Project Airfield
Λεπτομερής παρουσίαση
Η μειωμένη ανάπτυξη στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όχι μόνο δυσχεραίνει την έρευνα, αλλά καθιστά επίσης δύσκολη την καθιέρωση ενός νέου, φιλικού προς το περιβάλλον, τρόπου παραγωγής ενέργειας. Για τον λόγο αυτό, αποφασίσαμε ότι θα ήταν καλύτερο να αναπτύξουμε έναν ήδη υπάρχοντα τρόπο παραγωγής πράσινης ενέργειας, την Αιολική ενέργεια.
Η Βασική Ιδέα
Το "Airfield" χωρίζεται σε 2 τομείς: (α) στην παραγωγή ενέργειας μέσω ενός ιπτάμενου ανεμόμυλου και (β) στην κατανάλωση αυτής της ενέργειας σε ένα πλήρως αυτοματοποιημένο θερμοκήπιο. Στο πλαίσιο αυτού του έργου, δεν αποθηκεύουμε όλη την παραγόμενη ενέργεια, αποθηκεύουμε το 25% της ενέργειας που είναι υπεραρκετό για τη λειτουργία του θερμοκηπίου και το υπόλοιπο 75% πωλείται σε ένα δίκτυο.
Παραγωγή Ενέργειας
Όλοι γνωρίζουμε ότι τα ρεύματα του ανέμου ψηλά πάνω από το έδαφος είναι πολύ ισχυρότερα σε σύγκριση με εκείνα που λειτουργούν σχετικά πιο κοντά στο έδαφος. Η ιδέα του “Airfield” είναι να χρησιμοποιηθεί ένα μπαλόνι γεμάτο ήλιο, σε σχήμα σωλήνα, για να ανυψωθεί η τουρμπίνα από το έδαφος σε πολύ μεγαλύτερο ύψος από τους συμβατικούς ανεμόμυλους. Η εναέρια ανεμογεννήτρια θα συγκρατείται σταθερά κάνοντας χρήση ισχυρών δεσμών που θα μεταφέρουν επίσης την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στο έδαφος. Το πρωτότυπο ανεβαίνει σε ύψος 350 ποδιών από το επίπεδο του εδάφους, παράγει ηλεκτρική ενέργεια και προσγειώνεται με επιτυχία, αν χρειαστεί. Ορισμένα προφανή πλεονεκτήματα αυτής της ανεμογεννήτριας είναι ο πολύ μικρός θόρυβος κατά τη λειτουργία της, η χαμηλή χρήση γης, η ελάχιστη συντήρηση της εγκατάστασης και το γεγονός ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε, αφού τα ρεύματα είναι διαθέσιμα σε ύψος ανεξάρτητα από τη θέση του εδάφους. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα χρησιμοποιείται κατά 25% για τη λειτουργία του θερμοκηπίου, και το υπόλοιπο θα διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο όπου θα πωλείται σε προμηθευτές ενέργειας.
Κατανάλωση Ενέργειας
Χρησιμοποιούμε το 25% της παραγόμενης ενέργειας για την τροφοδοσία του αυτοματοποιημένου θερμοκηπίου. Τα δομικά στοιχεία του θερμοκηπίου είναι κατασκευασμένα από πλεξιγκλάς και η οροφή καλύπτεται από ειδικό πλαστικό κάλυμμα. Υπάρχουν δύο παράθυρα σε κάθε μεγάλη πλευρά του θερμοκηπίου, τα οποία επιτρέπουν στον αέρα του περιβάλλοντος να εισέρχεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου όταν αυτό είναι απαραίτητο. Στο εσωτερικό του θερμοκηπίου τοποθετούνται 4 φυτά σε κάθε πλευρά, οι πλευρές είναι 2 και διαχωρίζονται από μια ταινία μεταφοράς. Στο πάνω μέρος του ιμάντα υπάρχει ένα ρομπότ το οποίο ελέγχει αν τα φυτά χρειάζονται λίπανση ή όχι. Κάτω από το θερμοκήπιο υπάρχει ένας βραστήρας ο οποίος υπό κανονικές συνθήκες θα ήταν ένας λέβητας που θα ζέσταινε το νερό. Το νερό θα κυκλοφορούσε σε σωλήνες στο θερμοκήπιο προκειμένου να αυξηθεί η θερμοκρασία. Ο ζεστός αέρας από τον βραστήρα χρησιμοποιείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Σε περίπτωση που θέλουμε να μειώσουμε τη θερμοκρασία, λειτουργούμε τους ανεμιστήρες στο θερμοκήπιο. Τέλος, τα φυτά ποτίζονται αυτόματα ενώ η συχνότητα λειτουργίας του συστήματος άρδευσης εξαρτάται από το είδος των φυτών.
Ιδανικές τοποθεσίες για το έργο
Μετά από προσεκτική μελέτη, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το Airfield μπορεί να εναρμονιστεί τέλεια με τις περισσότερες πεδινές περιοχές.
Το Ρομπότ
Το Ρομπότ
Ιπτάμενη Τουρμπίνα (μοντέλο 3D)
Ο Βραστήρας
Ιπτάμενη Τουρμπίνα
Βραχίονες Ανεμογεννήτριας
Θερμοκήπιο
Σημείωση: Ορισμένα τμήματα της κατασκευής διαφέρουν λόγω του ότι το Χαρτοφυλάκιο εκδόθηκε πριν το Έργο φτάσει στην τελική του κατάσταση.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
Λεπτομερές Επιχειρηματικό Σχέδιο
Από την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει ο ιπτάμενος ανεμόμυλος, τα ¾ θα πωλούνται σε έναν πάροχο και η υπόλοιπη ηλεκτρική ενέργεια θα καταναλώνεται στο θερμοκήπιο για τη λειτουργία του.
Ανάλυση Hardware
Το Λογισμικό
Για την ανάπτυξη του λογισμικού, χρησιμοποιήσαμε τα εξής:
- Raspberry Pi 4 – VNC Viewer (Python)
- Lego Mindstorms
- PyCharm (Python)
Βιβλιοθήκες που έχουμε χρησιμοποιήσει:
import serial -> serial communication between other devices and Raspberry Pi
import EV3BT -> communication between Raspberry Pi and EV3 through Bluetooth
import RPi.GPIO as GPIO àcommunication with devices through wire
import dht11 àprogramoftemperatureandhumidity sensors
import time -> command of time
import datetime -> use of current date and time
import drivers -> for the lcd monitor
import turtle -> design of the app
from tkinter import* -> program for the app
from tkinter import messagebox -> create notification for the app
Το πρόγραμμα του έργου αποτελείται από 5 διαφορετικά υποπρογράμματα. Τα 3 προγράμματα αφορούν το θερμοκήπιο και τα υπόλοιπα τον ιπτάμενο ανεμόμυλο. Όσον αφορά το θερμοκήπιο, 1 πρόγραμμα που χρησιμοποιείται είναι στο Raspberry Pi και τα άλλα 2 είναι προγράμματα EV3. Το Raspberry Pi επικοινωνεί και με τα δύο προγράμματα EV3. Το πρόγραμμα EV3 fists χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και το άλλο για την εφαρμογή λιπασμάτων.
1) Το λογισμικό της ταινίας μεταφοράς
Η βασική λογική του προγράμματος είναι η ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ του raspberry pi και του EV3. Πιο συγκεκριμένα το πρόγραμμα του raspberry pi λειτουργεί ως “ο εγκέφαλος”, και το EV3 εκτελεί τις εντολές ανάλογα με τα μηνύματα που στέλνει το raspberry. Οι αισθητήρες υγρασίας λαμβάνουν συνεχώς μετρήσεις από τα φυτά και επιστρέφουν 1(True) αν ανιχνεύουν υγρασία ή 0(False) αν δεν ανιχνεύουν. Όταν ένας αισθητήρας ανιχνεύει λιγότερη υγρασία από την κανονική, το raspberry pi στέλνει ένα μήνυμα στο EV3 με τον μοναδικό αριθμό που αντιστοιχεί στο φυτό με την μη κανονική υγρασία. Στη συνέχεια, το πρόγραμμα EV3, υπολογίζει την απόσταση που έχει το ρομπότ από το φυτό και εκτελεί τις κατάλληλες εντολές.
s_1 = EV3BT.encodeMessage(EV3BT.MessageType.Numeric, 'number', 2) #lipasma
EV3_1.write(s_1)
print(EV3BT.printMessage(s_1))
time.sleep(2)
Κώδικας επικοινωνίας του Raspberry pi
Communication code of EV3
2) Το λογισμικό ρύθμισης της θερμοκρασίας:
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας λαμβάνουν συνεχώς μετρήσεις εντός και εκτός του θερμοκηπίου. Η ιδανική θερμοκρασία για τα φυτά μας είναι μεταξύ 20-25 °C. Εάν η θερμοκρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου είναι κάτω από 20 °C, ο βραστήρας λειτουργεί αυτόματα έως ότου η θερμοκρασία επανέλθει στις ιδανικές συνθήκες. Σε περίπτωση που η θερμοκρασία αυξηθεί περισσότερο από το σημείο ρύθμισης, το σύστημα θέτει σε λειτουργία τους ανεμιστήρες ώστε η θερμοκρασία να γίνει και πάλι ιδανική για τα φυτά. Παρ' όλα αυτά, υπάρχει περίπτωση που η θερμοκρασία έξω από το θερμοκήπιο είναι η θερμοκρασία που θέλουμε να ρυθμίσουμε μέσα στο θερμοκήπιο. Σε αυτή την περίπτωση, τα παράθυρα ανοίγουν αυτόματα, αφήνοντας τη θερμοκρασία να ρυθμιστεί μόνη της, ώστε να εξοικονομηθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια. Και πάλι, σε αυτό το πρόγραμμα το raspberry pi ανιχνεύει τη θερμοκρασία μέσω των αισθητήρων, το EV3 λαμβάνει τα μηνύματα και λειτουργεί το μοτέρ που χρειάζεται σε κάθε περίπτωση.
Ανάλυση για την ανάπτυξη της εφαρμογής
Η εφαρμογή που έχουμε δημιουργήσει στον ιστότοπο χωρίζεται σε 2 κατηγορίες: (α) για τον επενδυτή και (β) για τον διαχειριστή.
Διαχειριστής
Έχουμε συνδέσει τη λειτουργία διαχειριστή με το VNC, το οποίο είναι η πλατφόρμα στην οποία έχουμε προγραμματίσει τον κώδικα τόσο για τον ιπτάμενο ανεμόμυλο όσο και για το θερμοκήπιο. Η λειτουργία διαχειριστή χωρίζεται επίσης σε 2 κατηγορίες: η μία είναι για τον ιπτάμενο ανεμόμυλο και η δεύτερη για το θερμοκήπιο. Και οι δύο διαχωρίζονται σε 2 άλλες κατηγορίες: την αυτόματη και τη χειροκίνητη λειτουργία. Στην αυτόματη λειτουργία, ο δυνητικός διαχειριστής μπορεί να βλέπει ζωντανά τις τιμές μέτρησης και την κατάσταση του συστήματος. Στη χειροκίνητη λειτουργία, ο διαχειριστής μπορεί να παρέχει τις απαιτούμενες τιμές εισόδου προκειμένου να κατευθύνει το έργο από απόσταση.
Επενδυτής
Η λειτουργία επενδυτή διαχωρίζεται επίσης σε 2 άλλες κατηγορίες. Η πρώτη είναι αυτή του προϋπολογισμού, όπου ο χρήστης μπορεί να δώσει έναν προϋπολογισμό και με βάση έναν αλγόριθμο που έχουμε δημιουργήσει, ο ιστότοπος του δείχνει μια πληθώρα επιλογών για να επενδύσει με λεπτομέρειες για το πόσοι ανεμόμυλοι πετούν, πόσα θερμοκήπια, την τοποθεσία, τα κέρδη κ.λπ. Το δεύτερο είναι το αντίθετο, όπου ο χρήστης μπορεί να εφαρμόσει τα πρότυπα που θέλει και με βάση έναν αλγόριθμο επίσης, ο ιστότοπος υπολογίζει το συνολικό προϋπολογισμό αυτών που έχει εφαρμόσει.
