Солнечный всплеск: как мы создали солнечную батарею

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Солнечная вспышка: как мы разработали солнечную батарею

Возьмите внутренний взгляд на солнечную электрическую лодку из солнечного солнечного коллектива Университета Рочестера.

Недавно я написал статью, которая служила обзором события Solar Splash в целом. Однако я думал, что это не оправдало бы работу, которую я, мои товарищи по команде, и другие команды, если бы я не представил полного представления о том, что происходит «под капотом» на этих солнечных / электрических лодках. Я надеюсь предоставить именно это, не требуя, чтобы вы прочитали технический отчет на 50 страниц.

Дизайн лодок

корпус

Проектирование хорошего корпуса - один из важнейших аспектов строительства любого судна. Хотя существует множество программ моделирования, таких как Abacus, которые помогают тестировать гидродинамические и аэродинамические свойства, они почти всегда имеют некоторый уровень неточности.

Многое зависит от гладкости поверхности корпуса, касающейся воды. Конечно, также необходимо иметь корпус, который будет стабильным в воде. Вот некоторые примечания из прошлогоднего технического отчета, документирующего его конструкцию и дизайн:

2014-2015 Форма корпуса (многократное использование):

Эта конструкция корпуса была обработана из двух фунтов экструдированного пенополистирола (EPS) пены компанией Foamlinx LLC (Саннивейл, Калифорния).

3D-модель была сделана и отправлена как STP (универсальный 3D-формат) на пенный маршрутизатор с ЧПУ, чтобы получить точную копию дизайна. Пена EPS затем покрывали смесью промышленных полимеров Styropoxy 7060-1 и шлифовали несколько раз до тех пор, пока бодилин не были гладкими.

Внешний вид формы был покрыт выпуклым воском Meguiars Mold для удаления из формы. Положительная форма также была добавлена через стекловолокно, наложенное сверху.

Плюсы -

Гладкий; плавный
Многофункциональный
Можно использовать вакуумный мешок
Очень продвинутые возможности дизайна.

Минусы -

Очень дорого

2014-2015 Конструкция корпуса:

Для создания дизайна команда использовала Solidworks 2014 Professional Edition. Они были вдохновлены гоночными катерами 1970-х годов, «маринованой кошкой». У этих лодок есть туннели для подачи воздуха, когда на скорости, чтобы обеспечить подъем.

Для эффективного строгания был добавлен центр строгального корпуса, позволяющий надлежащим образом размещать опору в воде. Корпус был спроектирован так, чтобы быть намного короче и шире, чтобы быть более стабильным и обеспечивать меньшую общую нагрузку. Используя знания предыдущих соревнований, ясно видно, что корпус является решающим фактором, когда дело касается конкуренции; вес является ключевым.

Плюсы -

Чрезвычайно гидродинамический
аэродинамический
Использует воздух для поднятия веса из воды, уменьшая сопротивление
Легкий
Быстро

Минусы -

Небольшое пространство для работы с
Опираясь на стабильность
Очень тонкая лодка
Возможности поворота частично затруднены внутренними стенками из-за перетаскивания
Высокий COM шкипера - задача правильно разместить лодку

Механика привода

Механическая трансмиссия сильно зависит от точного двигателя (ов), который используется. Крайне важно правильно уплотнить все механические соединения и детали, касаясь воды. Также необходимо обеспечить отсутствие смешанных металлов для получения ржавчины. Это может быть несколько смягчено с помощью жертвенного анода, но это в лучшем случае временное решение.

Наша трансмиссия в этом году была довольно сложной, поскольку мы создали комбинированный привод на поверхности и привод Levi, который позволил изменить угол пропеллера вертикально. Мы также использовали рулевой руль, повернутый горизонтально, к вектору нашей тяги для рулевого управления.

Универсальный шарнир, соединенный непосредственно за лодкой, позволил обеспечить правильный вертикальный диапазон движения приводного вала даже при 3000 об / мин. Это соединение было покрыто резиновыми сильфонами и покрыто морской консистентной смазкой, с двойными герметичными металлическими монтажными пластинами, образующими водонепроницаемое соединение с валом от приводного ремня с электродвигателем. Эта система работает очень хорошо для маневренности, но она не особенно гидродинамична, однако это можно легко решить с помощью некоторых легких 3D-печатных конических секций.

Однако бюджетные ограничения не позволили нам получить правильный пропеллер (или два), поэтому мы закончили с плохой механической эффективностью на конкурсе. Мы также полагаем, что из-за невероятной мощности, которую может производить наш двигатель, было бы лучше запустить его на более низких скоростях с более высоким передаточным отношением, так как он должен все же производить большой крутящий момент при работе намного эффективнее. Об этом позже.

Электроника приводной системы

Электроника электроники привода охватывает все системы, работающие от высокого напряжения (обычно 36 вольт), включая любой двигатель, который используется для поворота гребных винтов, и контроллеры для этих двигателей.

Они должны быть тщательно подобраны: они в значительной степени определяют производительность лодки и ее механические требования (какой диаметр вала для гребного винта, уровни оборотов в минуту для подшипников и соединений на валу, идеальный пропеллер RPM / шаг и т. Д.),, Много часов можно было потратить только на эту тему. Это требует значительных исследований в своем собственном праве.

Несколько команд в этом году соревновались с одним или двумя моторами. Наша лодка была единственной, которая использовала трехфазный двигатель переменного тока, который мы получили много в сочетании с контроллером Curtis, который работает от питания постоянного тока. Он довольно большой, тяжелый и чрезвычайно мощный, но также очень надежный и электрически эффективный по сравнению со многими двигателями постоянного тока.

Мы, очевидно, приводим в действие один пропеллер с этим двигателем, хотя в прошлом команды использовали одиночные двигатели для нескольких реквизитов. В этом году, по крайней мере, несколько команд использовали два двигателя для одной опоры. Высокоэффективные стандарты, требуемые конкурентами, делают мостовые (постоянные магниты) двигатели постоянного тока плохим выбором, но они также очень недороги по сравнению с их лучшими бесщеточными аналогами. Однако, когда эффективность и мощность имеют первостепенное значение, двигатели переменного тока правят. (Тесла использует их, в конце концов).

Нажмите, чтобы увеличить

У нас также есть механизм поверхностного привода и система проводов, которые используют 12-вольтовую мощность для редуктора и линейного привода. Мотор рулевого управления - двигатель Banebots RS 540 с использованием планетарного редуктора 672: 1 для максимального крутящего момента, при этом его частота вращения без нагрузки составляет более 16000 до менее 10 об / мин, при этом достаточный крутящий момент ослабляет гайки на автомобильной шине. Привод - это готовая модель от ServoCity, «суперзажимного» привода, способного перемещать 500 фунтов без проблем. Я разработал электропривод по отдельности, чтобы быть дешевым, но очень способным, с легко заменяемым двигателем и контроллером.

Комбинация мотор / контроллер вместе стоила менее 30 долларов, но планетарная коробка передач была довольно дорогой, но у нее также практически нет риска отказа.

Комбинация чувствительного потенциометра и маломощного двигателя с высоким крутящим моментом означала, что индивидуальный контур ПИД-регулирования можно использовать для управления рулем почти как обычный хобби-сервопривод. Он способен на это с абсолютным положением, несмотря на то, что не существует способа точно определить, что делает сам вал двигателя.

Квадратурный кодер вместо этого установлен на рулевое колесо и обеспечивает Arduino желаемым целевым углом для контура управления ПИД. Было бы слишком легко разрушить типичный потенциометр, если бы он был прикреплен к колесу, и с помощью энкодера, позволяющего изменять чувствительность «на лету». Единственная потенциальная проблема заключалась в том, что контроллер был сконструирован для RC-автомобиля, поскольку он допускал только 30A в обратном направлении, а не 60A в непрерывном режиме вперед.

К счастью, наш крутящий момент двигателя составляет всего чуть выше 30 ампер, поэтому он никогда не набирает больше 5 А и работает на полной скорости в обоих направлениях.

Солнечная система

Нам повезло, и мы получили очень мощные и эффективные солнечные панели, но вся эта энергия пропадает без хорошего солнечного зарядного устройства. В итоге мы получили очень эффективное солнечное зарядное устройство, использующее MPPT для замены громоздкого старого солнечного зарядного устройства, которое мы использовали ранее. На долю веса это, безусловно, хорошая инвестиция.

К сожалению, наше зарядное устройство не может полностью справиться с полной производительностью наших панелей, которая может быть более 10А. Солнечная зарядка с потребительской точки зрения на самом деле очень проста. Все, что вам нужно - это панели, которые обеспечивают требуемую мощность, солнечное зарядное устройство, которое работает при правильном напряжении для этих панелей, и батареи, которые работают при правильном напряжении для зарядного устройства.

Однако, поскольку нам нужна батарея на 36 вольт, мы были ограничены такими контроллерами, как этот, предназначенный для тележек для гольфа, поскольку домашняя солнечная батарея обычно составляет 12 В или 24 В:

Мы использовали солнечный контроллер зарядки для гольфа. Изображение предоставлено Genasun

Однако это было выгодно, поскольку зарядное устройство предназначено для использования на открытом воздухе и было водонепроницаемым.

Вспомогательные системы

Всегда здорово иметь некоторые дополнительные системы для контроля скорости, числа оборотов двигателя и других аспектов производительности этих лодок. Для нашей лодки мы решили изо всех сил и построить целую консоль с ЖК-дисплеем с питанием от малины Pi, GPS-гироскопами, акселерометрами, мониторами напряжения и хорошим считыванием любых других полезных данных. Все ручные элементы управления также были добавлены в консоль. Мы определенно будем улучшать его в следующем году.