XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
проект "Анемона"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Использование всё большего количества возобновляемой энергии – это важная задача для будущего. Обеспечение всеобщего доступа к недорогим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех – цель Устойчивого развития.
Сейчас человечеству доступны различные источники возобновляемой энергии, но все они имеют проблемы. Это связано не столько с самим источником, сколько с преобразователем получаемой энергии. Такими преобразователями являются ветрогенераторы, гидрогенераторы, солнечные батареи и другие. Все они кроме достоинств имеют и недостатки. Они могут ломаться, загрязняться, занимают большую площадь, их надо утилизировать и прочее, прочее. Каждый из преобразователей имеет свои минусы.
В данном проекте мы хотели бы решить несколько проблем, связанных с преобразователями солнечной энергии – солнечными батареями.
Одна из проблем, на которую мы обратили внимание – это хрупкость панели. При неблагоприятных условиях – град, пыльная или песчаная буря, ураган, панель может быть разрушена или потерять целостность – разбиться.
Вторая проблема – панели занимают большую площадь поверхности земли или водоема (если установлены на воде).
И третья – при загрязнении поверхности эффективность работы солнечной батареи сильно падает, поэтому их надо периодически очищать от загрязнений. А это дополнительные расходы.
Мы предлагаем роботизированный комплекс, который позволит решить все эти проблемы.
Актуальность.
То, что солнечные панели, находясь на улице загрязняются и занимают много места – это известные факты. А вот о том, что панели могут пострадать от погодных условий сообщают не очень часто, хотя такие явления не редки. В ноябре 2020 года крупный град в Австралии уничтожил огромное количество солнечных панелей. Сила ударов была столь велика, что градины пробивали панели насквозь. (Приложение 1. Рисунок 2). А была бы возможность убрать их, то они бы сохранились. В других регионах бывают пыльные и песчаные бури, ураганы, снег. Таким образом, возможность уберечь панели от разрушения является актуальной во многих местах, где солнечные батареи активно используются.
Цель проекта: создать прототип роботизированного устройства, позволяющего уберегать солнечные панели от воздействия отрицательных факторов внешней среды, уменьшить площадь их размещения и при необходимости проводить очистку панелей в автоматическом режиме.
Для достижения цели проекта были поставлены следующие задачи:
1. Провести исследование рынка современных систем защиты солнечных панелей от вредных факторов внешней среды, если такие системы существуют. Рассмотреть различные аппараты по очистке солнечных панелей от загрязнения, проанализировать все плюсы и минусы имеющихся аппаратов. Изучить системы складывания панелей для экономии места.
2. Составить техническое задание. Приобрести необходимые материалы.
3. Собрать конструкцию.
4. Создать систему управления.
5. Написать необходимую программу.
6. Испытать прототип. Внести необходимые изменения.
7. Сделать выводы.
Для реализации поставленных задач мы разбили проект на несколько этапов:
Этап 1. Исследовательский
На данном этапе мы рассмотрели основные места расположения солнечных электростанций, их основные проблемы и выяснили, какие роботы и механизмы применяются при очистке батарей
Проблемы солнечных электростанций можно условно разделить на несколько групп:
1. Технико-технологические проблемы.
А. Высокая стоимость производства (постепенно снижается) и проблемы с утилизацией.
Б. Низкий КПД – (5-25%).
В. Малое количество производимой энергии на единицу площади занимаемой поверхности.
2. Локальные и глобальные проблемы.
1. Занимают большую площадь.
2. Слабая защищенность от природно-климатических факторов.
3. Снижение эффективности при загрязнении.
Варианты загрязнения:
1. Пыль. (Приложение 1. Рисунок 2).
2. Песок. (Приложение 1. Рисунок 3).
3. Снег. (Приложение 1. Рисунок 4).
4. Птицы. (Приложение 1. Рисунок 5).
Причины повреждений:
1. Сильный ветер с камнями и мусором. (Приложение 1. Рисунок 6).
2. Град. (Приложение 1. Рисунок 7).
3. Ураган. (Приложение 1. Рисунок 8).
4. Перегрев и самовозгорание. (Приложение 1. Рисунок 9).
Аналоги:
Среди разнообразия всех солнечных батарей наиболее близок к создаваемому прототипу оказалась солнечная панель в виде цветка (Приложение 1. Рисунок 10). Данная солнечная панель способна складываться и уменьшать воздействие на неё вредных факторов. Но, полностью от повреждений это её не защитит.
По данным из некоторых источников, эффективность загрязненных панелей снижается на 35%. Поэтому их лучше очищать, проще говоря мыть.
Для очистки панелей от грязи сегодня используется множество различных устройств, в том числе и роботизированных.
Мы условно выделили 4 типа устройств для очистки панелей:
1. Робот, установленный на большой панели. Стационарный. (Приложение 1. Рисунок 11).
2. Переносной робот между панелями. «Ходит» только по панелям своего типа. (Приложение 1. Рисунок 12).
3. Универсальный робот. Устройство способное самостоятельно передвигаться по любым панелям. (Приложение 1. Рисунок 13).
4. Моющее механическое устройство. (Приложение 1. Рисунок 14).
5. Ручная мойка, в том числе и с применением механизмов (Приложение 1. Рисунок 15).
Этап 2. Проработка технического задания прототипа.
Мы решили, что наша система должна иметь возможность выдвигать и убирать солнечные панели при необходимости и во время движения может мыть или протирать их. Наиболее близким «устройством», осуществляющим подобные движения, является морская актиния иногда называемая – морская анемона, за схожесть с цветком. Отсюда и название проекта. Данное животное способно прятать и выдвигать щупальца, спасаясь от хищника или при питании. Мы решили использовать тот же принцип.
Суть идеи в том, что при неблагоприятном прогнозе погоды или при сработке датчиков, солнечные панели «прячутся» в жесткий корпус, защищающий их от повреждения, а в нормальных условиях они находятся снаружи. При движении вверх и вниз они могут быть очищены от пыли и грязи. Раскладывание панелей и их очистка могут происходить с любым временным интервалом. Например, 1 раз в неделю или каждый день.
Так как панели имеют прямоугольную форму мы решили, что оптимальной формой защитного кожуха будет восьмигранник, вдоль граней которого расположатся солнечные панели, панели соединены попарно.
Внутри расположится система омывания. Для экономии воды система должна работать в замкнутом цикле, а значит нужен резервуар для воды. Мы решили сделать его прямо внутри кожуха. Это придаст системе мобильности и компактности.
Этап 3. Приобретение деталей и сборка.
На предыдущем этапе мы определились с основной конструкцией, сделали эскизы конструкции и необходимых деталей.
В качестве основной колонны был использован сотовый поликарбонат. Он достаточно легко принимает нужную форму, а «соты» имеют вид рельсов, по которым будут двигаться панели.
В качестве тянуще/толкающего механизма был взят шаговый мотор типа Нема 17 от 3D принтера с червячной передачей. Он легко подключается и регулируется. Остальные элементы напечатаны на 3d принтере из материала – ПЭТG. Швы герметизированы автомобильным герметиком-прокладкой.
Система разбрызгивания воды и щетки взяты автомобильные. Там имеется всё в полном комплекте – насос, шланги, форсунки. Все детали закреплены на направляющих.
Для управления была выбрана Ардуино-нано с мотор-шилдом на 12В. Для симуляции день/ночь установлен датчик освещенности. Контроль подъема и опускания выполнены с помощью концевых выключателей.
Для определения скорости ветра приобрести датчик не удалось так как они либо большие, либо дорогие, либо фэйковые. Датчик сделан самостоятельно из ветрогенератора. В зависимости от скорости ветра генератор выдаёт различный электрический ток. Его величина фиксируется и при превышении определенных параметров панели убираются.
На одном из держателей установлен термодатчик. Он касается панели. При превышении заданной температуры датчик даст команду на складывание анемоны.
Мы сделали внешнее питание так как для работы требуется достаточно мощный источник тока, а демонстрация модели чаще происходит в помещении, где недостаточно света для зарядки аккумуляторов.
Программа управления написана на языке Ардуино IDE.
Этап 4. Испытания и выводы.
В ходе проведения испытаний система показала себя великолепно. Батареи поднимались и опускались, мылись так как было задумано.
Выводы:
1. Система достаточно проста, компактна и работоспособна.
2. Созданное устройство полностью удовлетворяет заложенным в неё требованиям – защищает и очищает солнечные панели в автоматическом режиме.
3. Управление не требует сложной электроники и ПО.
4. Система является мобильной и занимает почти в 5 раз меньше площади, чем те же панели, разложенные на поверхности. (Приложение 2, Схема 1).
5. Мы использовали настоящие солнечные панели и наш прототип способен вырабатывать электричество. Прямо сейчас он готов работать для выработки электрической энергии и защищен от вредных факторов внешней среды.
Перспективы:
1. Сейчас, когда появляется много гибких панелей, можно сделать складку/раскладку панелей более эффективной, типа зонтика. Это даст возможность при занимаемой малой площади поверхности земли сделать панели большой площади.
2. В настоящий момент проект доработан. Сделана система управления и контроля с удаленного рабочего места. Программа реализована на языке Python.
Команда и различные этапы работы проекта «Анемона» представлены на скриншотах с видео (Приложение 1. Рисунок 16).
Видео (4 минуты) с рассказом о проекте, доступно по ссылке - https://disk.yandex.ru/i/Ce_nXtNL2xdqRg
Используемы источники и литература.
1. https://tk.media/news/v-avstralii-vypal-anomalno-krupnyy-grad-i-probil-kryshi-domov-2020-11-01
2. https://habr.com/ru/post/370605/
3. https://www.entrepreneur.com/article/278951?source=ent_footer_image
4. https://www.megadosya.org/solar-panel-optimisation
5. https://habr.com/ru/post/370605/
6. https://www.huffpost.com/entry/elon-musk-tesla-puerto-rico-renewable-energy_n_5ca51e99e4b082d775dfec35?browser=Ritsbrowser
7. Puerto Rico solar panel destruction from hurrihttps://bedrockgs.com/markets/resilience-r2/cane Maria
8. https://zen.yandex.ru/media/solarnews/toksichnaia-zelenaia-energetika-5e40f573338f3513f5e9e6d0
9. https://sun9-60.userapi.com/impf/c621930/v621930331/1fb3d/npMwKF5bhXY.jpg?size=604x453&quality=96&sign=93cf00449de18058bdc3275840cde4d2&type=album
10. https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/1657335/pub_5d020f1e20166300af221364_5d020f21ed991600af59d783/scale_1200
11. https://newatlas.com/ecoppia-e4-ketura-sun/31428/
12. https://steemit.com/steemhunt/@zohaib336/gekko-solar-farm-roboter-2-000-m2-h-solar-cleaning-capacity-robot
13. http://www.cleannow.ru/forumsfoto/big83211998391-1461076080.jpg
14. https://sunnik.com.ua/wp-content/uploads/2019/04/Sunbrush_compact-1024x513.jpg
Приложение 1.
Рисунок 1. Последствия града в Австралии 2020 год.
Рисунок 2. Пылевое загрязнение солнечной
Рисунок 3. Загрязнение батареи песком после бури.
Рисунок 4. Снег.
Рисунок 5. Загрязнение панелей птицами.
Рисунок 6. Повреждение панелей камнями.
Рисунок 7. Повреждение панелей градом. Канберра 2020 год.
Рисунок 8. Последствия урагана в Пуэрто-Рико.
Рисунок 9. Самовозгорание панелей от перегрева. Китай.
Рисунок 10. Складывающаяся панель – цветок.
Рисунок 11. Стационарное моющее устройство.
Рисунок 12. Переносное моющее устройство.
Рисунок 13. Универсальный робот.
Рисунок 14. Моющий механизм.
Рисунок 15. Ручная и механизированная мойка.
Рисунок 16.
Этапы работы прототипа роботизированного устройства, позволяющего уберегать солнечные панели от воздействия отрицательных факторов внешней среды, уменьшить площадь их размещения и при необходимости проводить очистку панелей в автоматическом режиме.
Видео о работе проекта по ссылке:
https://disk.yandex.ru/i/Ce_nXtNL2xdqRg
Приложение 2.
161
110
60
67
Схема 1.
Размер 1 солнечной панели – 60*110 мм.
Общая площадь 16 панелей составит – S1 = 60*110*16 = 105600 мм2
Площадь восьмиугольника составляет –
S2 = 2*4489*2,41 = 21674 мм2
(R описанной окружности – 85 мм)
Таким образом, разница занимаемых площадей составит –
S1/S2 = 105600/21674 = 4,87 или около 5 раз.