Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2: Tổng quan về cấp độ hệ thống

Chương 2: Tổng quan về cấp độ hệ thống

Tải bản đầy đủ - 0trang

Vì Đại học Santa Clara có một ví dụ lý tưởng về lắp đặt năng lượng mặt trời thương mại,

chúng tơi có thể tiến hành thử nghiệm với mức giá hợp lý mà không tốn bất kỳ khoản tài trợ

nào cho việc đi lại và



tạo ra một hệ thống thử nghiệm nguyên mẫu đầy đủ. Như có thể thấy trong Hình 3, SCU

có hàng trăm tấm pin mặt trời được triển khai trên các mái nhà của các cơ sở khác

nhau.

Hình 3: Mảng năng lượng mặt trời kích thước thương mại được

lắp đặt tại SCU6

Một ví dụ về mảng thương mại là lắp đặt năng lượng mặt trời trên nhà để xe của trường đại

học, như trong Hình 4. Nhà để xe của trường đại học có một dãy hơn 1200 tấm trên đầu. Mỗi

mảng bảng điều khiển có thể được sử dụng để kiểm tra thiết bị sau khi hoàn thành. Những

tấm pin mặt trời này được lắp đặt trên cấu trúc kim loại khung xương, giới hạn khả năng tiếp

cận cho nhân viên bảo trì con người.

Hình 4: Tấm pin mặt trời phía trên gara đỗ xe của SCU (Ảnh

nhóm)

Chúng tơi muốn có sự sạch sẽ nhanh hơn, ổn định hơn so với lao động thủ công và loại bỏ

các mối lo ngại về an toàn liên quan đến việc làm sạch các tấm pin mặt trời ở những nơi nguy

hiểm. Chúng tôi mong muốn thiết bị làm sạch toàn bộ một dãy pin mặt trời, tăng hiệu quả của

tấm pin mặt trời sau khi làm sạch và đưa ra mức giá cạnh tranh cho số lượng tấm pin được

làm sạch. Hệ thống cũng phải phù hợp



với tuổi thọ của một tấm pin mặt trời, khoảng 30 năm. Và để phù hợp với tình trạng

hạn hán của bang California, chúng tơi tìm cách sử dụng lượng nước tối thiểu trong

quy trình làm sạch.

2.2 Nghiên cứu thị trường



2.2.1 Mơ tả khách hàng



Khách hàng chính:



Khách hàng chính của chúng tơi cho sản phẩm này là các công ty vận hành mảng năng lượng

mặt trời thương mại lớn. Các cơ sở này có số lượng lớn các tấm pin để tạo ra lượng năng

lượng mặt trời đáng kể. Các công ty vận hành các mảng này có động lực cao để giữ cho các

tấm pin mặt trời của họ hoạt động với hiệu quả tối đa. Các cơng ty này có cả các nguồn lực và



khuyến khích để thực hiện sản phẩm của chúng tôi. Mong muốn hàng đầu của các cơng ty này

là giảm thiểu chi phí nhân cơng và nhiên liệu liên quan đến các phương pháp làm sạch hiện tại.



Khách hàng thứ cấp:



Thiết kế sản phẩm có thể mở rộng để sử dụng cho việc lắp đặt bảng điều khiển năng

lượng mặt trời dân cư. Điều này càng làm tăng thị trường tiềm năng cho sản phẩm này.

Chủ sở hữu nhà ở mong muốn rằng thiết kế làm hài lòng mắt và loại bỏ các rủi ro thương

tích liên quan đến chủ nhà làm sạch bảng của họ.



Khách hàng đại học:



Yêu cầu khách hàng đại học kêu gọi làm cho sản phẩm sẵn sàng nhất có thể để sản xuất

hàng loạt. Làm điều này đòi hỏi phải làm cho sản phẩm có tính thẩm mỹ nhất có thể và dễ

dàng gắn kết nhất có thể. Bằng cách đó, sản phẩm đã sẵn sàng để sản xuất hàng loạt và

sử dụng rộng rãi.



Bảng 1: Phân tích nhu cầu của khách hàng chính, phụ và đại học



Nhu cầu khách hàng chính



* Trọng tâm chính liên quan đến việc cải thiện hiệu quả, sử dụng năng lượng và chức năng.



Nhu cầu khách hàng thứ cấp



* Trọng tâm chính liên quan đến việc cải thiện



bền vững và hiệu quả chi phí.



Nhu cầu khách hàng đại học



* Trọng tâm chính liên quan đến việc cải thiện dễ dàng



xuất và thị trường.



2.2.2 Cuộc thi



Hiện tại có một số giải pháp để loại bỏ ảnh hưởng của việc làm bẩn trên các tấm pin mặt

trời. Các lựa chọn cho các giải pháp làm sạch tự động rất nhiều nhưng không thực tế cho

hầu hết các ứng dụng. Các hệ thống tự động hiện tại, chẳng hạn như Kolchar X2 do SolBright và Ecoppia E4 tạo ra, rất lớn và đắt tiền, như trong hình 5. Các hệ thống này thường

chỉ khả thi ở các trang trại năng lượng mặt trời lớn, nơi số lượng lớn các tấm được làm sạch

chi phí lớn của họ. Khi nói đến việc làm sạch các tấm pin mặt trời ở quy mô nhỏ hơn, các hệ

thống kém hiệu quả khác thường được sử dụng.



Hình 5: Hệ thống làm sạch Ecoppia E47(Được sao chép mà không được phép)



Phương pháp phổ biến nhất là làm sạch thủ cơng; điều này đòi hỏi đội ngũ công nhân phải làm

sạch bảng. Các hệ thống làm sạch tự động có sẵn cho các hệ thống bảng năng lượng mặt trời



có quy mơ nhỏ hơn là các hệ thống, chẳng hạn như hệ thống phun nước do Heliotex sản xuất,

có thể khơng hiệu quả và lãng phí như trong Hình 6.

Hình 6: Hệ thống phun nước Heliotex8(Tái sản xuất mà không được phép)



2.3 Thiết kế phác thảo hệ thống Thiết kế

ban đầu của thiết bị là một bàn chải lăn chạy dọc theo một mảng các tấm pin mặt trời, như

trong Hình 7. Thiết bị sẽ gắn vào mảng bằng các con lăn kẹp khung của các tấm và sử dụng

chúng làm đường ray để cuộn dọc bảng điều khiển. Hệ thống làm sạch bảng điều khiển bằng

bàn chải xoay để loại bỏ bụi hoặc mảnh vụn. Lý tưởng nhất là thiết bị sẽ không sử dụng nước

và không cần kết nối với bất kỳ nguồn nước nào.



Hình 7: Hình ảnh khái niệm thiết kế hệ thống SPACE



Hệ thống của chúng tôi sẽ được triển khai trên các mảng năng lượng mặt trời có kích thước

thương mại, chẳng hạn như các mảng được tìm thấy trong khuôn viên trường học và các công

ty. Người dùng thiết bị sẽ cài đặt hệ thống lên một mảng các bảng và để nó ở đó. Thiết bị sẽ tự

chạy, khơng cần sự giám sát hay bảo trì của con người.

2.4 Phân tích chức năng

Đối với thiết kế ban đầu của chúng tôi, chúng tôi đã phát minh ra một hệ thống di chuyển dọc

theo chiều dài của một mảng, làm sạch toàn bộ mảng. Thiết kế này được lựa chọn chủ yếu vì

sự đơn giản của nó. Các hệ thống con thành phần của nó đã được quan sát để hoạt động tốt

trong các ứng dụng khác. Thiết bị di chuyển trên một dãy các bảng và làm sạch bằng cách sử

dụng một loạt các bàn chải. Hệ thống sẽ di chuyển bằng bánh xe cao su mềm được điều

khiển bởi động cơ điện. Hệ thống bàn chải xoay sẽ được gắn trên một trục quay cũng được

quay bằng động cơ truyền động chính. Sử dụng một động cơ duy nhất là lợi thế cho cả chi phí

và đơn giản. Tuy nhiên, động cơ truyền động sẽ cần phải cung cấp mô-men xoắn cao để hoạt

động hiệu quả. Để giảm căng thẳng cho cả hệ thống và bề mặt bảng điều khiển, một loạt các

chu trình làm sạch nhẹ hơn sẽ được sử dụng thay vì làm sạch mạnh hơn. Thiết bị này sẽ chạy

trên một hàng các bảng và trở về vị trí ban đầu.



Thiết bị sẽ được cung cấp năng lượng bởi một pin bên trong. Vào cuối mỗi chu kỳ làm sạch,

hệ thống sẽ trở về trạm nối ở cuối bảng điều khiển nơi nó sẽ sạc lại pin. Hệ thống dock sẽ

hoạt động như một nền tảng mở rộng bên cạnh các tấm để cho phép hệ thống di chuyển khỏi



bề mặt bảng để nó khơng cản trở ánh sáng mặt trời từ bất kỳ phần nào của bảng. Pin sẽ có

tuổi thọ hoạt động ngắn hơn so với phần lớn các thành phần khác. Việc thay pin cứ sau vài

năm sẽ là một phần trong yêu cầu bảo trì của sản phẩm.



Thiết kế cuối cùng là một sự tinh chỉnh của khái niệm thiết kế ban đầu. Hệ thống sử dụng một

bàn chải cơ giới để làm sạch bề mặt của bảng điều khiển. Hệ thống được di chuyển dọc theo

bảng điều khiển bởi hai bộ bánh xe cơ giới, với một bộ nằm ở hai đầu của thiết bị. Toàn bộ hệ

thống được điều khiển bởi động cơ DC mô-men xoắn cao nhỏ gọn. Hệ thống sử dụng một

cặp hộp số tùy chỉnh để truyền năng lượng cơ học đến bánh xe và hệ thống làm sạch.

Hình 8: Thiết kế cuối cùng (hình ảnh CAD chế tạo trước)



Thiết bị lấy năng lượng từ bộ pin sạc bên trong. Hiện tại khơng có giải pháp tự động

để sạc hệ thống; tuy nhiên, hệ thống sạc cũng như khái niệm trạm docking đã được

xác định là mục tiêu phát triển trong tương lai.



Một vỏ bảo vệ bên ngoài đã được trang bị cho hệ thống để cải thiện tuổi thọ của thiết bị và

hệ thống con của nó. Được cấu tạo bằng acrylic trong suốt, vỏ bảo vệ hệ thống khỏi mưa và

các mảnh vụn đồng thời cho phép ánh sáng mặt trời xuyên qua, giảm thiểu mọi tác động đến

sản xuất năng lượng mặt trời. Thiết kế của vỏ được thiết kế lại trong quá trình sản xuất để

cho phép chế tạo dễ dàng hơn. Thiết kế mới được phản ánh trong Hình 9.



Hình 9: Ngun mẫu cuối cùng



Tồn bộ hệ thống được điều khiển bởi một bộ vi điều khiển trên tàu được ghép nối với bộ điều

khiển động cơ chuyên dụng. Hệ thống điều khiển này có thể tự động hóa hồn tồn quy trình

làm sạch của hệ thống với khả năng lên lịch làm sạch tại bất kỳ thời điểm nào.

2,5 Kết quả điểm chuẩn

Việc giảm hiệu quả lớn của các tấm pin mặt trời từ việc làm bẩn là một hiện tượng nổi tiếng

và làm sạch các tấm pin mặt trời khơng phải là một khái niệm mới. Có một thị trường cạnh

tranh cho các giải pháp giữ cho các tấm pin mặt trời hoạt động với hiệu suất cao nhất, bao

gồm các thiết bị tự động làm sạch nhiều tấm pin mặt trời.



Phương pháp phổ biến nhất để làm sạch các tấm pin mặt trời là lao động thủ công. Lao động

thủ công liên quan đến chủ sở hữu các tấm pin mặt trời, hoặc một cơ quan bên ngoài, làm

sạch các tấm pin của họ bằng các phương pháp tương tự được sử dụng để làm sạch kính.

Mặc dù đây là một cách hiệu quả để khơi phục các tấm pin mặt trời với hiệu quả tối ưu của

chúng, có một số nhược điểm khi sử dụng lao động thủ công.



Một vấn đề lớn là sự an toàn của người lao động. Các tấm pin mặt trời thường được đặt ở

những nơi khó tiếp cận mà khơng có lối đi an tồn để chất tẩy rửa hoạt động hiệu quả. Một

vấn đề khác là tần suất làm sạch. Do việc thuê người dọn dẹp để liên tục bảo trì các tấm pin

có thể tốn kém và mất thời gian, chủ sở hữu các hệ thống năng lượng mặt trời thường sẽ

làm sạch các tấm pin của họ chỉ một



hoặc hai lần một năm (Jeffrey Charles, Giám đốc Cơ sở SCU, Truyền thông Cá nhân, ngày 30

tháng 10 năm 2015). Vì số lượng ngâm trên bảng điều khiển tăng hàng ngày, các bảng nên

được làm sạch mỗi vài ngày để duy trì hiệu quả cao nhất. Nếu việc làm sạch được thực hiện ít

thường xuyên hơn sẽ sử dụng ít năng lượng hơn cho việc làm sạch, nhưng mất điện do các

tấm pin mặt trời không hoạt động hết hiệu quả. Tần suất làm sạch lý tưởng rất khó để ước tính

vì tốc độ làm bẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trường địa phương. Thời gian làm sạch cơ bản

trong hai tuần là đủ cho hầu hết các lắp đặt năng lượng mặt trời.



Một giải pháp thị trường hiện tại khác để giữ cho các tấm pin mặt trời sạch sẽ là các thiết bị

làm sạch tự động. Một ví dụ về một thiết bị làm sạch tự động hiện có là Kolchar X2 được tạo

bởi Sol-Bright. Thiết kế làm sạch các tấm pin mặt trời bằng cách di chuyển theo chiều ngang

trên một loạt các tấm pin mặt trời, làm sạch các tấm pin khi nó di chuyển. Một ví dụ khác là

Robot E4 được tạo bởi Ecoppia. E4 được thiết kế để làm sạch các mảng năng lượng mặt trời

trong điều kiện sa mạc. Nó di chuyển theo chiều dọc trên các tấm pin mặt trời, qt sạch bụi

khi nó di chuyển.



Các trình dọn dẹp bảng điều khiển tự động tồn tại có vấn đề khiến chúng không hấp dẫn đối

với một số khách hàng nhất định. Một yếu tố ngăn cản chính đối với nhiều khách hàng là hệ

thống chi phí đơn vị lớn. Những máy này được thiết kế để hoạt động trong các trang trại năng

lượng mặt trời lớn tồn tại ở các địa điểm xa. Giá của các thiết kế cao bởi vì chúng có thể

được bù đắp bởi số lượng lớn các tấm họ làm sạch.

Tuy nhiên, một mảng năng lượng mặt trời thương mại hoặc khuôn viên trường không có nhiều

tấm như một trang trại năng lượng mặt trời và khơng thể bù đắp chi phí cao của các máy này.

2.6 Đánh giá cấp độ hệ thống



2.6.1 Các vấn đề và ràng buộc ở cấp độ hệ thống chính

Là một hệ thống đầy đủ, thiết kế cần có khả năng kéo dài và hoạt động cho vòng đời của một

tấm pin mặt trời. Để làm cho hệ thống hiệu quả hơn về chi phí, hệ thống phải hoạt động trong



vài năm để bù vào chi phí của thiết bị. Để hệ thống hoạt động được lâu, mọi thứ trên thiết bị

phải chịu được thời tiết cũng như không bị suy giảm thời lượng pin. Hệ thống phải sử dụng

pin có tuổi thọ cao và đủ chắc chắn để khơng di chuyển trong trường hợp có bão.



Một vấn đề cấp hệ thống khác là hiệu quả làm sạch. Thiết bị phải có khả năng liên tục làm

sạch một loạt các tấm pin mặt trời mà không làm hỏng các tấm pin. Khơng có thiết bị làm sạch

nào có thể được sử dụng có thể làm hỏng bảng hoặc nhặt các hạt có thể làm hỏng bảng. Thử

nghiệm phải được thực hiện để đảm bảo đá hoặc các vật liệu khác có thể có trên các tấm pin

mặt trời khơng làm trầy xước bảng trong quá trình làm sạch.



Các yêu cầu thiết kế chính cho SPACE là hiệu quả làm sạch, sạc tự động và vận hành tự

động. Mỗi yêu cầu được chia thành các hệ thống con cần thiết và các tính năng thiết kế. Bố

cục thiết kế chung được thể hiện trong Hình 10.



2.6.2 Giao diện thiết kế cấp hệ thống



Hình 10: Bố trí thiết kế cấp hệ thống với các hệ thống

con chính



1



2,7 Quản lý nhóm và dự án



2.7.1 Những thách thức của dự án Thách thức

chính mà dự án này phải đối mặt là đảm bảo hệ thống làm sạch các tấm pin mặt trời một cách

hiệu quả mà không cần nước. Hệ thống cũng phải đối phó với các hạn chế về năng lượng và



trọng lượng nghiêm ngặt để hoạt động trên các tấm pin mặt trời. Một thiết kế bàn chải khơng

nước được chọn vì đơn giản và trọng lượng nhẹ. Để bù đắp cho việc thiếu nước, hệ thống sử

dụng bàn chải kéo sợi mềm với việc vệ sinh thường xuyên để giảm việc làm sạch cần thiết

cho mỗi lần đi qua.



Một thách thức thiết kế lớn khác là đảm bảo rằng năng lượng cần thiết để làm sạch là tích

cực về mặt năng lượng được tạo ra bởi bảng điều khiển cho mỗi chu kỳ làm sạch. Cơ chế

làm sạch đơn giản hóa cần sử dụng một động cơ duy nhất ở tốc độ tương đối thấp để giảm

mức tiêu thụ điện năng. Khung hệ thống được cấu tạo bằng nhôm để giảm trọng lượng tổng

thể của thiết bị.



2.7.2 Ngân sách Ngân

sách cho dự án được đặt ở mức khoảng $ 1300 nhưng chúng tôi đã nhận được tổng số tiền $

2100. Ngân sách này được xây dựng xung quanh chi phí nguyên mẫu ban đầu là 300 đơ la

với ngun mẫu chính có giá 600 đơ la. Số tiền còn lại được sử dụng cho các chi phí phát

triển, chế tạo và thử nghiệm khác nhau. Phân tích chi tiết hơn về ngân sách hiện tại có thể

được tìm thấy trong Phụ lục E.



2.7.3 Dòng thời gian Lịch trình

phát triển cho dự án này dựa trên đề cương được cung cấp bởi Khoa Cơ khí của Đại học

Santa Clara. Nghiên cứu ban đầu và thử nghiệm khả thi đã bắt đầu vào tháng 9 năm 2015 với

việc tạo mẫu ban đầu bắt đầu vào đầu tháng 1 năm 2016. Việc chế tạo tồn bộ các thành

phần ngun mẫu chính đã được tiến hành vào đầu tháng Hai. Tháng sau nhóm chúng tơi bắt

đầu quá trình lắp ráp hệ thống. Việc lắp ráp cuối cùng đã bị trì hỗn một chút do sửa đổi thiết

kế và các vấn đề chế tạo nhỏ. Nguyên mẫu đã được hoàn thành vào giữa tháng Tư, hơi chậm

so với lịch trình. Q trình thử nghiệm sau đó được tiến hành trong suốt phần còn lại của

tháng Tư và tháng Năm. Một dòng thời gian chi tiết hơn có sẵn trong Phụ lục D-1.



2.7.4 Quy trình thiết kế Những

cân nhắc chính của chúng tơi cho thiết kế này là tối đa hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí. Với

suy nghĩ này, chúng tơi ưu tiên thiết kế cơ chế làm sạch vớilắp và



hệ thốngđiều khiển là thứ yếu. Sau khi thử nghiệm nhiều phương pháp làm sạch trên các tấm

của Nhà mặt trời SCU 2009, một thiết kế bàn chải khơng nước đã được tìm thấy để làm sạch

đến mức đủ với chi phí tương đối thấp. Để có được chuyển động của bàn chải mong muốn,

bàn chải sẽ được gắn trên trục xoay kéo dài bảng điều khiển. Khung xe sẽ di chuyển trục dọc

theo hàng của tấm để làm sạch toàn bộ mảng. Thiết kế sẽ khá đơn giản và nên tương đối dễ

chế tạo. Sự đơn giản của thiết kế cũng sẽ làm giảm việc bảo trì cần thiết.



Hệ thống lắp đặt bao gồm một loạt các bánh xe phù hợp xung quanh các cạnh của tấm pin

mặt trời. Các bánh xe tiếp xúc với mặt trên và mặt bên của tấm. Điều này cho phép thiết kế



cuộn dọc theo các bảng trong khi ngăn hệ thống rơi khỏi bảng. Sự sắp xếp bánh xe này là

một thiết kế đơn giản và cung cấp đủ an ninh cấu trúc cho thiết kế.



Các hệ thống điều khiển được yêu cầu bởi thiết bị này là tối thiểu. Thiết bị sẽ định kỳ di

chuyển dọc theo bảng điều khiển trước khi trở về. Một vi điều khiển đơn giản là đủ để thực

hiện logic cần thiết. Thiết bị sẽ cần nhận ra thời gian chính xác để làm sạch và sau đó chạy hệ

thống làm sạch. Các cảm biến bổ sung sẽ được thực hiện trong các lần lặp lại trong tương lai

để tắt hệ thống một cách an toàn nếu phát hiện một người hoặc vật thể trên đường đi của nó.



2.7.5 Giảm thiểu rủi ro

Hệ thống làm sạch năng lượng mặt trời sẽ được triển khai trên các mái nhà và các cấu trúc

cao. Mặc dù khơng có người ở gần máy, nhưng vẫn có những rủi ro và mối lo ngại về an

tồn. Mối quan tâm chính là mối nguy hiểm tiềm tàng được trình bày cho mọi người trong

quá trình hoạt động. Thiết bị sẽ khá lớn và tự động di chuyển, vì vậy có khả năng một người

có thể đi theo đường dẫn của thiết bị. Rủi ro này có thể được giải quyết bằng cách bao gồm

một cảm biến tiệm cận để tắt hệ thống trong trường hợp một đối tượng nằm trong đường dẫn

của hệ thống.



Các hệ thống điện là một mối quan tâm an tồn chính. Với dòng điện trong hệ thống cùng với

sự tiếp xúc với thời tiết và mưa của bảng điều khiển, hệ thống phải chắc chắn. Một sự cố

ngắn trong hệ thống điện có thể là thảm họa, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho các tấm pin

mặt trời. Để tránh điều này, tất cả các hệ thống dây điện sẽ được kiểm tra bởi các nhân viên

kỹ thuật điện để đảm bảo nó được lắp đặt an tồn.



2.7.6 Quản lý nhóm

Trong giai đoạn phát triển ý tưởng của dự án, nhóm đã hợp tác trong quá trình động não. Điều

này trình bày một vài vấn đề khi có những bất đồng liên quan đến ý tưởng thiết kế nào được

tiến hành. Những lợi ích và hạn chế cho từng ý tưởng đã được thảo luận trước khi khái niệm

cuối cùng được chọn. Nhìn chung, phương pháp này cho phép đa dạng nhất về ý tưởng và

phản hồi nhiều nhất về từng khái niệm.



Đối với thiết kế hệ thống, các thành viên nhóm riêng lẻ đã được chọn để thiết kế từng hệ

thống con cụ thể. Điều này cho phép giai đoạn thiết kế của dự án tiến hành nhanh chóng với

các thành viên trong nhóm làm việc độc lập. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tái cấu trúc để đảm

bảo mỗi thiết kế tương thích với các thiết kế khác trước khi tiến hành chế tạo.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2: Tổng quan về cấp độ hệ thống

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×