Αυτοκαθαριζόμενο σύστημα φωτοβολταϊκού

Transcript

1 Αυτοκαθαριζόμενο σύστημα φωτοβολταϊκού Εισαγωγή- Εντοπισμός προβλήματος-βαθμός επίλυσης προβλήματος Ηλιακή ενέργεια είναι το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Ο ήλιος εκπέμπει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η ηλιακή ακτινοβολία αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με δύο τρόπους :με θερμικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας με στόχο την παραγωγή θερμότητας ενώ στη δεύτερη εφαρμογή τα φωτοβολταΐκά συστήματα μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολταϊκών κυψελών ή συστοιχιών. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας έχει πάρα πολλά θετικά στοιχεία γιατί θα υπάρχει για πάντα και δεν μολύνει καθόλου την ατμόσφαιρα της γης. Ο ηλεκτρισμός που παράγεται από φωτοβολταΐκά έχει ως πλεονέκτημα ότι αποδίδει την μέγιστη δύναμη της κατά την διάρκεια της ημέρας που παρουσιάζεται η μέγιστη ζήτηση. Στη χώρα μας όπου παρατηρείται παρατεταμένη περίοδος ηλιοφάνειας, οφείλουμε να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ενέργεια και να την καταστήσουμε μία από τις αν όχι την κυριότερη πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών όμως, δεν παραμένουν πάντοτε σταθερές, εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως η τοποθεσία, ο προσανατολισμός, η εγκυρότητα της μελέτης, η κλίση,η ποιότητα των υλικών και της εργασίας κ.ά. Επιπλέον η απόδοση των φωτοβολταϊκών μειώνεται εξαιτίας κάποιων φυσικών φαινομένων που ταλαιπωρούν την περιοχή της Κύπρου. Συγκεκριμένα πρόκειται για την πρωινή υγρασία η οποία σε συνδυασμό με τη σκόνη που παρατηρείται συχνά στην ατμόσφαιρα δημιουργούν ένα στρώμα λάσπης το οποίο καλύπτει την επιφάνεια των φωτοβολταϊκών με αποτέλεσμα να μειώνεται η δυνατότητα συσσώρευσης ηλιακής ενέργειας. Έτσι καθίσταται απαραίτητη η καθημερινή καθαριότητά του. Ωστόσο στη σύγχρονη εποχή που ζούμε στην οποία επικρατούν γρήγοροι ρυθμοί, πιεστικά προγράμματα και πληθώρα υποχρεώσεων, ο ελεύθερος χρόνος στη ζωή του ανθρώπου είναι ελάχιστος. Επίσης θα πρέπει να αναφέρουμε ότι η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών γίνεται στη στέγη των οικοδομών γεγονός που καθιστά αδύνατο κάποιες φορές να καθαριστεί από τον άνθρωπο αλλά και εξαιρετικά επικίνδυνο. Η δική μας, λοιπόν, ιδέα για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος αφορά τη δημιουργία μιας έξυπνης εφαρμογής, η οποία προορίζεται να εγκατασταθεί στο φωτοβολταϊκό με σκοπό να το καθαρίζει αυτόματα. Πρόκειται λοιπόν για ένα απλό σύστημα αυτοκαθαρισμού που θα αποτελείται από ένα μικρό σκουπάκι και ψεκαστήρα νερού. Ο ψεκαστήρας θα ψεκάζει την επιφάνεια των φωτοβολταϊκών με νερό και ταυτόχρονα θα σκουπίζεται από το σκουπάκι. Σημαντικό στη λειτουργία της κατασκευής αυτής είναι ότι το νερό θα ανακυκλώνεται και θα χρησιμοποιείται ξανά. Αυτό καθιστά την εφαρμογή της ιδέας οικολογική.έτσι με αυτόν τον τρόπο ο άνθρωπος δε θα είναι αναγκασμένος να ανεβαίνει στη στέγη του σπιτιού του και να το καθαρίσει θέτοντας επιπλέον την ζωή του σε κίνδυνο. 1

2 Η συγκεκριμένη καινοτομία είναι φιλική προς το περιβάλλον αφού χρησιμοποιεί υλικά τα οποία δεν το μολύνουν. Εξαιρετικά σημαντικό να αναφέρουμε είναι επίσης το γεγονός ότι η απόδοση των φωτοβολταϊκών αυξάνεται κατά 30 %. Η κατασκευή αυτή θεωρείται σημαντική στην προσπάθεια να αξιοποιηθεί η ηλικιακή ενέργεια αφού μεγιστοποιεί την απόδοση των φωτοβολταϊκών χωρίς καμιά προσπάθεια από τον άνθρωπο και μάλιστα ανέξοδα αφού και η ίδια θα αντλεί ενέργεια από το φωτοβολταϊκό. Μεθοδολογία, Προσέγγιση και Σχεδιασμός της Προτεινόμενης Λύσης. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο στηρίζεται σε κατασκευή με 4 πόδια. Στην πάνω πλευρά του φωτοβολταϊκού υπάρχει ένα ηλεκτρικό μοτέρ που τροφοδοτείται με 12 volt D.C. Το ηλεκτρικό μοτέρ κινεί δύο τύμπανα πάνω στα οποία έχουν τοποθετηθεί δύο συρματόσχοινα. Στα συρματόσχοινα έχει συνδεθεί μία βούρτσα η οποία κινείται πάνω- κάτω. Στην κάτω πλευρά του φωτοβολταϊκού βρίσκονται δύο ρουλεμάν πάνω στα οποία καταλήγουν τα δύο συρματόσχοινα. Στην κατασκευή έχει εφαρμοστεί ένας PLC ο οποίος έχει προγραμματιστεί να θέτει τον μηχανισμό σε λειτουργία στις 7 η ώρα το πρωί, όπου το φαινόμενο υγρασίας βρίσκεται στην κορύφωσή του. Ο μηχανισμός ξεκινά να κινεί το σκουπάκι πάνω- κάτω και παράλληλα ρίχνει νερό με σκοπό τον καθαρισμό της λάσπης. Στην έξοδο 4 του PLC έχει εφαρμοστεί αντλία η οποία πιέζει το νερό στα ακροφίσια για να πέφτει με πίεση στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού. Η έξοδος 1 έχει προγραμματιστεί έτσι ώστε η βούρτσα να κινείται από τα πάνω προς τα κάτω ενώ η έξοδος 2 έχει προγραμματιστεί να επαναφέρει τη βούρτσα στην αρχική της θέση. Στις εισόδους 1 και 2 του PLC έχουν εφαρμοστεί αισθητήρες. Ο αισθητήρας στην είσοδο 1 αλλάζει τη φορά περιστροφής του κινητήρα δηλαδή θα ανεβοκατεβάζει το σκουπάκι ενώ ο αισθητήρας στην είσοδο 2 απενεργοποιεί το σύστημα. Αρχικά το PLC δίνει εντολή στην αντλία να ψεκάσει νερό στην επιφάνεια του φωτοβολταικού και ταυτόχρονα ενεργοποιεί το σκουπάκι να κινηθεί από την πάνω προς την κάτω πλευρά του πλαισίου. Στην κάτω πλευρά ο πρώτος αισθητήρας εντοπίζει το σκουπάκι μόλις φτάσει στο κάτω προς τα πάνω. Όταν ανεβεί στο πάνω άκρο του πλαισίου το εντοπίζει δεύτερος αισθητήρας ο οποίος απενεργοποιεί το σύστημα. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται ανάλογα με τις αρχικές ρυθμίσεις. Η κατασκευή περιλαμβάνει πρόνοια για ανακύκλωση του νερού που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό των φωτοβολταϊκών. Συγκεκριμένα έχει τοποθετηθεί δοχείο το οποίο συλλέγει το νερό που στέλνει η πρώτη αντλία. Το νερό αυτό περιέχει λάσπη αφού έχει χρησιμοποιηθεί στον καθαρισμό των φωτοβολταϊκών. Το νερό παραμένει στο δοχείο για ένα μικρό χρονικό διάστημα μέχρι να κατακαθίσει η λάσπη. Στη συνέχεια το σύστημα τροφοδοτείται με το ίδιο νερό μέσω μιας δεύτερης αντλίας αυτόματα προγραμματισμένης με σκοπό να ξαναχρησιμοποιηθεί. Επίσης η υγρασία που επικρατεί κατά τις πρωινές ώρες στη χώρα μας είναι ικανή να μας προμηθεύει με νερό το οποίο διοχετεύεται στο δοχείο όπου φυλάσσεται το ήδη προϋπάρχον νερό. 2

3 Επιπλέον είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι η απόδοση των φωτοβολταϊκών μειώνεται σε περίπτωση υψηλής θερμοκρασίας. Γι αυτό τον λόγο έχουμε εφαρμόσει στην κατασκευή μας αισθητήρα θερμοκρασίας πετυχαίνοντας έτσι το νερό που βρίσκεται στο δοχείο να ψεκάζει την επιφάνεια του φωτοβολταϊκού με σκοπό να του μειώνει τη θερμοκρασία και ταυτόχρονα να αυξάνει την απόδοση του φωτοβολταϊκού. Αυτό μας συμφέρει αφού η αντλία που στέλνει νερό στα ακροφίσια είναι χαμηλής ενέργειας.επιπλέον το νερό που ρίχνει τη θερμοκρασία ανακυκλώνεται. Να σημειωθεί ότι η εφαρμογή λειτουργεί με ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο λαμβάνει από μπαταρία 12 volt, η οποία φορτίζεται από το φωτοβολταϊκό. Το σύστημα επίσης δουλεύει χειροκίνητα με τη χρήση 4 πλήκτρων. Το Α πλήκτρο ενεργοποιεί το σύστημα. Το Β πλήκτρο ενεργοποιεί την αντλία που στέλνει νερό στα ακροφίσια. Το πλήκτρο C ενεργοποιεί την αντλία που επιστρέφει το ανακυκλωμένο νερό. Το πλήκτρο αναιρεί όλες τις διεργασίες που έχουμε επιλέξει. Συρμάτωση της όλης κατασκευής. 3

4 Προγραμματισμός PLC Φωτοβολταϊκό πλάισιο πάνω σε στέγη Ρουλεμάν κάτω μέρους 4

5 Μοτέρ μαζί με τύμπανο 2 συρματόσχοινα 2 επαφείς Αντλία νερού που μεταφέρει το ανακυκλωμένο νερό. 5

6 Πίνακας Ελέγχου- Φορτιστής- Μπαταρία Λειτουργικότητα- Ευχρηστία κατασκευής Πρόκειται για μια εύχρηστη κατασκευή η οποία μετά από την εφαρμογή της δεν απαιτεί οποιαδήποτε ανθρώπινη παρέμβαση για να λειτουργήσει. Είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και προγραμματισμένη να λειτουργεί και να απενεργοποιείται από μόνη της. Επίσης η κατασκευή είναι αυτόνομη αφού παίρνει ρεύμα από τα ίδια τα φωτοβολταΐκά. Το φορτίο της όλης εγκατάστασης είναι μηδαμινό έτσι δεν απορροφάται αρκετό ρεύμα από το δίκτυο που στέλνουμε στην Ηλεκτρική. Ομάδα εργασίας Το ερέθισμα για τη σύλληψη της ιδέας αποτέλεσαν τα κεφάλαια για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και οικολογικής συνείδησης μέσα από τα μαθήματα Ηλεκτρολογίας και Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων. Οι μαθητές συνειδητοποίησαν ότι το φωτοβολταϊκό ίσως να θεωρείται το πιο σημαντικό μέσο εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και συγκεκριμένα της ηλιακής ενέργειας, λόγω της μακράς περιόδου ηλιοφάνειας που παρατηρείται στην χώρα μας. Ωστόσο η συχνή παρουσία σκόνης και υγρασίας μειώνει την ικανότητα των φωτοβολταϊκών να συσσωρεύουν την ηλιακή ενέργεια καθότι η σκόνη επικαλύπτει την επιφάνεια του φωτοβολταικού. Οι πιο πάνω παράγοντες αξιολογήθηκαν από την ομάδα και διαπιστώθηκε ότι πρόκειται για σημαντικό πρόβλημα που ταλαιπωρεί την Κύπρο. Έτσι σκέφτηκαν μια έξυπνη και πρωτότυπη κατασκευή ώστε να αποτρέπει το φαινόμενο σκόνης και υγρασίας που μειώνει την απόδοση του φωτοβολταϊκού. Η ομάδα έλαβε υπόψη της και τη θέση που βρίσκεται το φωτοβολταϊκό δηλαδή στην οροφή μιας οικοδομής,γεγονός που δυσκολεύει τον καθημερινό καθαρισμό των φωτοβολταϊκών. Έτσι 6

7 σχεδίασαν από κοινού, εκπαιδευτές και μαθητές, μία πρωτότυπη κατασκευή που θα επιτρέπει τον αυτόματο καθαρισμό της επιφάνειας των φωτοβολταϊκών με τη χρήση νερού και μικρής σκούπας διασφαλίζοντας τη μέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών. Αποφασίστηκε επίσης το νερό να ανακυκλώνεται αφενός για εξοικονόμηση νερού και αφετέρου για «εξοικονόμηση» κόπου. Οι μαθητές είχαν την ευκαιρία να εφαρμόσουν στην πράξη τις γνώσεις που απέκτησαν μέσα από τα μαθήματα Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων. Οι εμπειρίες που αποκόμισαν ήταν, όπως δήλωσαν μετά την ολοκλήρωση του έργου, πολύτιμες. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση της ιδέας έγιναν μέσα σε κλίμα ενθουσιασμού και άψογης συνεργασίας μαθητών και εκπαιδευτών. Οι μαθητές εργάστηκαν ακούραστα και αδιαμαρτύρητα υπό την επίβλεψη και καθοδήγηση των εκπαιδευτών τους. Η ιδέα της κατασκευής αγκαλιάστηκε με ενθουσιασμό από τους μαθητές οι οποίοι επέδειξαν μεγάλο ενδιαφέρον. Η υλοποίηση της κατασκευής επιτεύχθηκε μέσα σε πνεύμα άψογης συνεργασίας μεταξύ εκπαιδευτικών και μαθητών. Έλαβαν μέρος μαθητές που προέρχονται από τον κλάδο Ηλεκτρολογίας και των 3 ετών. Οι εμπειρίες που αποκόμισε η ομάδα δεν μπορούν να συγκριθούν με κανένα αναλυτικό πρόγραμμα κανενός μαθήματος. Ημερολόγιο εργασιών Οι μαθητές τηρούσαν ημερολόγιο με τις ενέργειες τους και την πρόοδο της κατασκευής μέχρι την ολοκλήρωση της. Το ημερολόγιο είχε την παρακάτω μορφή : Συνάντηση της ομάδας για συζήτηση και ανταλλαγή απόψεων Επιτόπια έρευνα Απόφαση για την τελική μορφή της κατασκευής καθώς και για τα υλικά κατασκευής Εξεύρεση των αναγκαίων υλικών που διαθέτουν τα εργαστήρια της Σχολής μας Σχεδιασμός κατασκευής σε χαρτί με τη χρήση του προγράμματος AUDOCAT Συγκόλληση των μεταλλικών μερών του πλαισίου Τοποθέτηση φωτοβολταϊκού πάνω στην μεταλλική βάση. 7

8 Εφαρμογή ηλεκτρικού μοτέρ, δύο τυμπάνων, και δύο συρματόσχοινων στο πάνω μέρος του φωτοβολταϊκού Σύνδεση βούρτσας με τα δύο συρματόσχοινα Εφαρμογή δύο ρουλεμάν στο κάτω μέρος του φωτοβολταϊκού και σύνδεση του με τα δύο συρματόσχοινα Εφαρμογή αντλίας Τοποθέτηση PLC και προγραμματισμός του Βάψιμο πλαισίου Δοκιμές για λειτουργία της κατασκευής. Διόρθωση πιθανών προβλημάτων Αξιολόγηση τελικού αποτελέσματος και εξαγωγή συμπερασμάτων Προώθηση της κατασκευής στην τοπική και ευρύτερη κοινωνία. Εισηγήσεις μαθητών για χρησιμοποίηση της σε ευρύτερο επίπεδο. 8

9 Οι μαθητές εν ώρα εργασίας. 9

10 Αποτελέσματα- Προώθηση της κατασκευής Αφού ολοκληρώθηκε η κατασκευή τέθηκε σε λειτουργία από μαθητές και εκπαιδευτικούς με σκοπό να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητά της για περίοδο δύο εβδομάδων. Τα αποτελέσματα της λειτουργίας της κατασκευής ήταν αρκετά ικανοποιητικά. Διαπιστώθηκε αρχικά αύξηση στην απόδοση του φωτοβολταϊκού αφού παρατηρήθηκε ότι η σκόνη επηρέαζε αρνητικά την λειτουργία και αποδοτικότητα του φωτοβολταϊκού.όμως με την απομάκρυνση της σκόνης, πράγμα το οποίο επιτυγχάνεται με τη χρήση της κατασκευής μας διασφαλίζεται η υψηλή αποδοτικότητα του φωτοβολταϊκού. Πρόκειται για μια κατασκευή χαμηλού κόστους τόσο όσο αφορά το κόστος κατασκευής όσο και λειτουργίας. Η κατασκευή επίσης λειτουργεί με τους κατάλληλους αυτοματισμούς χωρίς να απαιτεί τη παρέμβαση του ανθρώπου. Επίσης η κατασκευή διαθέτει αισθητήρα θερμοκρασίας ο οποίος όταν η θερμοκρασία του φωτοβολταικού φτάσει τους 40 ο C ενεργοποιεί το σύστημα ψεκασμού νερού πάνω στην επιφάνεια του φωτοβολταικού, με αποτέλεσμα να μειώνεται η θερμότητα του φωτοβολταϊκού και έτσι να αυξάνεται η απόδοσή του. Αφού διαπιστώθηκαν τα πιο πάνω αποτελέσματα η εφαρμογή προτάθηκε για να χρησιμοποιηθεί σε επαγγελματικό επίπεδο δηλαδή από εταιρεία που διαθέτει φωτοβολταϊκό πάρκο στην περιοχή. Η πιο πάνω εταιρία βλέπει το ενδεχόμενον συνεργασίας θετικά. Η επιτυχία της κατασκευής δεν εξαρτάται μόνο από την χρησιμότητα και αποτελεσματικότητά της. Η προβολή και προώθηση της είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας ώστε να γίνει ευρύτερα γνωστή και να ελκύσει το ενδιαφέρον όσων απασχολούνται στον τομέα της ενέργειας. Για το σκοπό αυτό η κατασκευή καθώς και η μελέτη της έχουν αναρτηθεί στην ιστοσελίδα του σχολείου μας. Επίσης οι μαθητές μας έχουν ξεκινήσει μια εκστρατεία διαφώτισης φίλων και γνωστών αναφορικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσα από την οποία προβάλλεται η κατασκευή και η χρήση της.η εκστρατεία αυτή έχει επεκταθεί μέσω ιστοσελίδων κοινωνικής δικτύωσης. Σημαντική επίσης είναι και η συμβολή των τοπικών αρχών οι οποίες δεσμεύτηκαν όπως χρησιμοποιήσουν την κατασκευή στα πλαίσια δικών τους έργων. Συγκεκριμένα στις 8 Μαρτίου 2013, ο κοινοτάρχης του χωριού Αυγόρου κ. Μιχαηλάς Παναγιώτης, ο Μιχαηλάς Αδάμος μέλος Συνδέσμου Γονέων της Σχολής και Ηλεκτρολόγος Αυτοκινήτων στο επάγγελμα συνάντησαν την ομάδα μαθητών που έλαβαν μέρος στην υλοποίηση της κατασκευής. Οι μαθητές παρουσίασαν την κατασκευή απαριθμώντας ταυτόχρονα τα οφέλη της. Ο κ. Παναγιώτης και ο κ. Αδάμος ενθουσιάστηκαν και συνεχάρησαν τους μαθητές και δεσμεύτηκαν όπως χρησιμοποιήσουν την κατασκευή σε δικά τους έργα. Η ομάδα συναντήθηκε επίσης και με τον κ. Γεώργιο Γεναγρίτη, Υπεύθυνο Ομάδας Προϋπολογισμών Μέσης,Τεχνικής και Επαγγελματικής Εκπαίδευσης.. Οι μαθητές αφού του παρουσίασαν την κατασκευή, του υπέδειξαν σημεία στο σχολείου που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η κατασκευή, επιτυγχάνοντας μηδενική κατανάλωση ρεύματος. Ο κ. Γεναγρίτης με τη σειρά του δεσμεύτηκε όπως προωθήσει την κατασκευή και στα υπόλοιπα σχολεία της Κύπρου. 10

11 Επιπλέον σχεδιάζεται η αποστολή ενημερωτικών φυλλαδίων σε εταιρίες που δραστηριοποιούνται στον τομέα των φωτοβολταϊκών. Στα φυλλάδια θα δίδεται πλήρης περιγραφή της κατασκευής μας, θα παρουσιάζονται στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της τα οποία βασίζονται σε δοκιμή της κατασκευής και θα ζητείται η συνεργασία τους. Θα διερευνηθεί ακόμη το ενδεχόμενο η κατασκευή μας να λάβει μέρος σε κάποιο ευρωπαϊκό διαγωνισμό ή πρόγραμμα που σχετίζεται με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. 11