Ve dnech 6. a 7. května letošního roku proběhlo národní finále jubilejního 15. ročníku soutěže vědeckých a technických projektů středoškolské mládeže. Generálním partnerem soutěže byla jako tradičně energetická společnost ČEZ, tj. společnost, která má zájem získat do svých pracovních týmů talentované studenty technických oborů. Finalisty byli i studenti SPŠE a VOŠ v Pardubicích Jiří Kuřátko a Jan Šmíd.

GIRASOL – umělá slunečnice reaguje na dopad sluneční energie

Všichni známe slunečnici otáčející se během dne za sluncem. Nevím, jaké děje se odehrávají v rostlině, mohu však popsat princip elektronické slunečnice pracující obdobným způsobem. Moje umělá slunečnice reaguje jak na sluneční světlo, tak i na světlo umělé. Funguje na principu fotovoltaického efektu, kdy při dostatečném osvětlení generují fotovoltaické články elektrické napětí. Získaná elektrická energie napájí čidla a řídicí systém zjišťující polohu zdroje světla vůči slunečnici a zajištující pohyb příslušným směrem. Tato energie také slouží k ovládání servomotorů, které umožňují otáčení.

První pokusy s fotovoltaikou

S fotovoltaickými články jsem poprvé pracoval při konstrukci světlem napájeného vozítka, které získalo na jedné ze školních soutěží první cenu. Při úvahách co vyrobit pro další soutěž mě můj vyučující přivedl na myšlenku zhotovit umělou slunečnici. Výsledkem je prototyp zařízení, které umí měřit teplotu, tlak a výkon a je možné ji ovládat počítačem i mobilním telefonem. Zajímám se o programování v jazyce C a java, což mi velmi pomohlo při tvoření algoritmu řídicího systému a při tvorbě aplikace pro telefon a počítač. V praxi se princip slunečnice používá např. u družic, kde se musí solární články při pohybu natáčet za sluncem, nebo u některých solárních elektráren, kde se panely rovněž natáčejí směrem ke slunci.

Základní popis
K získání elektrické energie využívá umělá slunečnice fotovoltaický panel tvořený 24 články o rozměrech 51,2 x 25,6 mm s vnitřním odporem 17 Ω. Po obvodu desky panelu jsou čtyři menší články pro vyhodnocování polohy zdroje světla. Pokud je na levém článku větší napětí než na pravém, panel se začne otáčet do leva a otáčí se tak dlouho, dokud se napětí na pravém a levém článku nevyrovná.
Měřicí a řídicí elektronická část zařízení je instalována pod panelem. Naměřené údaje jsou odesílány po bluetooth do počítače nebo mobilního telefonu. Pro přesný výpočet tlaku ovzduší je v zapojení nutná funkce 12bit A/D převodníku, který převádí výstupní analogovou hodnotu z čidla na číslicovou podobu.
Protože vyhodnocovací elektronika i motorky spotřebovávají energii vyráběnou slunečnicí, je možné pro zvýšení výkonu panelu čidla dálkově vypínat i zapínat a rovněž je možné zapnout manuální ovládání. Panel se natočí do polohy, v níž má slunečnice téměř nulový odběr, protože vyhodnocovací elektronika nemusí vyhodnocovat polohu světla.

Teoretický výkon panelu se velmi liší od skutečného, protože při paralelním propojení článků dochází důsledkem nečistot na povrchu k přebíjení.

Vyhodnocovací elektroniku tvoří jednočip 18F8720 pracujícím na frekvenci 20 Mhz. Jednočip je součástka, která se chová podle vnitřního programu, a umí základní matematické operace jako sčítání, násobení, dělení. V tomto zapojení se stará o natáčení panelu za zdrojem světla, příjem dat z A/D převodníku, řízení servomotorů a o odesílání naměřených dat po bluehooth do PC nebo telefonu, kde jsou hodnoty graficky zobrazovány. Program do jednočipu se dá vytvořit v jazyku C nebo v asembleru. Já jsem zvolil z důvodu rychlosti jazyk C. 18F8720 je také vybavena 10bit A/D převodníkem, sériovým portem, SPI a IC2 sběrnicí.
V zapojení je i záložní baterie, která je potřebná při západu slunce, aby se mohla slunečnice další den opět ke slunci natočit. Baterie se při přebytku energie dobíjí.

Naklápění a otáčení solárního panelu zajišťuje dvojice navzájem mechanicky pevně spojených elektrických převodových motorků.

Hlavní technické parametry
Napětí na výstupu solárního panelu: 5 V (podle intenzity osvětlení)
Odběr řidicí elektroniky a motorků: 30 mA (se zapnutými čidly)
Teoretický výkon solárního panelu: 2 W
Skutečný maximální výkon: 900 mW
Rozsah měření teploty : 0-50 °C
Rozsah měření tlaku: 15-115 kPa
Rozměry solárního panelu: 210x155 mm

Prameny:
[1] Datasheet 18f8720:
http://www.datasheet4u.com/share_search.php? />sWord=18F8720
[2] Solární panely: http://www.solartec.cz/
[3] http://www.wikipedia.cz
[4] Tlakové čidlo:
http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/ />MPX4115A.pdf
[5] java: http://interval.cz/clanky/j2me-v-kostce-prvni-midlet/
http://www.pcsvet.cz/art/article.php?id=4180

---

Provzdušňování a řízení čerpání domácí bio­logické čističky odpadních vod šetří elektrickou energii

Mým úkolem bylo navrhnout a zkonstruovat řídicí panel domácí biologické čističky odpadních vod (BČOV), který bude automaticky podle naprogramovaných časových intervalů řídit provzdušňování a cirkulaci vody v BČOV a bude reagovat na pokyny spouštějící čerpání a uvádějící zařízení do víkendového režimu. Smyslem zařízení je uspořit elektrickou energii při provozu BČOV v době, kdy není objekt obýván, tudíž kdy není třeba čistit splaškové vody, ale kdy je nutné zajistit životní podmínky pro aerobní mikroorganismy, které zajišťují proces biologického čištění odpadních vod.

V případě rekreačního objektu, pro který je zařízení určeno, probíhá čištění v malé domovní BČOV, která zajišťuje mechanické předčištění, biologické čištění a zahrnuje dosazovací a vyrovnávací prostor. Odpadní voda natéká do usazovací nádrže v nátokové části čističky, kde je zbavena mechanických, plovoucích a usaditelných látek, které jsou zde dále podrobeny anaerobnímu rozkladu. Z usazovací nádrže natéká již předem mechanicky předčištěná voda do aktivační nádrže. Aktivační nádrž slouží k aerobnímu biologickému čištění odpadní vody. Tento prostor je ve spodní části osazen jemnobublinným provzdušňovacím systémem (aerátorem), do kterého se vhání vzduch pomocí membránového dmychadla (kompresoru).
Aktivovaná směs z aktivační nádrže poté natéká do dosazovací nádrže, kde se usazuje kal. Vyčištěná voda pak přepadem odtéká do odtokového potrubí.

Pracovní režimy
BČOV pracuje ve třech pracovních režimech:
Víkendový provoz (běžný) – období, kdy je rekreační objekt v provozu a je zajištěn dostatek splaškových vod obsahujících dostatek živin pro anaerobní a aerobní mikroorganismy, které jsou hlavním článkem čisticího procesu. V tomto režimu trvale probíhá provzdušňování kompresorem a mamutkové čerpadlo cirkuluje vodu mezi dosazovací a provzdušňovací nádrží.

Klidový režim – v době, kdy se rekreační objekt neužívá a není zajištěn dostatek splaškových vod obsahujících dostatek živin pro anaerobní a aerobní mikroorganismy, které jsou hlavním článkem čisticího procesu, je přísun živin zajištěn cirkulací vody pomocí mamutkového čerpadla mezi dosazovací a usazovací nádrží. V tomto období není třeba provzdušňovat trvale, protože aerobní mikroorganismy přežijí bezpečně bez přísunu kyslíku min. 2 hodiny.

Čisticí režim – v tomto režimu se speciálním mamutkovým čerpadlem odčerpávají plovoucí nečistoty z dosazovací nádrže a odvádějí se do usazovací nádrže.
Účelem zařízení je spínat elektromagnetické ventily rozvodu vzduchu a kompresoru ve správných časových intervalech a podle stavu vnějších vstupů přepínat provzdušňování a cirkulaci vody v BČOV mezi jednotlivými režimy (víkendový, klidový, čištění). Očekává se, že především spínáním v klidovém režimu jen na nezbytně nutnou dobu, se výrazně uspoří elektrická energie oproti stávajícímu stavu, kdy je BČOV zapnuta trvale.

Zařízení bude v rekreačním objektu připojeno na trvale napájený zvláštní okruh síťového napětí 230 V/50 Hz a bude napájeno zdrojem stejnosměrného napětí 5 V a 12 V. Skládá se z vlastního řídicího modulu a z detektoru síťového napětí. Rekreační objekt má dva okruhy síťového napětí – jeden je pod napětím trvale (na tento okruh je připojena BČOV), druhý se zapíná jen je-li rekreační objekt užíván.

Další možnosti

V budoucnu bude možné zapojit dva neobsazené výstupy R1 a R2 a vytvořit obvod pro snímání hladiny vody místo přepínače čerpání. Pro zajištění lepší cirkulace vzduchu na chlazení je možné přidat ventilátor a ovládat ho procesorem. Další inovací by mohlo být doplnění programu o funkci, kdy se budou jednotlivé typy chyb ukládat do paměti a bude možno zobrazt jejich statistiku. Zařízení funguje bez problémů a bude umístěno v rekreačním objektu, kde bude plně sloužit svému účelu.

Základní funkce prezentačního panelu

Prezentované zařízení tvoří detektor síťového napětí a řídicí jednotka. Ostatní zařízení (zdroj stejnosměrného napětí 5 V a 12 V, ventilátor) jsou pouze zařízení nezbytná pro prezentaci a nejsou součástí vyvíjeného výrobku. Pro simulaci spouštění kompresoru na 230 V / 50 Hz střídavého napětí jsem použil ventilátor 8556N na 230 V / 50 Hz, pro zobrazení spínání jednotlivých ventilů LED diody zelené barvy o průměru 10 mm. Na detektoru síťového napětí bylo třeba nasimulovat přítomnost či nepřítomnost síťového napětí. Proto byl do cesty napětí ze sítě doplněn páčkový vypínač P-BC068BR.
Prezentační panel se zapíná zapojením síťového kabelu do zásuvky (pozor, v tuto chvíli jsou všechny obvody 230 V pod napětím). Funkce řídicí jednotky se zapíná zapnutím spínače na zdroji.

Místo závěru

A co mne při projektování zařízení nejvíc bavilo? Určitě tvorba elektrického schématu a zejména tvorba návrhu oboustranných desek plošných spojů v návrhovém programu Eagle 4.11 – velikost desek byla totiž dána rozměry krabičky, do níž bylo zařízení umístěno. A ty byly miniaturní.

Prameny
http://www.topolwater.com/cov-slovnik.htm
http://www.asio.cz/czech/varioKUp01.htm
http://www.engnetglobal.com/
http://www.cdr.cz/a/744
http://www.mcu.cz/plugins/forum/ />forum_viewforum.php?5.0
http://www.topolwater.com/domovni-cov-funkce.htm

---

Soutěž organizuje Amavet, Asociace pro mládež, vědu a techniku, o. s. Záštitu nad XV. ročníkem soutěže ve školním roce 2007/2008 držel předseda Akademie věd České republiky Prof. RNDr. Václav Pačes, DrSc. Finále proběhlo v budově Akademie věd v Praze.
Cílem soutěže vědeckých a technických projektů středoškolské mládeže je odhalovat a rozvíjet tvůrčí schopnosti středoškoláků, vyhledávat talenty v oblasti vědy a techniky a umožňovat jejich odborný růst formou účasti na specializovaných aktivitách v ČR i zajišťováním individuální i kolektivní účasti na odborných akcích v zahraničí.

Projekt z libovolné oblasti musí být zpracován s využitím vědeckých postupů a metod. Je možné spolupracovat s odborníky, výzkumnými ústavy a odbornými institucemi. Kvalitu práce, tvůrčí přínos i celkovou úroveň vystupování řešitele nebo řešitelů (včetně jazykových znalostí a schopnosti svou práci veřejně prezentovat) posuzuje odborná porota. Nejlepší řešitelé se zúčastní evropské výstavy vědeckotechnických projektů mládeže ESE 2008 v červenci 2008 v Budapešti, soutěže INTEL ISEF 2009 v USA. Dále mají možnost zúčastnit se přednostně a za výhodných podmínek specializovaných odborných akcí v ČR i zahraničí pořádaných AMAVET i dalšími organizacemi.