Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 3: Tổng quan về hệ thống con

Chương 3: Tổng quan về hệ thống con

Tải bản đầy đủ - 0trang

các yêu cầu về công suất và phần cứng cần thiết của hệ thống nén và bơm khí có thể khiến

hệ thống trở nên quá nặng và tốn kém khi sản xuất.



Hình 11: Thiết kế cọ được chọn được cài đặt trên Prototype



Các tùy chọn cho phương pháp làm sạch chủ yếu là các tùy chọn khác nhau để di chuyển vật

liệu làm sạch. Các tiêu chí cho phương pháp làm sạch cũng giống như các tiêu chí cho vật liệu

làm sạch. Các tùy chọn được xem xét là một trục nằm trên bảng và xoay tròn, một đĩa di

chuyển sang bên như máy đệm, khóa áp dụng áp suất không đổi trên bảng và kéo vật liệu làm

sạch qua nó tương tự như chổi quét và hệ thống nhỏ giọt rò rỉ dung dịch làm sạch xuống các

cạnh của bảng điều khiển. Một trục quay nằm trên bảng điều khiển đã được chọn vì tính hiệu

quả đã được chứng minh trong các hoạt động như rửa xe.



Các tùy chọn cho mỗi phương pháp được đánh giá bằng cách sử dụng ma trận lựa chọn.

Ma trận lựa chọn cho hệ thống con làm sạch có thể được nhìn thấy trong Phụ lục C-2.



3.1.3 Làm sạch mô tả thiết kế hệ thống con



Hệ thống con làm sạch cuối cùng bao gồm các bàn chải được quay với tốc độ RPM nhanh

hơn các bánh xe của hệ thống để cung cấp một chuyển động quét để loại bỏ bụi bẩn và bụi

bẩn trên bề mặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Bàn chải cung cấp một phương pháp

làm sạch mà không làm hại bề mặt kính của bảng điều khiển, cũng như loại bỏ sự cần thiết

của nước.



Do chiều dài của hệ thống, một chiếc bàn chải có thể kéo dài chiều dài của tấm pin mặt trời

phải được sản xuất. Bàn chải được sản xuất từ bàn chải con lăn hiện có được bán thay thế

cho bàn chải chân khơng. Bàn chải máy hút bụi cung cấp một tùy chọn làm sạch có thể

được quay để cung cấp độ sạch nhất quán trên toàn bộ bảng điều khiển. Mặc dù đường

kính của



bàn chải phù hợp với mục đích sử dụng của nó, nhưng các bàn chải phải được sửa đổi để cho

phép chúng được kết nối với nhau để kéo dài chiều dài của hệ thống. Các sửa đổi đối với bàn

chải bao gồm cắt giảm các đầu của ống để giảm thiểu khoảng cách giữa các bàn chải và đảm

bảo làm sạch kỹ lưỡng hơn cũng như khoan lỗ một inch vào mỗi bên để cho phép kết nối các



ống với nhau. Các ống được kết nối với nhau bằng các phần nhỏ của trục được sử dụng làm

ốc vít giữa mỗi phần ống.



Khi tồn bộ cụm bàn chải được gắn chặt với nhau, nó được kết nối với thiết bị bằng các tấm

bánh răng. Một lần nữa các trục nhỏ hơn được sử dụng để kết nối bàn chải làm sạch vào

hộp số cho phép chúng xoay khi được điều khiển bởi hệ thống. Con lăn bàn chải và kết nối

với hộp số có thể được nhìn thấy trong Hình 12.

Hình 12: Giao diện hệ thống / Hộp số làm sạch



3.1.4 Phân tích chi tiết hệ thống làm sạch



Trong khi thiết kế hệ thống và thu thập nghiên cứu về thử nghiệm, vật liệu được sử dụng cho

hệ thống con làm sạch đã được phân tích để tìm ra sự lựa chọn tốt nhất. Các vật liệu khác

nhau được đánh giá bằng cách tìm ra vật liệu nào được cung cấp sạch hơn. Hiệu suất của

từng vật liệu được dựa trên khả năng làm sạch của nó trên các tấm pin của Solar House,

được đo bằng Hệ thống năng lượng Tigo. Các vật liệu được thử nghiệm là một cây chổi, sử

dụng nước đơn giản, sự kết hợp của nước với miếng bọt biển và cuối cùng là dùng cây lau

nhà khơng có nước.



Kết quả từ thử nghiệm cho thấy rằng sử dụng kết hợp nước với một yếu tố làm sạch khác là

hiệu quả nhất. Tuy nhiên, thiết kế cuối cùng sử dụng hệ thống bàn chải để giảm chi phí tổng

thể.



3.1.5 Kiểm tra hệ thống con



Để xác nhận thêm các nghiên cứu thu thập được từ đánh giá tài liệu của chúng tơi, nhóm của

chúng tơi đã phân tích dữ liệu từ Nhà năng lượng mặt trời năm 2009 của Đại học Santa Clara.

Ngơi nhà có 48 tấm pin mặt trời đã hoạt động kể từ khi lắp đặt ngôi nhà trong khuôn viên

trường. Sử dụng một chương trình được tạo bởi Tigo Energy, sản lượng hàng ngày của tấm

pin mặt trời và cách ly mặt trời đã được ghi lại.



Nhóm của chúng tơi đã xác định được việc tăng năng lượng hơn 10% ngay sau khi làm sạch

các tấm pin mặt trời (xem Hình 1). Cũng cần lưu ý rằng khi nước được đổ vào bảng điều khiển



để mơ phỏng hiệu ứng mưa, chỉ có một sự gia tăng nhẹ về hiệu quả so với khi làm sạch hoàn

toàn. Một bàn chải đã được thử nghiệm mà khơng có nước để tìm đường cơ sở làm sạch mà

không cần sử dụng nước. Phương pháp này hoạt động tốt hơn chỉ là nước, nhưng tồi tệ hơn

là làm sạch hoàn toàn. Tất cả các dữ liệu được so sánh với các bảng điều khiển không được

làm sạch theo bất kỳ cách nào. Xem Phụ lục G-1 để biết dữ liệu được sử dụng trong Hình 13.



Hình 13: Cải thiện việc tạo ra năng lượng mặt trời sau khi làm sạch (Ứng dụng G-1)



Kết quả thử nghiệm quy mô nhỏ trên các tấm pin của Solar House cho thấy rằng sự kết hợp

giữa sử dụng nước và một yếu tố làm sạch khác mang lại sự sạch sẽ tốt nhất và chỉ sử dụng

một bàn chải là lựa chọn thứ hai đánh bại việc chỉ sử dụng nước. Dữ liệu được đo dựa vào

bảng điều khiển không được chạm tới. Theo hiểu biết của đội, các tấm pin trên Nhà mặt trời

chưa bao giờ được làm sạch ngoài mưa. Dữ liệu được ghi lại trong tuần tiếp theo sau khi làm

sạch. Mỗi vật liệu đã được kiểm tra khi tăng phần trăm so với bảng điều khiển. Kết quả cho

thấy sự kết hợp của nước và một yếu tố làm sạch khác cao hơn khoảng 10%, bàn chải cao

hơn khoảng 5% và mưa cao hơn khoảng 2%. Cây lau khơ khơng được báo cáo vì khơng thể

tìm thấy sự khác biệt đáng chú ý thông qua quan sát.



3.2 Phân hệ cơ điện



3.2.1 Vai trò



của hệ thống phụ năng lượng cơ học Chức năng chính của hệ thống phụ năng lượng là di

chuyển toàn bộ hệ thống dọc theo chiều dài của một mảng năng lượng mặt trời. Để đạt được

phạm vi chuyển động cần thiết, hệ thống con phải cung cấp đủ năng lượng cơ học cho khối

lượng kết hợp của hệ thống và trên các lực ma sát liên quan đến tấm pin mặt trời. Ngoài ra,

hệ thống điện phải cung cấp năng lượng cơ học để điều khiển hệ thống con làm sạch. Hệ

thống con này cần u cầu bảo trì tối thiểu và khơng có giao diện người dùng trực tiếp.



3.2.2 tùy chọn hệ thống phụ cơ điện

CácThiết kế ban đầu được xem xét cho hệ thống con là một chuỗi điều khiển bằng động cơ

để kéo hệ thống dọc theo các tấm. Thiết kế này cuối cùng đã bị bỏ rơi do chi phí vật liệu cao

cũng như độ phức tạp tương đối cao để thực hiện.



Một thiết kế được xem xét khác được sử dụng của một động cơ mô-men xoắn cao để lái

một bộ bánh xe gắn trên hệ thống. Thiết kế này sẽ cho phép hệ thống di chuyển dọc theo

bảng điều khiển mà không cần phải gắn thêm cơ sở hạ tầng vào bảng điều khiển.



3.2.3 Mô tả thiết kế hệ thống phụ cơ điện



Thiết kế đã được lựa chọn là thiết kế bánh xe cơ giới. Thiết kế này sử dụng một động cơ

truyền động duy nhất để cung cấp năng lượng cơ học cho một cặp bánh xe gắn trên khung hệ

thống. Những bánh xe này được gắn song song với hướng di chuyển mong muốn. Các bánh

xe quay theo hai hướng để di chuyển hệ thống làm sạch đến vị trí mong muốn trên bảng điều

khiển năng lượng mặt trời. Trục của các bánh xe chạy song song với trục của bàn chải làm

sạch cho phép hai bánh được kết nối thông qua hệ thống bánh răng.



Các hộp số được kết nối bằng bàn chải xoay cũng như một trục lái dài kéo dài chiều dài giữa

hai hộp số. Sự kết nối của hai hệ thống này giúp loại bỏ sự cần thiết của một động cơ thứ cấp

chỉ dành cho hệ thống làm sạch để đổi lấy việc thực hiện hệ thống bánh răng cần thiết. Bằng

cách sử dụng một động cơ, hệ thống được giảm độ phức tạp cũng như chi phí. Có thể nhìn

thấy hệ thống hộp số và trục truyền động trong Hình 14 và Hình 15.Trục lái



Hình 14:(bên phải của bàn chải) truyền năng lượng qua hệ thống



Hình 15: Hình ảnh được hiển thị của tàu bánh răng trong



3.2.4 Phân tích chi tiết hệ thống điện cơ: Lựa chọn động cơ



Để đảm bảo hệ thống có thể di chuyển xuống chiều dài của bảng điều khiển, động cơ được

chọn để lái thiết bị cần thiết để có thể cung cấp mơ-men xoắn cần thiết. Các tính tốn được

thực hiện bằng cách sử dụng trọng lượng ước tính của hệ thống và lực lái ước tính cần thiết

để đẩy các chổi quét qua bảng điều khiển. Mô-men xoắn và mã lực đều được tính tốn và sử

dụng làm tiêu chí chính để chọn động cơ. Các tiêu chí khác bao gồm cơng suất cần thiết, động

cơ cần thiết để có thể lái xe sử dụng pin 12 volt nhỏ và kích thước, động cơ cần phải đủ nhỏ

gọn để có thể lắp vào thiết bị mà khơng làm nặng hệ thống.

Các tính tốn tìm thấy động cơ cần thiết để có thể tạo ra mô-men xoắn 38 oz-in và 0,0015 mã

lực. Động cơ được chọn là động cơ DC gắn trên mặt nhỏ gọn 12 volt. Động cơ, như trong

Hình 16, được đánh giá là có cơng suất 160 oz-in ở tốc độ 50 vòng / phút và 0,008 mã lực.



Hình 16: Động cơ DC gắn trên mặt 12 Volt



3.2.5 Kiểm tra hệ thống phụ cơ điện



Hệ thống phụ năng lượng cơ học đã được kiểm tra bằng cách đảm bảo mỗi phần hoạt động

riêng lẻ cũng như khi giao tiếp với các thành phần khác. Sau khi chế tạo, mỗi hộp số được

kiểm tra căn chỉnh răng bánh răng và để đảm bảo các hộp số được căn chỉnh trên nhịp của

thiết bị.



Sau khi hộp số kết thúc, động cơ lái xe được gắn vào Hệ thống phụ khung gầm với Hệ thống

phụ sức mạnh cơ học và được sử dụng để kiểm tra hệ thống mà không cần Hệ thống phụ làm

sạch.

Khi đã xác định được động cơ có thể điều khiển thiết bị dọc theo một bảng điều khiển, vì vậy

hệ thống con được kết hợp với phần còn lại của các hệ thống con.



3.2.5.1 Phân tích FEA của trục truyền động



Giới thiệu:



Project SPACE sử dụng trục truyền động kéo dài toàn bộ chiều rộng của thiết bị. Mục đích của

trục truyền động là truyền năng lượng từ động cơ đến các bánh xe. Động cơ được đặt ở một

bên của thiết bị nơi nó quay một bộ bánh xe. Một bộ bánh xe khác cần được quay bằng động

cơ ở phía bên kia của thiết bị, trục ổ đĩa truyền năng lượng để lái bộ bánh xe thứ hai. Trục có



đường kính ¼ và có chiều dài 61,5. Thử nghiệm phải được thực hiện để xác định lượng mà

trục sẽ xoắn do được cấp nguồn từ chỉ một phía.

Xoắn q mức sẽ dẫn đến biến dạng dẻo.



Giả định:



Mơ-men xoắn trên trục khơng được vượt q 38 oz, đó là mơ-men xoắn được tính tốn cần

thiết để di chuyển thiết bị xuống chiều rộng của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Tuy

nhiên, trục được mô phỏng giả định mơ-men xoắn lái xe tối đa có thể của động cơ. Điều này

được thực hiện để xác định xem một thiết bị có bị trục trặc như bị kẹt trong khi động cơ tiếp

tục quay sẽ khiến trục ổ đĩa bị hỏng hay khơng.

Phương trình quản lý cho mơ-men xoắn áp dụng cho các trục được đưa ra trong phương

trình 1. Mô-men xoắn là tỷ lệ thuận với thời điểm cực của Quán tính, JT,và ứng suất cắt,

τ,trong khi tỉ lệ nghịch với bán kính của mặt cắt ngang, r. Cũng đáng lưu ý về sự dịch

chuyển góc của một điểm trên đầu trục. Độ dịch chuyển góc là một hàm của



moment xoắn áp trên, T,chiều dài của thanh, l,thời điểm cực qn tính của mặt cắt ngang,

J,và các mơ đun cắt, G.Một mơ hình phân tích chuyển vị được thực hiện trong Solidworks có

thể được nhìn thấy trong Hình 17.



(Phương trình 1)



(Phương trình 2)



Hình 17: Phân tích chuyển vị trục của Solidworks FE



Phần kết luận:



Kết quả phân tích trên trục ổ đĩa cho thấy độ lệch tối đa ở 4,41 độ. Sự lệch này sẽ xảy ra ở

cuối xa nhất từ động cơ. Độ lệch tối đa trước khi chùm tia biến dạng dẻo được tính tốn là

khoảng 62 độ. Tính tốn có thể được tìm thấy trong Phụ lục 1. Phân tích của chúng tơi cho

thấy trục truyền động có thể xử lý mơ-men xoắn của động cơ.



3.2.5.2 Phân tích FEA của bánh răng Spur



Giới thiệu:



Phân tích FE này được thực hiện để đánh giá sức mạnh của các bánh răng được chọn. Các

bánh răng nylon được đề xuất sẽ được sử dụng để truyền năng lượng từ động cơ truyền

động và do đó phải chịu đựng căng thẳng. Phân tích này cho phép mơ phỏng hành vi của

bánh răng dưới mô-men xoắn mà họ sẽ trải nghiệm. Dữ liệu được thu thập từ các mô phỏng

này sẽ cho phép nhóm thiết kế đưa ra quyết định cuối cùng liên quan đến vật liệu bánh răng.



Giả định:



Phân tích này được thực hiện trên một thiết bị duy nhất từ một bộ truyền bánh lớn hơn. Thiết bị

này là nhỏ nhất trong bộ truyền bánh răng và do đó sẽ trải qua những căng thẳng lớn nhất. Một

phân tích đầy đủ của mỗi thiết bị được khuyến nghị để đảm bảo hiệu suất phần đầy đủ.

Nhìn chung, răng bánh răng hoạt động rất giống với dầm đúc hẫng chịu tải trọng tiếp tuyến và

hướng tâm. Do tải trọng này, răng bánh răng có thể bị hỏng do uốn cong hoặc ứng suất tiếp

xúc. Các chế độ thất bại phổ biến bao gồm gãy răng, rỗ và ghi bàn. Để biết sơ đồ của các lực

tác dụng lên răng bánh răng, xem bên dưới. Phương trình cơ bản của ứng suất uốn, sa, được

đưa ra trong Công thức 3, trong đó Wt là tải trọng tiếp tuyến, Pd là cường độ đường kính thơng

thường, J là cường độ uốn của yếu tố hình học, Y là hệ số an tồn và K là tất cả các yếu tố tải,

động và nhiệt độ. Các phương trình cơ bản (phương trình 4. và phương trình 5.) đối với ứng

suất tiếp xúc, st, được đưa ra trong đó F là chiều rộng mặt lưới, Cp là hệ số đàn hồi, I là hệ số

kháng rỗ, CH là hệ số độ cứng , SH là hệ số an toàn cho rỗ và ZN là chu kỳ căng thẳng khi rỗ.

Tất cả các biến được sử dụng với các ký hiệu tương tự trong Công thức 3, chẳng hạn như tải

tiếp tuyến Wt, đều giống nhau. Cuối cùng, Phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện trong

Solidworks để chỉ ra sự phân bố ứng suất trên các bánh răng (xem Hình 19).



Hình 18: Sơ đồ cơ thể miễn phí của bánh răng6



(phương trình 3)



(Phương trình 4)



(Phương trình 5)



Hình 19: Phân tích ứng suất bánh răng của Solidworks FE



Phần kết luận:



Phân tích phần tử hữu hạn được tiến hành đã cho thấy các bánh răng được chọn có thể chịu

được các ứng suất cần thiết mà không bị biến dạng quá mức. Dưới một mô-men xoắn xấp xỉ

0,833lbf-in, bánh răng bị biến dạng tối đa 0,004583 in. Biến dạng này đạt cực đại dọc theo

răng của bánh răng.

Vật liệu nylon đủ để sử dụng trong thiết kế hệ thống SPACE. Một phân tích tiếp theo để đánh

giá tuổi thọ trên thiết bị được đề xuất.



3,3 Kiểm sốt hệ thống con



3.3.1 Kiểm sốt vai trò hệ thống con



Mục đích của hệ thống con điều khiển là đảm bảo rằng tất cả các bộ phận cơ học di chuyển

một cách hiệu quả. Quan trọng nhất, hệ thống điều khiển phải được lập trình theo cách sao

cho nguyên mẫu của chúng ta có thể làm sạch hồn tồn từ một phía của mảng pin mặt trời

sang phía bên kia một cách nhất quán. Cụ thể hơn, hệ thống kiểm sốt chịu trách nhiệm về

việc q trình này được thực hiện nhanh như thế nào. Thời gian hoạt động bao gồm thời gian

trôi qua bắt đầu từ tăng tốc đến tốc độ bay từ lúc nghỉ cho đến khi giảm tốc đến dừng lại cũng

như thời gian giữa các chu kỳ. Một bộ vi điều khiển sẽ phải được thực hiện để điều chỉnh tốc

độ di chuyển của thiết bị.



Mục tiêu mở rộng cho các dự án trong tương lai là thiết kế giao diện người dùng cho phép

người dùng điều chỉnh tần suất thiết bị làm sạch các tấm. Điều này đòi hỏi lập trình nhiều hơn,

nhưng hy vọng có thể được tích hợp vào hệ thống điều khiển đã được sử dụng. Bất cứ bộ

điều khiển nào được chọn, nó phải có khả năng thực hiện cả hai mục tiêu.



3.3.2 Kiểm soát tùy chọn hệ thống con



Mối quan tâm chính với các hệ thống con điều khiển là chi phí của bộ điều khiển và khả năng

thực hiện các mục tiêu mà chúng tơi mong muốn. Có nhiều tùy chọn để chúng ta lựa chọn cho

các bộ điều khiển khả trình với các tùy chọn tốt nhất cho dự án là Arduino Mega hoặc

Raspberry Pi 2 Model B +.



Như có thể thấy trong Bảng 2 dưới đây, cả hai đều có thể so sánh về thơng số kỹ thuật và

giá cả; tuy nhiên, mỗi cái đều có lợi trong những hoàn cảnh khác nhau Raspberry Pi là một

máy tính đầy đủ chức năng tốt hơn ở cấp độ phần mềm; nó có nhiều RAM hơn và linh hoạt

hơn trong việc xử lý các kết nối mạng khác nhau. Trong khi Arduino hoạt động tốt hơn như

phần cứng hồn tồn. Nó có khả năng phục hồi vật lý tốt hơn và sẽ không bị hỏng nếu thiết

bị không được tắt nguồn không đúng cách. Hơn nữa, Arduino sẽ không cần cùng một thư

viện được cài đặt để bắt đầu hoạt động. Cuối cùng, nhóm của chúng tơi quen làm việc với C

hơn là với Python trong hệ điều hành dựa trên Linux. Cuối cùng, một hệ thống dựa trên

Arduino đã được chọn làm vi điều khiển do sức mạnh tính tốn bổ sung được thấy trong

Raspberry Pi tại thời điểm này sẽ không được sử dụng đầy đủ.



Bảng 2: So sánh các thông số kỹ thuật giữa OSEPP Uno R3 Plus, Arduino Uno, Arduino Mega

và Rasperberry Pi



OSEPP Un



Giá



$ 26



Kích thước



75,0 mm x



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 3: Tổng quan về hệ thống con

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×