Разработка автономных станций зарядки БПЛА на ЛЭП для МРСК Урала Направление: Современная энергетика Тип: Исследовательский (научно-исследовательский) Автор: Баженова Светлана Александровна Роль в проекте : технический исполнитель команды по разработке автономной станции зарядки Город, школа, класс : г.Екатеринбург, лицей 110 им. Л.К.Гришиной, 10 « М » класс Научный руководитель проекта: Баранова Анна Александровна Технический руководитель проекта: Алдохин Филипп Эдуардович
Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза слабее птицы... Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума". Жуковский Н.Е. К О М А Н Д А П Р О Е К Т А Энтузиаст – Критик – Новатор Баженова Светлана Телефон для связи: 8-950-547-62-02 Энтузиаст – Созидатель – Исследователь Баженова Алёна Баженова Алёна Телефон для связи: 8-950-547-62-02 Энтузиаст – Ученый - Вдохновитель Хохлов Константин Олегович Энтузиаст – Ученый – Наставник Баранова Анна Александровна
3. Актуальность проекта: Из всех этих факторов сформировала ПРОБЛЕМУ: нужно обеспечить дозарядку БПЛА, учитывая короткое время полета на одном заряде батареи и большую протяженность линий электропередач! Главная проблема при мониторинге ЛЭП при помощи БПЛА – большая протяженность ЛЭП и в основном удаленное расположение от стационарных объектов, где можно дрона зарядить стандартным способом. Стоимость автономных станций дозарядки очень большая, они громоздки, и могут использоваться только с участием человека – что делает практически невозможным их применение в таком мониторинге. Сетевое хозяйство ЕЭС России насчитывает более 13 000 линий электропередачи класса напряжения 110 – 750 кВ общей протяженностью более 490 тыс.км и более 10 000 электрических подстанций 110–750 кВ. по состоянию на 01.01.2022г.
4. ЦЕЛЬ: Создать опытный образец автономной станции дозарядки дронов на ЛЭП, используя явление электромагнитной индукции, для нужд ОАО «МРСК УРАЛА» при мониторинге электросетей. Для достижения цели решаем следующие задачи: 1 Определить принципиальную схему зарядной станции. 2 Провести опыты в подтверждение расчетов с различными типами батарей. 3 Разработать опытный образец зарядной станции для дронов, размещаемую непосредственно на линиях электропередач. 4 Необходимо составить типовую спецификацию и комплект конструкторской документации зарядной станции для масштабирования их выпуска для инспекции линий электропередач МРСК Урала. 5 Изучить научную литературу и изобретения по каталогу патентов на рассматриваемую тему.
5. Принцип действия системы дозарядки: 1. Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его. Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем. Шаг 1 Высоковольтные провода окружены магнитным полем или линиями магнитной индукции. Когда дрон подлетает к зоне его действия, он становится материальной средой, которая движется в магнитном поле, в том числе все его составные части. Также в такой среде окажется посадочная платформа. Шаг 2 Устанавливаем на платформе катушку индуктивности, создаем замкнутый электрический контур. Шаг 3 Преобразовываем полученный индукционный ток для получения заряда батареи. Шаг 4 Дополняем бортовое оборудование дрона датчиками контроля заряда батареи, чувствительности ЭМ поля. Шаг 5 При посадке дрона на платформу заряжает его батарею. Можно использовать выдвижную «стрелу» из площадки, увеличив таким образом расстояние между дроном и ЛЭП.
6. Анализ исследований / разработок по теме проекта: 1. Впервые передачу электроэнергии по однопроводной линии предложил и осуществил Никола Тесла. В 1893 г. он показал, что нет необходимости использовать два проводника для передачи электрической энергии и практически была обоснована передача энергии через одиночный проводник без возврата. 2. Нами была проанализирована база Федерального института промышленной собственности: https://www1.fips.ru/iiss на аналогичные исследования и разработки: Номер, дата Наименование патента 2019101449, 18.01.2019 Трансформатор для столбовой подстанции 2017134920, 04.10.2017 Автоматический комплекс дистанционной диагностики электросетевого оборудования 2003103618/09, 07.02.2003 Способ и устройство для передачи электрической энергии 2021124587, 19.08.2021 Устройство для передачи электрической энергии 5023506/07, 22.01.1992 Система электроснабжения 99120860/09, 29.09.1999 Система электроснабжения
7. Описание экспериментов при работе над проектом : Цель эксперимента: доказать – что явление магнитной индукции в зоне ЛЭП способно вызвать напряжение в цепи замкнутого электрического контура с катушкой индуктивности. 2. Место проведения эксперимента по получению напряжения в цепи с соленоидом: Между двух вышек ЛЭП, на высоте от земли – 0,5 метра; 3. Используемое оборудование : мультиметр Navigator 82 431 NMT-Mm02-832 4. Объект эксперимента: замкнутый электрический контур с катушкой индуктивности (соленоидом); 5. Соленоид собран из сердечника (стальной прут шириной 10 мм, квадратный в поперечном разрезе, обмотка изолированным проводом с медной жилой в два слоя.
8. Описание результата экспериментов с катушкой индуктивности Порядковый Номер замера Фото Порядковый Номер замера Фото 1 3 2 4
9. Выводы и результаты экспериментов: Проведено всего 10 замеров. Напряжение, фиксируемое мультиметром было в диапазоне от 0,68 до 11,2 V ; Замеры в силу технических ограничений были сделаны сбоку от линий ЛЭП и на низком расстоянии от земли. Если бы аналогичные замеры делались на высоте и над или непосредственно под ЛЭП, значения были бы в десятки раз выше. Главный вывод эксперимента – напряжение в цепи возникает под действием электромагнитной индукции. Дополнительный вывод – полет дрона сбоку от ЛЭП и на низкой высоте менее подвержен электромагнитным помехам, способным вывести из строя бортовое оборудование.
10. Проектирование платформы автономной заправочной станции в компас 3D
11. Схема сборки автономной зарядной станции
12. Принципиальная схема автономной зарядной станции:
13. Используемое готовое электротехническое решение беспроводной зарядки при посадке дрона на платформу Вид катушки Микросхема Электродеталь Передающая Принимающая Приемный модуль для системы беспроводной зарядки мобильных устройств по технологии Qi и позволяет передавать заряд “по воздуху” и заряжать аккумуляторы напрямую по алгоритму CC/CV током мощностью до 5Вт.
14. Сравнительный анализ существующих решений на рынке : Наименование готового решения Фото Ссылка на описание Функциональное предназначение Airobotics Центральной частью разработки является специальная «авиабаза», которая служит в качестве посадочной станции с возможностью автономной зарядки дронов. Роботизированная рука, установленная на станции, самостоятельно снимает разряженный аккумулятор с беспилотника и устанавливает новую батарею, что позволит дронам летать постоянно без помощи человека. Стоит отметить, что роботизированная рука может также менять полезную нагрузку, установленную на дроне. Сравнение с проектируемой станцией: Сравнительные преимущества проекта Сравнительные недостатки нашего проекта Дозарядка будет организована вдоль всей протяженности ЛЭП, в то время как готовое решение Airobotics само требует генерации энергии или подключение к сети; Относительно низкая стоимость; Относительно малые габариты. Низкий уровень роботизации
15. Сравнительный анализ существующих решений на рынке : Наименование готового решения Фото Ссылка на описание Функциональное предназначение IDIP LOYER MP2.1 (Великобритания) Док-станция на базе контактной зарядки, основанная на простом и прочном дизайне, MP2.1 является идеальным выбором для крупномасштабного развертывания парков DJI Mavic 2. Шасси оснащено антеннами дальнего действия и светодиодными лампами для лучшей связи и визуального оповещения в режиме реального времени, соответственно. Станция может быть закреплена на любой поверхности, такой как крыши или транспортные средства, и содержит электромагнитные замки для предотвращения кражи. Сравнение с проектируемой станцией: Сравнительные преимущества проекта Сравнительные недостатки нашего проекта Дозарядка будет организована вдоль всей протяженности ЛЭП, в то время как готовое решение Airobotics само требует генерации энергии или подключение к сети; Относительно низкая стоимость; Относительно малые габариты. Нет промышленных испытаний
16. Сравнительный анализ существующих решений на рынке : Наименование готового решения Фото Ссылка на описание Функциональное предназначение Skyport DP5 дрон бокс ангар Внутри коробки для дронов Skyport DP5 вы найдете отмеченную наградами систему Skycharge, самую мощную и легкую систему зарядки аккумуляторов на рынке, гарантированно обеспечивающую 40 000 безотказных циклов быстрой и эффективной зарядки аккумулятора. Соединение между дроном и зарядной площадкой происходит во время посадки, без использования дополнительных движущихся частей. Конструкция платформы, в сочетании с занимаемыми контактами, обеспечивает самую компактную и легкую интеграцию с любым дроном. Сравнение с проектируемой станцией: Сравнительные преимущества проекта Сравнительные недостатки нашего проекта Относительно низкая стоимость; Относительно малые габариты. Нет промышленных испытаний
17. Выводы и результаты проекта: Изучена база патентных бюро и источников литературы; Составлена принципиальная схема станции дозарядки дрона; Составлена схема сборки и спецификация автономной зарядной станции; Смоделирован опытный образец станции в Компас 3D ; Проведены опыты по исследованию явления электромагнитной индукции в зоне ЛЭП в электрической цепи с соленоидом; Проведен сравнительный анализ по существующим на рынке готовым решениям автономных зарядных станций.
18. Планы по дальнейшему развитию проекта: Коммерциализация проекта: разработка бизнес-плана, популяризация идей проекта, в том числе в научном сообществе: участие в конференциях написание научных статей 2. Поиск инвесторов: презентация для «бизнес-ангелов» участие в краунфандинговой платформе по свободному сбору средств подача заявки на гранд 3. Оформление заявки на полезную модель совместно с УРФУ
19. Список использованной литературы: 1. Энерговестник. Использование беспилотных летательных аппаратов в ТЭК.//energovestnik.ru, 22.10.2015. 2. А. Валиев. Эксплуатация беспилотников в электросетевом комплексе России.// «Электроэнергия», № 6, 2011 г. 3. Инновационные и отраслевые решения с использование беспилотников (проект СъемкаСВоздуха.РФ) - http://rusdrone.ru/otraslevye-resheniya/monitoring-lep.html 4. Барбасов В.К., Орлов П.Ю., Руднев П.Р., Гречищев А.В. Применение малых беспилотных летательных аппаратов для съемки местности и подготовки геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 7. № 2. С. 61-66. 6. Барбасов В.К., Гречищев А.В. Мультироторные беспилотные летательные аппараты, представленные на российском рынке: обзор // Инженерные изыскания. 2014. № 8. С. 27-31. 7. Шабанова А.Р., Толстой И.М., Лебедев И.В. Способ построения безопасных траекторий движения беспилотного летательного аппарата при мониторинге линий электропередач в условиях влияния электромагнитных полей - Способ построения безопасных траекторий движения беспилотного летательного аппарата при мониторинге линий электропередач в условиях влияния электромагнитных полей (cyberleninka.ru) 8. Сайт компании Геоскан - https://www.geoscan.aero/
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! КОНТАКТНАЯ КАРТА Баженова Светлана Александровна – г.Екатеринбург, Лицей 110 им. Л.К. Гришиной, 10 «М» класс Телефон для связи: 8-950-547-62-02 Silver.130307ab@gmail.com Баженова Алёна Александровна – г.Екатеринбург, Лицей 110 им. Л.К. Гришиной, 10 «М» класс Телефон для связи: 8-950-547-60-27 Shadow.130307ws@gmail.com
