XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Диагностика солнечных панелей. Автоматизированная установка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Панин М.В. 1Созонов Р.А. 1Шумилова А.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.5 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. Диагностика солнечных панелей тепловизорными камерами

1.1. Методы проверки тепловизорными камерами

Тепловизорное обследоване позволяет выявить температурную разницу в солнечной панели, которая возникает под действием внешнего тока, или при освещении панели. При тепловизорное обследование солнечных панелей в темноте, наружное освещение отсутствует, поэтому нужно использовать блок питания с током (Рисунок 1.1.1 Приложение )[5]

При обследовании панелей на улице, следует проводить замеры в солнечный и безоблачный день, с минимальным уровнем освещенности 700 Вт / м2. Угол между тепловизором и солнечной панелью должен быть близким к 90 °, но не менее 60 °. При осмотре необходимо избегать отражений от окружающих предметов и зданий, в том числе самого оператора (3). Тепловизорное обследование с задней стороны солнечных панелей более точное, по сравнению с передней.

Когда уровень освещения равномерный и стабильный, температура солнечных ячеек может отличаться лишь на пару градусов. Если модуль коротко замкнутый, присутствуют дефекты, температура может колебаться гораздо шире. Но, следует учитывать, что температурный градиент, особенно на крышах, может составлять до 15 ° на 8 м, или 3-5 ° на одном модуле, в результате тепловой конвекции. (Рисунок 1.1.1 Приложение) [5]

1.2. Особенности устройства телевизорных камер

Тепловизор   это устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее как цветная картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета. Изучение тепловых изображений называется термографией. (Рисунок 1.2.1, Приложения) [3]

Особенности устройства телевизорных камер устройство, предназначенное для преобразования оптического изображения, получаемого при помощи объектива на мишени вакуумной передающей трубки или на полупроводниковой матрице в телевизионный видеосигнал или цифровой поток видеоданных. Комбинация телекамеры с устройством записи видеосигнала называется видеокамерой или камкордером.Устройства, не оснащённые видеомагнитофоном или другим запоминающим блоком, используются до сегодняшнего дня в крупных телекомпаниях для многокамерных съёмок в студии или для съёмок телефильмов в декорациях. Студийные телекамеры часто оснащаются телесуфлёром для удобства работы дикторов — такие камеры называют «дикторскими». Передающие камеры вещательного уровня, оснащаемые вариообъективами большой кратности, используются для съёмок спортивных соревнований и других массовых мероприятий. Многокамерная съёмка не требует записи изображения каждой камеры: выбор нужного плана осуществляется режиссёром на видеомикшере, а записывается или выдаётся в эфир уже смонтированный сигнал. Поэтому для такой технологии удобнее телекамеры, не оснащённые индивидуальным устройством записи. Многие производители телевизионного оборудования выпускают телекамеры модульной конструкции, пригодные как для стыковки с накамерным записывающим устройством, так и для работы в составе студийного комплекса. В последнем случае камера соединяется через адаптер и кабель с камерным каналом, представляющим собой пульт дистанционного управления параметрами съёмки. Он служит для обеспечения электропитания камеры, организации двухсторонней голосовой связи оператора с режиссёром, синхронизации от внешнего синхрогенератора и точных настроек характеристик изображения. Современный камерный канал не является неотъемлемой частью камеры, в отличие от первых камерных каналов. Для получения одинаковых параметров всех работающих камер централизованно в комплексах с большим их количеством иногда применяют главный мастер-пульт управления (Рисунок 1.2.2 Приложение) [3]

Глава 2. Основные виды и причины поломок

1. Высокие температуры. Солнечные батареи теряют свою эффективность в жаркие летние дни, что способствует их интенсивному износу! Солнечные батареи теряют в среднем около 1% эффективности в год, что считается хорошим показателем качества. (Рисунок 2.1.1 Приложение)

2. Град. Солнечная батарея, изготовленная по современным стандартам, может выдержать довольно мощный град. Большинство производителей указывают, какой именно град или шторм может выдержать их продукция. Однако довольно большая буря может нанести значительный ущерб даже очень хорошим стеклянным модулям. В Европе эту проблему минимизируют благодаря приобретению соответствующего полиса страхования. (Рисунок 2.1.2 Приложение)

3. Замерзание талой воды. Фотоэлектрический модуль, в целом, работает лучше зимой. Снег, как правило, сходит с солнечных панелей под воздействием солнечного света. Однако, при определенных условиях, например, пологом угле расположения солнечных батарей, на панелях может замерзать вода, которая при расширении повреждает поверхность панели.

4. Трещины и микротрещины на фотоэлементах. Эта проблема встречается едва ли не чаще других. Причем это основная причина потери мощности фотоэлектрических панелей. Трещины могут иметь различный характер и возникать как из-за неправильной установки оборудования, так и из-за механических повреждений. Большие трещины можно обнаружить во время очистки панелей. Выявление микротрещин возможно только благодаря специальному методу инфракрасного теста. (Рисунок 2.1.3 Приложение)

5. Горячие точки или ячейки нагрева. Горячие точки — это отдельные участки солнечной батареи с повышенной температурой. Местное повышение температуры отдельного участка является причиной снижения эффективности и ускоряет старение всей панели. Для того чтобы предотвратить образование горячих точек, стоит на этапе монтажа избегать установки панелей в затененных местах и регулярно их мыть. (Рисунок 2.1.4 Приложение)

6. Деламинирование. Так называется отслойка специальной пленки на основе пластика, которая защищает солнечные батареи от чрезмерной влажности или повреждений. Деламинирование может стать причиной не только потери производительности одного фотомодуля, но и выхода из строя части солнечной электростанции. Объясняется это спецификой коммутации солнечных панелей (параллельное или последовательное соединение). Следствием может стать короткое замыкание неизолированных контактов солнечной батареи.

7. Браунинг или просто выгорание — это процесс, который является следствием химического взаимодействия несовместимых компонентов. Поэтому фотоэлектрические модули могут перегреваться и уменьшать свою эффективность.

8. Разгерметизация. Специальное закаленное стекло способствует более длительному сроку эксплуатации монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей. Для полной устойчивости к влаге производители используют специальные герметики. Герметизируются стык алюминиевой рамы и стекла, электротехническая монтажная коробка. Сам факт разгерметизации говорит о том, что при производстве или установке солнечных панелей были нарушены технологические требования.

9. Деформация. Такая проблема может возникнуть, если при производстве солнечных фотомодулей были использованы низкокачественные комплектующие, например, профиль. Если под влиянием погодных условий деформировался фотомодуль, нужно его заменить. (Рисунок 2.1.5 Приложение)

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание демонстрационной модели на базе конструктора Lego Mindstorms

Установка очистки и диагностики разработана на базе конструктора Lego MINDSTORMS. 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 4.1.1., 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 4.1.2., 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 4.1.3., 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.

4.2. Создание программы

Программа разделена на две части:

Основная для блока на установке (Рисунок 4.2.1, 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 4.2.2, 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 4.2.3, 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. Кроме очистки наша установка производит диагностику солнечной панели, что помогает вовремя устранить неполадки. Наша 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 используемых источников

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://www.el-info.ru/prichiny-poteri-proizvoditelnosti-i-osnovnye-defekty-solnechnyx-batarej/

.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D1%80

https://greenpowertalk.tech/blog/ru/диагностика-повреждений-в-солнечных-2/+

Приложения