XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Очистка солнечных панелей. Автоматизированная установка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Большаков А.В. 1Гавриленко П.А. 1Казанцев А.В. 1Комиссаров Р.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

К 2030 году ожидается, что энергия от солнечных панелей достигнет 10% от мирового производства электроэнергии. Большая часть, находится в пустынных районах. В жарких странах, где их использование наиболее эффективно, панели быстро покрываются пылью.

Накопление пыли на солнечных панелях серьезной проблемой — всего за один месяц она может снизить мощность фотоэлектрических панелей на целых 30% й, поэтому для таких установок необходима регулярная очистка.

Мы изучили, каким образом производится очистка солнечных панелей. Для очистки требуется около 40 миллиарда литров воды в год. Это много: столько питьевой воды хватило бы 2 миллионам человек. А если чистить механически, панели можно поцарапать. Очистка воды составляет около 10% эксплуатационных расходов солнечных установок.

Цель: создать модель установки, демонстрирующую одновременную очистку и диагностику солнечных панелей.

Задачи:

Изучить виды загрязнений.

Исследовать виды пыли.

Изучить способы очитки солнечных панелей и выявить их недостатки.

Исследовать виды поломок солнечных панелей.

Узнать, устройство и принцип работы тепловизора

Разработали чертеж модели.

Сконструировать модель установки.

Написать программу для демонстрации проекта.

При написании работы в рамках исследования мы использовали следующие источники: При создании механизма руководствовались книгой идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной 2 робототехнике. [2]

Глава 1. Крупные популярные солнечные станции

Солнечный парк Тэнгэр (Tengger Desert Solar Park), крупнейшая СЭС в мире.

Местонахождение: Китай.

Площадь объекта: 43 кв. км.

Мощность генерации - 1547 МВт.

Солнечный парк Тэнгэр, также известный под названием "Великая солнечная стена", расположен в городской округе Чжунвэй, Нинся-Хуэйского автономного района КНР. СЭС находится на территории пустыни Тэнгэр, занимая около 3,25% ее площади. (Рисунок 1.1, Приложения) [3]

Солнечная электростанция Лунъянся (LongyangxiaDamSolarPark).

Местонахождение: Тибетское нагорье, Китай.

Площадь объекта: около 30 кв. км.

Мощность генерации - 850 МВт.

Солнечная электростанция Лунъянся расположена в китайской провинции Цин хай, на западной стороне одноименной гидроэлектростанции мощностью 1280 МВт и образует с ней единый энергетический комплекс. СЭС и ГЭС дополняют друг друга: гелиоустановки помогают экономить водные ресурсы гидроэлектростанции, а та, в свою очередь, компенсирует перепады при выработке энергии солнечными панелями. (Рисунок 1.2, Приложения) [3]

Солнечная электростанция Камути (Kamuthi Solar Power Station).

Местонахождение: штат Тамил-Наду на юге Индии.

Площадь объекта: около 10 кв. км.

Мощность генерации - 648 МВт.

На объекте насчитывается 2,5 млн солнечных панелей, электричества от которых хватит на 750 тыс. человек. Панели ежедневно очищаются роботами, которые сами тоже заряжаются от солнечной энергии. (Рисунок 1.3, Приложения) [3]

Солнечная электростанция Solar Star (в переводе - солнечная звезда). Крупнейшая СЭС в США.

Местонахождение: штат Калифорния, США.

Площадь объекта: около 13 кв. км.

Мощность генерации - 580 МВт.

Строительство СЭС началось в 2013 году, а завершилось в 2015-м. На объект насчитывается 1,7 млн солнечных панелей, которые в состоянии обеспечить электричеством примерно 255 тысяч домохозяйств. С помощью этого и других проектов власти Калифорнии планируют к 2045 году полностью перевести штат на альтернативную энергетику. (Рисунок 1.4, Приложения) [3]

Солнечный парк Бхадла (Bhadla Solar Park), крупнейшая СЭС Индии.

Местонахождение: штат Раджастхан, Индия.

Площадь объекта: 40 кв. км.

Мощность генерации - 1365 МВт.

Солнечный парк Бхадла расположен в округе Джодхпур в индийском штате Раджастхан на северо-западе страны. На сегодняшний день мощность СЭС составляет около 1365 МВт, но объект продолжает расширяться, планируется вывести на проектную мощность в 2 255 МВт. Таким образом, солнечный парк Бхадла имеет шансы завоевать титул крупнейшей СЭС в мире. С его помощью Индия планирует добиться амбициозной цели - получать от гелиоустановок 17% производимой в стране электроэнергии. (Рисунок 1.5, Приложения) [3]

Глава 2. Виды загрязнений. Виды пыли.

На работу солнечных панелей оказывают влияние различные виды загрязнений. К ним относятся пыль, грязь, капли воды, песок, пепел, осадки, содержащие разнообразные вещества и микроэлементы, соль и другие элементы, препятствующие попаданию света на панели. Данные факторы следует учитывать, так как они могут повлиять на производимую мощность, затемнять поверхность панели, нагревать ее, либо отклонять лучи от нее, что может существенно снизить производительность установки. Но основной причиной загрязнения солнечных панелей является пыль. [4]

Металлическая пыль

Форма пыли, с которой вам, вероятно, придется иметь дело на одном этапе, - это металлическая пыль, которая может появиться при сверлении и раскалывании металла. Это может стать серьезным раздражителем легких и вызвать проблемы с горлом. Они также очень токсичны, поэтому очень важно надевать респиратор, когда вы имеете дело с металлом, чтобы избежать любого повреждения легких.

Примеры металлической пыли включают частицы никеля, кадмия, свинца и бериллия. [5]

Минеральная пыль

Минеральная пыль обычно поступает со строительных площадок, горнодобывающих и производственных предприятий. Примеры минеральной пыли включают уголь, цемент и любую пыль, состоящую из кристаллического кремнезема. [5]

Бетонная пыль

Наконец, очень распространенная проблема - бетонная пыль. Он относится к категории минеральной пыли, но заслуживает отдельного абзаца. В неподходящей среде он может быть очень токсичным. Продолжительное воздействие приводит к состоянию, известному как силикоз. Это вызвано вдыханием слишком большого количества кварцевой пыли, выходящей из бетона. Кроме того, это может вызвать рубцевание легких, что приводит к раку легких. [5]

Пластиковая пыль

Это намного чаще, чем вы могли ожидать, и может произойти, когда стекло объединяется для ткания в ткань в самом общем смысле. Некоторые люди считают, что это может стать респираторной проблемой для легких, поэтому мы рекомендуем вам надевать маску, когда вы работаете с этим видом продукта, чтобы избежать раздражения. [5]

Резиновая пыль

Распространенная ошибка, которую люди склонны думать, состоит в том, что резина не может производить какой-либо мусор или материал; Это не относится к делу. Резиновая пыль - это распространенное решение, которое накапливается в воздухе и, как правило, исходит от автомобильных шин. Они, как правило, остаются в воздухе и становятся чрезвычайно токсичным штаммом резины, который может фактически повредить вашу ДНК - это часто связано с аллергическими реакциями и приступами астмы. [5]

Древесная пыль

Самый распространенный вид пыли, с которой люди имеют дело, - древесная пыль - по сути, опилки - является распространенным раздражителем горла, который может вызвать у вас проблемы. На самом деле это может быть очень опасно, так как при вдыхании может закрыть горло. Это также связано с аллергическими реакциями, образованием слизи и даже раком - пока изучается последний из них, на всякий случай убедитесь, что вы полностью защищаете себя во время обработки древесины. [5]

Меловая пыль

Это может происходить довольно часто и, как правило, отходит от мела, когда им пользуются или стирают с доски, например. Хотя они не токсичны, они могут вызывать сильное раздражение и вызывать приступ кашля, если пыль попадет в глаза, нос или рот. Это также может вызвать боль в груди, поэтому будьте очень консервативны, когда проводите время с любым видом меловой пыли. [5]

Органическая и растительная пыль

Этот тип пыли очень распространен в доме, но его очень не замечают. Органическая пыль поступает из естественных источников, включая материалы и продукты, которые мы храним в доме. Примеры такого вида пыли включают муку, древесину, хлопок и пыльцу. Как вы понимаете, это также обычные аллергены, и я уверен, что вы знаете хотя бы одного человека, страдающего аллергией на пыльцу. [5]

Химическая пыль

Многие люди не знают, что пыль вызывают даже химические вещества, а не только жидкие частицы. Эти частицы плавают в воздухе, и когда вы их вдыхаете, от них становится плохо. Примеры химической пыли включают пестициды и частицы сыпучих химикатов[5]

Глава 3. Способы очистки солнечных панелей

Ручная химчистка солнечных батарей

Операторы используют для очистки бархатную швабру с длинной ручкой со специальным чистящим средством.

Тем не менее, существует много скрытых опасностей при ручной химической чистке солнечных батарей. разные операторы имеют разные силы и давление на компоненты, что приводит к слишком сильной деформации компонентов растрескиванию батарей. Еще одним недостатком является то, что эффект химической чистки компонентов не является хорошим. часто из-за слишком большого количества пыли на швабре на поверхности компонентов появляются следы, что приводит к большой области окклюзии теней. (Рисунок 3.1, Приложения) [6]

Ручная стирка солнечных батарей

Ручная мойка выполняется с использованием транспортных средств для хранения воды, таких как тракторы или городские разбрызгиватели, оборудованные резервуарами для воды, для очистки компонентов с разбрызгивателями под давлением, не превышающими 0,4 мпа.

Точно так же есть много скрытых опасностей в солнечных панелях, которые мыть вручную. когда давление воды на солнечная панель Модули слишком высоки, это приведет к растрескиванию солнечных панелей, и изменение давления воды в сопле не может контролироваться во время процесса. другой недостаток состоит в том, что компонент высыхает сам после стирки, и поверхность компонента будет заболочена, что представляет собой миниатюрное затенение тени относительно компонента. (Рисунок 3.2, Приложения) [6]

Механическая очистка солнечных батарей

в настоящее время уборочное оборудование, переоборудованное на технические машины в качестве носителей, обладает высокой мощностью и эффективностью, а работы по уборке имеют хорошее постоянство давления на солнечный панели. это не будет оказывать несбалансированное давление на солнечный панели, в результате чего трещины солнечный Панели и очистка могут принимать два режима: очистка и мойка. (Рисунок 3.3, Приложения) [6]

Уборка роботом

умный  робот для очистки панели. должен установить чистящее устройство на солнечная панель модуль массива и реализовать автоматическую очистку солнечная панель модуль, контролируя вращение двигателя по программе. этот метод очистки дорог и сложен в дизайне. способ установить робот-уборщик для каждого ряда солнечная панель модули в электростанции, которые могут автоматически и регулярно чистить без дежурного. равнинная местность солнечная панель электростанции могут быть использованы. (Рисунок 3.4, Приложения) [6]

Глава 4. Безводный способ с помощью электромагнита

Ученые из Массачусетского университета разработали способ очистки солнечных панелей при помощи электродов. (Рисунок 4.1, Приложения)

Безводная, бесконтактная система, разработанная командой Массачусетского технологического университета, использует электростатическое отталкивание, чтобы частицы пыли эффективно отскакивали от поверхности панели. Для этого по поверхности панели проводят электродом в виде металлического стержня, который придает частицам пыли электрический заряд. Затем на солнечную панель подается заряд, который отталкивает частицы пыли, заставляя их взлетать в воздух прочь от панели. (Рисунок 4.2, Приложения)

Накопление пыли на солнечных панелях является серьезной проблемой, поскольку она блокирует большую часть солнечного света. Поэтому солнечные панели регулярно очищаются с использованием большого количества чистой воды. Потребление воды для очистки, особенно в пустынях, представляет собой серьезную проблему для устойчивости. Здесь мы представляем безводный подход к удалению пыли с солнечных панелей с помощью электростатической индукции. Мы обнаружили, что частицы пыли, несмотря на то, что они в основном состоят из изолирующего кремнезема, могут электростатически отталкиваться от электродов благодаря индукции заряда, поддерживаемой адсорбированной влагой. Мы экспериментально определяем заряд частиц пыли– проводя эксперименты Стокса в электростатическом поле. Учитывая электростатические, ван–дер-Ваальсовые и гравитационные силы, мы определяем пороговый электрический потенциал для удаления частиц. Мы также демонстрируем удаление пыли в широком диапазоне относительной влажности, что делает наш подход широко применимым. Наконец, мы разрабатываем лабораторный прототип и демонстрируем до 95% восстановления потерянной мощности, используя наш подход. [7]

Учеными доказано, что частицы пыли, хотя и состоят преимущественно из изолирующего кремнеземного материала, могут отталкиваться от поверхностей с помощью индукции заряда с помощью влаги

 Ученые экспериментально оценивают этот заряд и показывают, что частицы пыли являются электропроводящими. 

Также они характеризуют процесс удаления пыли для различных размеров частиц и выводят выражение для напряжения, необходимого для удаления частиц. 

Показывают, что подход может восстановить 95% потерянной мощности и эффективен всякий раз, когда относительная влажность окружающей среды превышает ~ 30%. 

Обсуждается, как мы можно использовать колебания влажности окружающей среды, чтобы сделать подход широко применимым к солнечным установкам по всему миру. Учитывая значительные потери эффективности, связанные с загрязнением пылью, и связанные с этим потери воды при очистке панелей.

Глава 5. Практическая часть

5.1 Создание демонстрационной модели на базе конструктора Lego Mindstorms

Установка очистки и диагностики разработана на базе конструктора Lego MINDSTORM. В модели используется два программируемых блока EV3, три больших мотора и датчик цвета.

Первый блок EV3 отвечает за саму установку, которая размещается на солнечной панели. Солнечная панель должна быть оборудована направляющими рейками для перемещения установки. (Рисунок 5.1.1, Приложения)

Установка двигается по всей площади солнечной панели по двум координатным прямым. По координате Y перемещается установка за счёт двух больших моторов и реечной передачи. По координате X с помощью одного большого мотора и гусеницы. (Рисунок 5.1.2., Приложения)

К гусеницам над панелью установлен электромагнит, который также двигается по всей площади панели. Датчик цвета анализирует панель на наличие каких-то неполадок, таких как царапины или пыль. Если датчик находит неполадки, то он отправляет сообщение на второй блок EV3, который является оператором. (Рисунок 5.1.3., Приложения)

Мы установили ультразвуковую ванну для очистки электрода от песка.

Вся панель разделена по координате Y на 36 частей.

Сначала датчик анализирует первую часть панели, затем он проезжает вперёд и снова анализирует поверхность. Таким образом он анализирует всю поверхность и возвращается на исходную позицию. Чтобы датчик не отъехал далеко мы установили датчик касания и при нажатии, датчик цвета едет в другую сторону.

5.2. Создание программы

Программа разделена на две части:

Основная для блока на установке (Рисунок 5.2.1, Приложения)

Первая программа «Main_block» отвечает за саму установку. В данной части программы происходит движенние головки сканера, и конструкции в целом. Также тут происходит подсчет строк и подсчет ошибок. После вся информация отправляется на блок оператора.

В начале программы два блока EV3 подключаются друг к другу с помощью связи Bluetooth. Далее мотор, отвечающий за перемещение по оси Х, сбрасывает значение, чтобы установка смогла записать пройденное расстояние.

Далее мы записываем переменную «» со значением «0». После этого на блок выводится значение переменной, то есть номер строки. Конвейер движется с помощью большого мотора, до того как не нажмется датчик касания. После этого, измеренное мотором количество градусов, выводится по шине данных в большой мотор - конвейер движется такое же расстояния.

После этого установка перемещается по оси Y, с помощью блока «рулевое управление». Далее с помощью блока «Математика» мы прибавляем единицу, тем самым увеличивая количество строк с каждым витком цикла.

Цикл завершается по датчику касания, после того, как установка проедет до конца, датчик касания приводится в состояние «1», и установка вернется на измеренное расстояние в исходную точку по оси Y

В режиме многозадачности, мы параллельно прошлой программе, с помощью блока «Обмен сообщений» пересылаем значение номера строки и результат датчика цвета. С помощью блока «переключатель» датчик цвета определяет наличие поломки, если обнаружен черный цвет то посылается сообщение с логическим значением «Истина», если цвет не обнаружен то «Ложь».

Программа для блока оператора (Рисунок 5.2.2, Приложения)

Вторая программа «Control_block». В данной программе вся информация, переданная с главного блока, отображается на экране, а именно, информация о том сколько строк пройдено и строки ошибок. Также при появлении ошибки звучит звук.

Также нами быи созданы блоки ля удобной настройки. Они предназначены для запуска и выставления имени блока оператора. (Рисунок 5.2.3, Приложения)

Заключение

Изучив тему производства электроэнергии, мы узнали, что солнечные панели — являются ведущими по возобновляемым источникам энергии во всем мире, но у этой технологии есть некоторые проблемы – регулярная очистка и диагностика. В ходе исследования мы узнали, что загрязнение солнечных панелей является масштабной проблемой.

Мы изучили, какие бывают физические повреждения солнечных панелей и их причины, а также виды внешних загрязнений, в особенности изучили виды пыли.

Особое внимание мы уделили способам очистки. Узнали, что в основном используется механический способ очистки с применением воды, а это пагубно влияет на продолжительность работы солнечных панелей.

Наша команда разработала установку для безводной системы очистки и без механического воздействия. Помимо очистки наша установка производит диагностику солнечной панели, что помогает вовремя устранить неполадки.

Автоматизированная установка является:

1. Безводной системой очистки, что экономит до 40 млрд воды в год.

2. Бесконтактной – не нарушает целостность панелей.

3. Автоматической, может работать по таймеру, без участия человека.

4. Оснащена тепловизором, что позволяет диагностировать поломку солнечной панели.

5. Система позволит сократить эксплуатационные расходы, повысить эффективность и надежность солнечных установок.

Мы надеемся, что наша идея “Установка для очистки и диагностики солнечных панелей” будет реализована.

Список литературы

Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3. 181 удивительный механизм и устройство / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручева]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 232 с.

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с

https://nag.ru/material/33394

https://panor.ru/articles/vliyanie-okruzhayushchey-sredy-na-rabotu-solnechnykh-paneley/4305.html#:~:text=На%20работу%20солнечных%20панелей%20оказывают,может%20существенно%20снизить%20производительность%20установки

https://toolsdoctor.com/ru/different-types-of-dust-and-health-effects/

https://ru.bluesunpv.com/blog/_b101

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0078

Приложения