Sistem Penyiram Automatik: Bateri Hilang Kuasa dalam Dua Hari
Pasukan Robotik membina sistem penyiram automatik untuk kebun herba sekolah. Sistem menggunakan pam DC 12 V yang menarik arus 1.2 A, pengawal berasaskan Arduino dengan purata penggunaan 0.4 W, bateri asid plumbum 12 V 7 Ah, dan panel solar 10 W yang menerima purata empat jam sinaran efektif sehari. Pam ditetapkan beroperasi 20 minit sehari dan kecekapan pengecasan sistem dianggarkan 70 peratus. Selepas dua hari, voltan bateri jatuh kepada 11.2 V dan pam gagal beroperasi pada waktu pagi. Panel dipasang rata di atas bumbung bilik darjah dan sebahagiannya terlindung oleh tangki air pada sebelah petang. Wayar yang digunakan ialah 0.75 mm2 dan fius 5 A dipasang pada talian pam. Guru mencadangkan menambah bateri kedua tanpa mengubah panel solar.
1. Kira keperluan tenaga harian sistem dan tenaga yang boleh dijana panel. Tentukan sama ada panel 10 W sepatutnya mencukupi, kemudian jelaskan percanggahan antara pengiraan itu dengan simptom yang berlaku.
Read the worked answer
Penggunaan harian
- Pam: 12 V × 1.2 A = 14.4 W; 20 minit = 0.333 jam; tenaga = 14.4 × 0.333 = 4.8 Wh.
- Pengawal: 0.4 W × 24 jam = 9.6 Wh.
- Jumlah = 14.4 Wh sehari.
Penjanaan
- Panel: 10 W × 4 jam = 40 Wh; selepas kecekapan 70 peratus = 28 Wh sehari.
Autonomi bateri
- 12 V × 7 Ah = 84 Wh; pada kedalaman nyahcas 50 peratus untuk bateri asid plumbum = 42 Wh boleh guna; 42 ÷ 14.4 ≈ 2.9 hari tanpa cas.
Secara teori panel 28 Wh melebihi keperluan 14.4 Wh, jadi bateri sepatutnya kekal dicas. Simptom menunjukkan sebaliknya, maka andaian dalam pengiraan tidak menepati keadaan sebenar. Punca yang paling munasabah: panel terlindung tangki air pada sebelah petang sehingga jam sinaran efektif jauh kurang daripada empat jam; panel dipasang rata tanpa sudut ke arah matahari; bateri sudah tua dan kehilangan kapasiti; atau waktu operasi pam sebenarnya lebih lama daripada yang ditetapkan. Ukur arus panel pada waktu tengah hari, semak tetapan pemasa, dan uji kapasiti bateri sebelum membuat sebarang pembelian.
2. Nilai cadangan guru untuk menambah bateri kedua tanpa mengubah panel solar. Adakah ia menyelesaikan masalah? Cadangkan tindakan yang lebih berkesan.
Read the worked answer
Cadangan itu tidak menyelesaikan masalah. Menambah bateri hanya menambah simpanan, bukan penjanaan. Jika panel sebenarnya hanya menghasilkan, contohnya, 10 Wh sehari sedangkan beban 14.4 Wh, defisit harian 4.4 Wh akan terus terkumpul. Bateri yang lebih besar hanya melanjutkan masa sebelum kegagalan - mungkin daripada dua hari kepada empat atau lima hari - dan selepas itu sistem gagal semula. Kos tambahan juga meningkat tanpa menyelesaikan punca.
Tindakan yang lebih berkesan, mengikut keutamaan:
- Pindahkan atau tinggikan panel supaya bebas daripada bayang tangki air, dan condongkan pada sudut kira-kira 10 hingga 15 darjah ke arah khatulistiwa. Ini menambah jam sinaran efektif dengan kos hampir sifar.
- Kurangkan beban pengawal: gunakan mod tidur antara bacaan sensor, yang boleh menjimatkan sebahagian besar daripada 9.6 Wh sehari.
- Gantikan pemasa tetap dengan sensor kelembapan tanah supaya pam hanya beroperasi apabila perlu, bukan setiap hari.
- Barulah pertimbangkan panel yang lebih besar (contohnya 20 W) atau bateri tambahan, selepas dua langkah pertama dilaksanakan dan diukur.
Prinsipnya: betulkan punca defisit tenaga dahulu, kemudian baru tambah kapasiti simpanan.
3. Tentukan sama ada fius 5 A dan wayar 0.75 mm2 sesuai untuk talian pam. Tunjukkan pengiraan dan beri cadangan.
Read the worked answer
Fius: arus operasi pam 1.2 A. Fius biasanya dipilih antara 1.5 hingga 2 kali arus operasi, iaitu sekitar 2 A. Fius 5 A terlalu besar: jika pam tersekat dan menarik arus 3 A, fius tidak akan putus, dan motor berpusing tanpa air akan menjadi panas sehingga terbakar. Fius 2 A melindungi pam dan juga wayar. Fius perlu dipasang sedekat mungkin dengan terminal positif bateri supaya wayar dilindungi sepanjang laluan.
Wayar 0.75 mm2: kerintangan kuprum kira-kira 0.0175 ohm mm2/m, jadi rintangan setiap meter = 0.0175 ÷ 0.75 = 0.0233 ohm/m. Bagi larian 10 m, panjang pergi balik 20 m, rintangan = 0.47 ohm. Susut voltan = 1.2 A × 0.47 ohm = 0.56 V, iaitu kira-kira 4.7 peratus daripada 12 V - masih boleh diterima. Jika kabel dipanjangkan kepada 20 m, susut menjadi kira-kira 1.1 V (9 peratus), dan pam mungkin gagal bermula.
Kesimpulan: wayar 0.75 mm2 memadai untuk arus 1.2 A pada jarak 10 m, tetapi fius 5 A mesti ditukar kepada 2 A. Jika kabel perlu melebihi 15 m, gunakan 1.5 mm2 untuk mengekalkan susut voltan di bawah 5 peratus.