晴雨两用清洁能源服、节水栽培系统......这些优秀作品展现学子“绿色思维”|我为“双碳”献一策②
2023-05-14 18:53:48 百度新闻
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落实“双碳”行动，共建美丽家园！2022年，市教委、市生态环境局等10部门共同组织开展了2022年上海市青少年“双碳”方案提案大赛，鼓励同学们立足自身，发掘、研究身边的“绿色”议题，围绕垃圾分类、节能降碳、生物多样性、资源循环利用等领域，提出相应的解决方案。经过层层筛选，在来自115所学校的229份作品中，共评选出特等奖8个、一等奖8个、二等奖8个、三等奖16个。
【资料图】
这些优秀作品，生动展现了上海学校生态文明建设和青少年积极参与生态环境保护的丰硕成果。即日起，我们推出“我为‘双碳’献一策——上海市青少年‘双碳’方案提案大赛优秀作品联展”，精选进入决赛的优秀作品，引领更多青少年和公众将建设美丽中国转化为自觉行动。
本期为本次案例联展的第二期，来自九所学校、不同年龄段的沪上学子们带来了他们的优秀作品，聚焦新能源、人工智能、节水循环等领域，通过智慧创想、科技发明响应“双碳”号召，下面让我们来深入了解一下本期优秀案例吧~
全天候晴雨两用清洁能源服
【选送学校】东华大学
【小组名字】joker
【小组成员】林绍妹
光伏发电作为一种革命性的发电技术，提供持续性的清洁能源，能够缓解人类对于化石能源的需求，降低二氧化碳排放，实现“碳中和”的目标。然而其受到天气的影响较大，在阴雨天或光照不足的情况下，难以稳定有效地工作。因此，探索多模电源管理，在“双碳”绿色技术创新中尤为重要。
本发明旨在开发一种新型复合能源转化器件，其在太阳光或者下雨的条件下，利用光电转换、机械能和电能转换等原理，收集雨水和太阳光的能量，无论晴雨，全天候为智能服装提供能源。
本作品以高性能纤维织物为衬底，分别构筑柔性太阳能电池、新型费马螺旋能源纱线，突破纤维织物光电转换、机械摩擦、压电转换及服装电力传输收集储存等关键技术，完成服上发电储能、传感演示系统，为个人智能装备提供全天候的绿色能源保障。
节水灌溉系统设计和验证
选送学校：上海市黄浦区蓬莱路第二小学
小组名称：云胜队
小组成员：沈幼竹、张芷尧
该节水灌溉系统由栽培单元与循环水分配系统组成。项目设计的栽培单元作用于容纳植物和土壤，并保存植物生长所需的水分。试验结果表明，与土表灌溉相比，栽培单元具有良好的保湿效果，能帮助幼苗生长。栽培单元由回收利用的可降解材料制成（如快递包装纸盒等），在植物根系长至能自行吸收地下水时将自然降解，不影响后续生长。
栽培单元实物模型（方形）
栽培单元原理图
循环水分配系统用于收集和向栽培单元分配水分。水分收集源自社区排水系统（灰水、雨水等），存储在集水桶中，根据植物种类和气候等因素智能控制，向植物精准分配必要的最少水量，避免“大水漫灌”。此外，在植物需要化肥、药物时，也可通过节水灌溉系统精准注入，并有效控制在植物根部附近，减少对土壤和地下水的污染。
节水灌溉系统实物模型
节水灌溉系统原理图
节水灌溉系统的模型
马桶智能合盖冲水装置
——智能节水小卫士
选送学校：华东师范大学第二附属中学附属初级中学
小组名字：绿水青山队
小组成员：陈思哲、符均粲
这款马桶智能合盖冲水装置，可以方便地安装在普通马桶上，实现自动合盖和智能冲水，并具有节水的功能，是一款环保低成本的“智能节水小卫士”。
马桶智能合盖冲水装置实物图
装置中集成了人体红外感应模块来检测是否有人在使用马桶，用压力传感器来判断使用马桶的情况；并安装了三色指示灯来显示其运行状态；内置电池模块可以让装置方便快捷地安装在现有的马桶上，无需更换家中已有的马桶，是一种低碳环保的解决方案。
马桶智能合盖冲水装置内部元器件
该装置具备自动合盖的功能，可以避免马桶中的液体被溅出，智能冲水的功能可以解决忘记冲马桶等问题，并能够根据马桶的使用情况软件精确控制冲水的时间来实现节水功能；该装置还可以应用到医院、商场等人员流动频繁场合的马桶上，智能化的设计以实现人们无需触碰马桶水箱盖的冲水按钮就能进行冲水的功能，还能减少各类病毒传播的风险。
马桶智能合盖冲水装置安装效果
基于储水再利用的卫生间节水系统
选送学校：上海市世外中学
小组名：小水滴
小组成员：祝轩城
节约用水已经成为了我们的日常习惯。然而，生活中有一个场景，却会产生浪费水的无奈情况：那就是淋浴之前，热水还没从龙头里流出来，只能眼睁睁看冷水哗哗地流走。是不是很可惜呢？有人说，那不如用个水桶接水吧？可是，在淋浴房或浴缸里放个水桶，既不雅观也不方便，盛的水也容易被污染。
那有没有一个举手之劳可以节约用水的办法呢？
项目组开动脑筋，构思了一个先储水、再利用的方法。以下黄色框出的部分就是卫生间水路改造思路了。
首先，要有一个装有浮球阀的储水箱：根据家庭水管容积的计算和实验，一个三口之家每天淋浴需要30升储水量，大约是50x30x20立方厘米大小的体积。这样的水箱可以放在洗手台盆下方的橱柜内，隐蔽、不占额外空间。为了防止水溢出，本发明在进水口设计了浮球阀。它是纯机械结构的，无需电源，水位上涨到箱顶时，浮球上升即可关闭注水孔。
在淋浴冷热水调节龙头和花洒之间安装一个三通龙头，增加一条通往储水箱的水管。三通龙头可以让冷水先流向储水箱而不是花洒，等到水温足够高时，再切换回花洒淋浴。原来的淋浴龙头和冷热进水管都不需改动。
在通往储水箱的水管上安装一个水流及水温指示器。它全身防水，也不需要电源，利用电磁感应原理，靠水流推动叶轮把动能转化为电能。里面的热敏电阻传感器，可精确到0.5摄氏度。当水流过时，面板上即可显示当前水温；如果数字熄灭了，说明储水箱已满。淋浴的人看着这个指示器，就知道要不要切换到花洒出水。
通过隔膜泵和水龙头来实现抽水再利用功能。隔膜泵是一个微型真空泵，内部的机械装置使得内部隔膜做往复运动，在进口处形成负压，出口处形成正压，让水流从进口流向出口。出口水管连着水龙头，龙头一开，隔膜泵自行启动。龙头关闭了泵就停止工作。以16瓦隔膜泵为例，出水量能达到2.7升/分钟。抽完30升水箱，隔膜泵耗电量为3瓦时，一年耗电量仅1.1度，但一年节约用水量却有11吨！
以下为该发明的1:1实物图！为了能够演示储水再利用的全套功能，还配置了一个水源箱，放上潜水泵，就能模拟自来水源供水。
地铁隧道活塞风收集发电系统
【选送学校】上海市延安实验初级中学
【小组名字】启航小队
【小组成员】刘丞洲、仇广霆
项目组成员在乘坐地铁时发现，地铁列车在隧道里行驶过程中，尤其是车辆到站和离站的时候，空气强流动会形成大风。
因此项目组成员想到如此大流量的风力除了使地铁站空气流通外，是否还可以进一步利用呢？
他们设想在地铁隧道内安装风力发电的组件，通过风力发电给隧道内的检修灯基广告灯箱供电，尤其是隧道内的广告灯，无需持续发亮，在地铁运载乘客经过时点亮即可，既达到广告效应也可以节约用电。
地铁隧道活塞风风向研究：一般情况下，列车运行时，列车前面的空气会被推挤到列车的两侧和上方，再绕流到车后，就如乘坐汽车时，手伸出窗外，手可以感受到风是向车后吹的。
但当地铁车辆在隧道中通过时，车厢高速向前行驶，挤压列车前的空气，由于地铁隧道壁的限制，被挤压的大部分空气不能绕流到车后，而是被列车推挤向前，地铁列车后方则出现负压旋涡，会有相应的空气被引入隧道，从而产生与列车前进方向一致的活塞风。
地铁活塞风风力情况：活塞风会随车速提高而增大，地铁一般时速为60-80km/h，最大时速80-100km/h，产生的活塞风速大约为15-20m/s。在列车进入隧道一段时间后，活塞风会达到一个稳定流状态，活塞风风压也会稳定不变。从经济角度出发，风速大于4m/s时可适用风力发电，地铁活塞风风力值具备风力发电的条件。
根据前期收集分析的数据，为了有一个更好地直观效果，项目组按设计理念搭建了模型。根据隧道活塞风的风向、风力发电装置与列车相对安装。
地铁交通网已遍布上海，利用地铁运行中产生的活塞风进行发电，前景广阔。既可以减少辐射和空气污染，达到碳减排的目的，也可以增强经济效应。需要持续稳定供电的区域，可以安装小型蓄电池，风力发电装置发电后储存在蓄电池内，需要时再由蓄电池供电。
基于arduino单片机的教室智能照明系统设计
【选送学校】上海市娄山中学
【小组名字】“smart”小组
【小组成员】蔡弈凡、郑楚煌
从早上第一个同学进入教室打开教室所有的灯，到放学最后一个同学离开关上灯，近10个小时的时间，教室的照明灯常常一开就是一整天，即使天气晴朗或者是教室人少的情况也是如此。
我国虽然是能源大国，但是人均能源储备量却较少，目前仍以火力发电为主要的发电方式（如2022年8月，火力发电占到全国发电的72.6%）。查阅资料发现通过燃烧煤炭进行火力发电，不仅会消耗大量能源还会增加碳排放排，根据计算，教室照明每节约一度电就可以减少997克的二氧化碳排放。
有没有办法可以使得教室照明更加“聪明”呢？人工智能来助力！
项目组基于教室原有的照明控制系统，根据学生在班级人数变化，运用 arduino 单片机技术设计两种教室智能照明系统并进行仿真模拟，达到根据不同条件自动调节局部灯光亮度的技术，既能节能减排，又能满足教室照明的需求。
智能计数与照明亮度自动调节系统在教室每个座位上安装一枚电阻式薄膜压力传感器，通过传感器检测压力达到计算区域内人数的功能，系统根据事先设定好的数值调整上方灯具的开关与照明亮度。
智能计数与照明亮度自动调节系统流程
设计利用乐高型积木拼搭教室模型，kt板做天花板，天花板中间安装led灯，每个座位上贴上一枚电阻式薄膜压力传感器，玩偶模拟学生，从而进行仿真实验。经过系统仿真与调试，实现了智能计数下的照明亮度自动调节功能。
智能计数与照明亮度自动调节系统仿真与调试效果
智能感光与照明恒亮度自动调节系统则是在教室照明灯具安装光敏电阻光照亮度检测模块，检测相应范围的光照亮度是否超过恒亮度范围，自动关闭或调整灯具亮度，使该区域光照亮度能处于恒亮度值范围。
智能感光与照明亮度自动调节系统流程
在教室模型天花板上安装光敏电阻，用拉开／拉上窗帘模拟室外光线变化，经过系统仿真与调试，智能感光的照明亮度自动调节也得到实现。
智能感光与照明亮度自动调节系统仿真与调试效果
本设计也适用于大学自修教室、图书馆等场所，通过自动控制照明开关亮度达到节电的效果，减少能源的消耗和污染物的排放，做到低碳节能减排。
基于arduino的智能追踪风扇的设计与制作
【选送学校】上海市曹杨中学
【小组名字】创途
【小组成员】严漪祺郁子聃朱祺安
项目组成员在生活中观察到，一个场景为炎炎夏日，在厨房、大型物流工厂等场景中，人们双手往往无法去控制风扇的开关、风速及风向，既无法达到使人凉爽的目的，又在无形间浪费了不少电；另一场景为饲养宠物的家庭担心家中无人情况下宠物过于炎热，而宠物无法自己开关电扇。
于是项目组成员将在学校特色课程《极智创客》中所学习的科创知识、技能与方法投入实践，研发智能低碳设备。首先基于现实问题设计并发放问卷，根据调查结果进行头脑风暴，提出多种设计方案，再自主阅读相关资料进行学习，对各种元器件进行初步调试来保证其能够正常工作，通过这些预实验明确了装置的基本功能和原理。
在多次讨论及测试之后，项目组成员决定基于arduino硬件开发平台，应用单片机、舵机、超声波测距传感器、红外测温传感器等多种基本元器件，设计并制作一款同时具备自动旋转、智能锁定、风速调整功能的智能风扇，从而使风扇寻找到目标后再锁定吹风，避免了常规的“摇头”功能带来的能源损失。
项目组成员先绘制电子总结构图来把脑海中的设想直观地以设计图的形式来展现，以便之后的组装工作。然后编写程序，用程序语言来实现装置功能，让装置“动起来”。最后组装电路，检验各功能效果，搭建框架，让装置成型。
装置完成后，项目组成员通过对不同距离下最适风速的研究，确定了不同风速档位，使装置能够根据目标与风扇间距离自动调整风速，兼顾了实用性、舒适性及节能性。
支持无源智能反射面的新型光伏智慧灯杆
【选送学校】华东师范大学第二附属中学
【小组名称】华二小组
【小组成员】陈茁徐思杭
智能灯杆通过综合运用全新一代信息技术，搭载智能照明、5g微基站、led大屏、充电桩、停车管理、交通标识牌等功能，实现多杆合一的一体式灯杆，从来达到减少路面立杆，释放公共空间资源的目的。
智能灯杆由于位置高，没有遮挡，是很好的太阳能板安放位置，可以充分吸收太阳能而发电。同时，智能灯杆的占地面积小，点位多，铺设移动通信基站方便，可以很好地改善手机信号的覆盖。
但是，如果移动通信终端接收到的信号质量不佳，只是通过简单地增加电磁波的发射来提升信号质量，这并非一种有效率的做法。相比之下，将散射的电磁波反射给移动通信终端才是高效率且正确的解决方案！
最后，项目组成员按照参考文献中的方法，通过智慧灯杆物联网网关对碳汇进行统一优化及计算，得出相对准确的碳汇结果，可以有效支持新型光伏智慧灯杆系统的运营方进行碳汇交易，从而获取碳汇收入，助力新型光伏智慧灯杆系统的可持续运营。
太阳能小车智能化获取
最大光照的方案研究和模型实现
选送学校：上海市建平中学
小组名字：太阳能小车智能光照项目组
小组成员：戚子盛 、孙致远
项目由“天问一号”火星探测器和火星车“祝融号”引发思考，研究太阳能供电的小车由如何从车载太阳能电池板获取最大的太阳能。
火星车“祝融号”
项目组成员想到通过一个有太阳能装置的小车模拟太空环境，由程序控制太阳能电池板，实时调整角度和位置可自动获取最大的太阳能。
中学物理知识告诉我们，当太阳能板垂直于照射的太阳光时，太阳光照强度最大，因此获得的太阳能最大化。但是在实际情况下，由于星球的公转和自转，不同的维度位置和每天不同时刻，太阳位置有所不同。
考虑到太阳能供电车在行驶过程中由于路径变化，在持续运动过程中电池板相对阳光的角度不会保持固定，由数模计算进行调整仅适合固定的太阳能电池板，因此考虑以工程学解决问题，搭建小车模型由机械臂调整太阳能电池板的角度，通过模数转换测量电压，获得最大电压的角度即是最优角度，电压过程变化的数据由ad转换电路扩展板连接树莓派主板，树莓派程序通过运算得出最佳角度，机械臂移动至最佳角度，获得最大光照。
项目组网购了小车模型，该模型小车的功能分为多部分，包括小车自身驱动、太阳能板控制、信号接受、程序控制等。
小车控制系统框
本项目首先将配件组装成四轮驱动的小车，加装太阳能板为小车提供能量，小车由太阳能提供能量通过人工控制可自由前进、倒退、转向，将树莓派主板装至小车顶部，机械臂控制太阳能电池板，机械臂由电线连接扩展板再接至树莓派主板。
小车模型软件部分基于python语言，通过树莓派中的gpio输出信号控制上述机械结构。在调整太阳能板角度的程序中，采用了转动多个电机测量不同角度电压值的方法，计算后将太阳能板移动至电压最高处，通过此方法获取最大光照。
可自动获取最大太阳能的小车模型
机械臂调整面板工作角度
碳足迹、碳普惠、碳积分……这些学子交出新提案！ |我为“双碳”献一策①
编辑：陆沈毓
上观号作者：上海教育
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