Κωνσταντίνος Κωφοτόλης, Κωνσταντίνος Πανέρης, Κωνσταντίνος Ρίζος
Αμερικανική Γεωργική Σχολή
Η εξάντληση των υδάτινων και ενεργειακών πόρων εξαιτίας της ανθρώπινης δραστηριότητας αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της σύγχρονης κοινωνίας. Για αυτόν τον λόγο αποφασίσαμε να δημιουργήσουμε ένα “έξυπνο” ροόμετρο το οποίο θα στοχεύει τόσο στην μείωση της σπατάλης νερού όσο και στην παραγωγή ενέργειας.
Το νερό είναι ένας βασικός φυσικός πόρος για όλες τις μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου. Η σημασία του στην καθημερινή μας ζωή είναι ανεκτίμητη, καθώς παίζει καθοριστικό ρόλο σε διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως η γεωργία, η βιομηχανία και η οικιακή χρήση. Χωρίς νερό, η ζωή στη Γη δεν θα ήταν βιώσιμη. Παρά την κρίσιμη σημασία του, πολλά άτομα και κοινωνίες σπαταλούν το νερό, με αποτέλεσμα την έλλειψη και την εξάντλησή του.
Ο κόσμος αντιμετωπίζει σήμερα ενεργειακή κρίση λόγω της αυξανόμενης ζήτησης ενέργειας, της εξάντλησης των μη ανανεώσιμων πόρων και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων της συμβατικής παραγωγής ενέργειας. Η υπερβολική εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα έχει οδηγήσει στην έκλυση αερίων του θερμοκηπίου και άλλων ρύπων, συμβάλλοντας στην κλιματική αλλαγή και την υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Ως εκ τούτου, υπάρχει επιτακτική ανάγκη να διερευνηθούν εναλλακτικοί τρόποι παραγωγής ενέργειας που να είναι βιώσιμοι, οικονομικά προσιτοί και φιλικοί προς το περιβάλλον.
Ο συνδυασμός των παραπάνω επιτακτικών προβλημάτων μας οδήγησε στην αναζήτηση δημιουργικών λύσεων με γνώμονα τόσο την προστασία του περιβάλλοντος όσο και την διευκόλυνση της ζωής μας.
Η υπέρμετρη κατανάλωση του νερού, δίχως αυτή να προσμετράται, αποτελεί τον κύριο παράγοντα του προβλήματος. Για αυτόν τον λόγο αποφασίσαμε να δημιουργήσουμε ενα ροόμετρο το οποίο θα μετράει την κατανάλωση του νερού σε λίτρα. Αν η μέτρηση αυτή ξεπερνάει τα προβλεπόμενα όρια σύμφωνα με τα προσωπικά δεδομένα του καταναλωτή, τότε μία ένδειξη ενεργοποιείται στη συσκευή για να ενημερώσει τον χρήστη για την υπερκατανάλωση και αποστέλλεται μήνυμα στο κινητό με τα δεδομένα της μέτρησης.
Η παρούσα ερευνητική εργασία αποσκοπεί στην ανασκόπηση και ανάλυση της παραγωγής ενέργειας διαμέσου υδροηλεκτρικών μηχανισμών σε οικιακό και εργασιακό επίπεδο. Η εργασία θα εξετάσει τις δυνατότητες αυτών των τεχνολογιών για τον περιορισμό της τρέχουσας ενεργειακής κρίσης και την προώθηση της βιώσιμης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, θα αξιολογηθούν οι προκλήσεις και τα εμπόδια στην ευρεία υιοθέτηση αυτών των τεχνολογιών και θα προταθούν στρατηγικές για την υπέρβασή τους. Παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με αυτήν την εναλλακτική πηγή ενέργειας και τις δυνατότητές της για την αντιμετώπιση της ενεργειακής κρίσης, ο κύριος στόχος μας είναι να συμβάλει στην ανάπτυξη ενός βιώσιμου και ανθεκτικού ενεργειακού συστήματος για το μέλλον.
Για να κατανοήσουμε περεταίρω την σημαντικότητα του νερού σχεδιάστηκε μια ερευνητική μελέτη για την καταμέτρηση της ποσότητας νερού που σπαταλιέται σε ένα σπίτι. Σε πρώτη φάση, προσπαθήσαμε να συλλέξουμε δεδομένα για την ποσότητα του νερού που χρησιμοποιείται σε διαφορετικές συνθήκες (σωλήνες με διαφορετικές διαμέτρους και πίεση) προκειμένου να υπολογίσουμε την μέση τιμή κατανάλωσης σε λίτρα συναρτήσει του χρόνου. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε διαφορετικές βρύσες, στις οποίες παρακολουθούσαμε τον χρόνο που χρειάζεται για την συλλογή μιας σταθερής ποσότητας νερού. Συγκρίνοντας τα δεδομένα μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα σχετικά με την ποσότητα νερού που σπαταλιέται στο σπίτι, πως αυτή εξαρτάται από τον χρόνο, τους παράγοντες που συμβάλλουν σε αυτή, καθώς και να κάνουμε συσχετισμούς με τις καθημερινες μας συνήθειες. Στόχος μας ήταν η αξιοποίηση των αποτελεσμάτων για την ρύθμιση της συσκευής μας. Ο καθορισμός μερικών ενδεικτικών τιμών μιας ισορροπημένης κατανάλωσης αποτελούν το μέτρο αναφοράς για την λειτουργία της συσκευής μας και την ενεργοποίηση της ειδοποίησης για υπερκατανάλωση. Επιπλέον μπορούμε να αξιοποιήσουμε τις μετρήσεις για τον υπολογισμό της ενέργειας που θα παράγεται.
Η έρευνα μας έλαβε επίσης χώρα σε μεγαλύτερη κλίμακα, αφού αποφασίσαμε να διεξάγουμε μετρήσεις σε σπίτια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Συγκεκριμένα διεξήχθησαν μετρήσεις για 1 εβδομάδα τοποθετώντας ροόμετρα σε όσο το δυνατόν περισσότερες σωληνώσεις και βρύσες στις οικίες μιας 3μελούς, μιας 4μελούς και μιας 5μελούς οικογένειας. Στοχεύσαμε στην αξιοποίηση μετρήσεων από πραγματικές συνθήκες που βασίζονται στις καθημερινες δραστηριοτητες των ατόμων, καλύπτοντας τις περισσότερες ομάδες ανθρώπων και οικογενειών, προκειμένου να κάνουμε ακριβείς υπολογισμούς και να καταλήξουμε σε μία προσέγγιση της κατανάλωσης νερού στα νοικοκυριά και στις δυνατότητες που αυτό προσφέρει όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας.
Για την κατασκευη του μετρητή νερού (ροομέτρου) θα χρειαστούμε:
- Τμημα σωληνα
- Καλωδια
- Προπέλα μικρού μεγέθους
- Πολύμετρο
- Arduino uno
- esp8266
- Μικρού μεγέθους inverter
Συγκεκριμένα το ροόμετρο που σχεδιάσαμε αποτελεί ένα σύστημα μέτρησης που χρησιμοποιείται για να καταγράφει την κατανάλωση νερού που διέρχεται από έναν σωλήνα. Μέσα στο σωλήνα βρισκεται μια φτερωτή η οποία περιστρέφεται με την πίεση του διερχόμενου νερού. Η φτερωτή είναι συνδεδεμένη με ένα δυναμό το οποίο μετατρέπει την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική, που αποθηκεύεται σε μια μπαταρία για μελλοντική χρήση. Επιπροσθέτως, ένας ειδικός αισθητήρας μετράει τις περιστροφές της φτερωτής και υπολογίζει την ποσότητα του καταναλισκόμενου νερού, σε λίτρα, με βάση τις μετρήσεις και τον μέσο όρο της ποσότητας του νερού ανά περιστροφή (ο οποίος υπολογίστηκε πειραματικά). Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι περιστροφές της φτερωτής ανά λίτρο εξαρτώνται από την πίεση του νερού και τη διάμετρο κάθε σωλήνα. Επομένως το πρόγραμμα για τον υπολογισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται προσαρμόζεται μετά από μετρήσεις των μεμονωμένων εγκαταστάσεων. Το σύστημα αυτό συνδέεται με ένα arduino , το ESP8266, το οποίο αξιοποιεί το διαδίκτυο των πραγμάτων για την μεταφορά πληροφοριών. Ουσιαστικά, ο αισθητήρας μεταφέρει τις πληροφοριες στο arduino το οποίο διαβάζει την ποσότητα του νερού που καταναλώθηκε. Το arduino αναλύει τις πληροφορίες και σε περίπτωση υπέρβασης του ημερήσιου ορίου (ημερήσια ποσότητα νερού σε λίτρα) που έχει τεθεί από τον χρήστη, ανάβει μία ερυθρή ένδειξη και στέλνει μήνυμα στη συσκευή του. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης ειδοποιείται ανά πάσα στιγμή για την υπερκατανάλωση του σπιτιού του. Για να λειτουργήσει το σύστημα το μόνο που χρειάζεται είναι να συνδεθεί ο χρήστης στην εφαρμογή ARDUINO (για Android και Apple) και να συνδέσει την συσκευή ESP8266 με το δικτυο του σπιτιού του. Στη συνέχεια, από την στιγμή που θα τοποθετηθεί η κατασκευή, θα είναι έτοιμη προς λειτουργία.
// Define the digital input pin for the optical sensor const int sensorPin = 2;
// Define the digital output pin for the red LED const int redLedPin = 12;
// Counter for the number of impeller revolutions volatile int impellerCount = 0;
void setup() { // Initialize the serial communication Serial.begin(9600);
// Set the sensor pin as an input pinMode(sensorPin, INPUT_PULLUP);
// Set the red LED pin as an output pinMode(redLedPin, OUTPUT);
// Attach an interrupt to the sensor pin to detect changes in the sensor output attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(sensorPin), countImpeller, FALLING); }
void loop() { // Check if the impeller has turned 7,000 times if (impellerCount >= 7000) { // Send a message to the user Serial.println("Impeller has turned 7,000 times!");
// Turn on the red LED
digitalWrite(redLedPin, HIGH);
} }
void countImpeller() { // Increment the impeller counter impellerCount++; }
Αυτός ο κώδικας ορίζει έναν ακροδέκτη ψηφιακής εισόδου για τον οπτικό αισθητήρα και έναν ακροδέκτη ψηφιακής εξόδου για την κόκκινη λυχνία LED. Επίσης, αρχικοποιεί έναν μετρητή για τον αριθμό των στροφών της φτερωτής και συνδέει μια διακοπή στον ακροδέκτη του αισθητήρα για να ανιχνεύει αλλαγές στην έξοδο του αισθητήρα.
Η συνάρτηση loop() ελέγχει αν η φτερωτή έχει περιστραφεί 7.000 φορές (ο αριθμός περιστροφών που επιλέξαμε εμείς και είναι προσαρμόσιμος ανάλογα με τις μεμονωμένες σωληνώσεις και συνθήκες πίεσης), και αν ναι, στέλνει ένα μήνυμα στο χρήστη και ανάβει την κόκκινη λυχνία LED. Η συνάρτηση countImpeller() καλείται από τη διακοπή όταν αλλάζει η έξοδος του αισθητήρα και αυξάνει τον μετρητή της φτερωτής.
Η κατασκευή που περιγράψαμε παραπάνω, πράγματι, έχει πολυάριθμα καινοτόμα χαρακτηριστικά. Το σημαντικότερο από όλα είναι η εξοικονόμηση της ενέργειας από το τρεχούμενο νερό στους σωλήνες. Τόσα χρόνια η αξιοποίηση της μηχανικής ενέργειας των υδάτων που εισέρχονται και εξέρχονται από τα σπίτια έμενε αναξιοποίητη, για αυτόν τον λόγο και δεδομένου της ενεργειακής κρίσης που πλήττει τον πλανήτη μας αποφασίσαμε να δημιουργήσουμε αυτή την συσκευή. Ουσιαστικά, μέσω της κίνησης της προπέλας (λόγω των τρεχούμενων νερών) η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και ύστερα αποθηκεύεται στην μπαταρία καθιστώντας την κατασκευή μας πλήρως αυτόνομη.
Επιπλέον, ένα εξίσου σημαντικό χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι η συσκευή προγραμματίζεται ανάλογα με τις ανάγκες του καταναλωτή. Το μοναδικό που χρειάζεται να επιτελέσει ο ίδιος είναι να ορίσει μια ποσότητα σε λίτρα ως το μέγιστο όριο που επιθυμεί να καταναλώνεται ωστε όταν την ξεπεράσει θα στέλνει απευθείας μήνυμα στον καταναλωτή οπουδήποτε και αν βρίσκεται. Η εγκατάσταση της συσκευής σε διάφορα μέρη του σπιτιού είναι, επίσης, πολύ εύκολη καθώς μπορεί είτε να τοποθετηθεί σε μεμονωμένες παροχές νερού (βρύσες) αλλά και σε σωλήνες, στους οποίους είναι δυνατό να προστεθούν παραπάνω κομμάτια. Με αυτόν τρόπο θα ελέγχεται και η γενική κατανάλωση αλλά και η ατομική σε συγκεκριμένα μέρη από συγκεκριμένους παρόχους.
Αυτό που επίσης είναι απαραίτητο να σημειωθεί είναι ότι μας βοηθάει εξαιρετικά και στους τομείς της οικονομίας και της προστασίας του περιβάλλοντος. Ειδικότερα, είναι ευρέως γνωστό πως οι τιμές των λογαριασμών του ρεύματος και του νερού έχουν ανέβει στα ύψη τα τελευταία χρόνια, με αποτέλεσμα όλο και περισσότεροι άνθρωποι να προσπαθούν όσο μπορούν να μειώσουν τα γενικά τους κόστη. Αυτό που τους λείπει μονάχα είναι μία συσκευή που να τους θυμίζει συνεχώς τον στόχο αυτόν που έχουν θέσει, ότι δηλαδή είναι αναγκαίο να καταναλώνουν όσο γίνεται λιγότερο νερό. Συνεπώς, γίνεται αντιληπτό ότι αυτή η κατάσταση βοηθάει εξαιρετικά και στην προστασία του περιβάλλοντος. Είναι δεδομένο ότι εάν οι άνθρωποι συνεχίσουν να καταναλώνουν αλόγιστα και άσκοπα το νερό τότε σε λίγα μόνο χρόνια το πόσιμο νερό στον κόσμο μας θα έχει εξελιχθεί σε ένα δυσεύρετο αγαθό. Για αυτό, λοιπόν, τον λόγο καθίσταται απαραίτητη η πλήρης αξιοποίηση της συσκευής μας και η εγκατάστασή της σε όλα τα νοικοκυριά. Τέλος, η συσκευή μας μπορεί να εφαρμοστεί σε εργασιακούς χώρους όπου θα παρακολουθείται η κατανάλωση νερού σε μεγαλύτερη κλίμακα.
Allen, Robert C., et al. "Municipal Water Conservation Policies: A Case Study of Denver, Colorado." Journal of the American Water Resources Association, vol. 54, no. 6, 2018
Brouwer, Roy, and David L. Feldman. "Water conservation policy: the case of California." Water Policy, vol. 19, no. 5, 2017
Cramer, Lauri, and Megan R. Welsh. "Public opinion and behavior on water conservation: a review of research." Journal of Environmental Management, vol. 197, 2017 Davis, Lucas W. "The Effectiveness of Energy Efficiency Programs." Journal of Economic Literature, vol. 55, no. 4, 2017 EIA. "U.S. Energy-Related Carbon Dioxide Emissions, 2020." U.S. Energy Information Administration, 7 June 2021, www.eia.gov/environment/emissions/carbon/.
United Nations. "Water and Energy." UN Water, 2014. https://www.unwater.org/publication_categories/water-and-energy/.
Link για το tinkercad στο οποίο σχεδιάστηκε το blueprint: https://www.tinkercad.com/things/lVQ84MiTtyZ/edit