Μετάβαση σε γραμμή εργαλείων
Ηλιακή ενέργεια από το διάστημα

Ηλιακή ενέργεια από το διάστημα

Έρευνα

Σκοπός μας είναι να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε ένα σύστημα το οποίο θα συλλέγει την ηλιακή ακτινοβολία έξω από την ατμόσφαιρα της Γης και θα την μεταφέρει στην επιφάνεια του πλανήτη χρησιμοποιώντας ακτίνες laser, οι οποίες θα μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η κλιματική αλλαγή μας απασχόλησε ως θέμα από τις πρώτες μας συναντήσεις. Εδώ μπορείτε να δείτε τον εννοιολογικό χάρτη που κατασκευάσαμε και τις συζητήσεις μας. Η ανάγκη για δράσεις που θα μειώσουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και θα αναστρέψουν την πορεία για αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας είναι μεγάλη.

Ηλιακή ενέργεια και φωτοβολταϊκά

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και αποτελούν μια από τις σημαντικότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που αξιοποιούνται από τους ανθρώπους.

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα της είναι η χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία είναι ανεξάντλητη πηγή, διατίθεται παντού και δεν στοιχίζει απολύτως τίποτα. Είναι τεχνολογία φιλική στο περιβάλλον καθώς δεν προκαλούνται ρύποι από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ενώ η λειτουργία του συστήματος είναι αθόρυβη. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν μικρές απαιτήσεις συντήρησης και μεγάλη διάρκεια ζωής.

Το βασικό μειονέκτημα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι ότι η ηλιακή ακτινοβολία υπάρχει μόνο κατά την διάρκεια της ημέρας και η απόδοση της εξαρτάται πολύ από την εποχή του έτους και τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι αξιόπιστη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας αφού δεν μπορεί συνεχώς και με οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Πηγές:

Ηλιακή ενέργεια από το διάστημα

Η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων στο διάστημα, έξω από την ατμόσφαιρα της Γης, είναι μια ιδέα που υπάρχει εδώ και πολλά χρόνια. Από το 1973 ο Αμερικανός μηχανικός Peter Glaser κατέθεσε την πρόταση του για διαστημικούς ηλιακούς δορυφόρους που θα μεταφέρουν την ενέργεια στην γη μέσω μικροκυμάτων.

Την δεκαετία του 1970 και του 1990 η NASA μελέτησε τις δυνατότητες υλοποίησης, ενώ το 2007 η Αμερικανική υπηρεσία ασφάλειας του διαστήματος ασχολήθηκε και πάλι με το θέμα. Το 2011 η Διεθνής Ακαδημία Αστροναυτικής (IAA) παρουσίασε την δική της μελέτη στην οποία σημειώνει την εφικτότητα της κατασκευή και αξιποίησης μεγάλων διαστημικών δορυφόρων που θα συλλέγουν ηλιακή ακτινοβολία. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την κατασκευή και δοκιμή ενός τέτοιου συστήματος από την Κίνα.

Το βασικό πλεονέκτημα των διαστημικών ηλιακών δορυφόρων είναι ότι θα μπορούν να παράγουν πολύ περισσότερη ενέργεια, καθώς δεν θα επηρρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες και τις εποχές (αφού θα βρίσκονται έξω από την γήινη ατμόσφαιρα), ενώ ανάλογα με την τροχιά που θα έχουν θα μπορούν να αποδίδουν ακόμα και κατά την διάρκεια της νύχτας.

Σχέδιο υλοποίησης 1: Η ηλιακή ακτινοβολία συλλέγεται από συστοιχίες φωτοβολταϊκών πάνελ και μεταφέρεται στην Γη με την μορφή μικροκυμάτων.
Σχέδιο υλοποίησης 2: Η ηλιακή ακτινοβολία συλλέγεται από συστοιχίες φωτοβολταϊκών πάνελ και μεταφέρεται στην Γη με την μορφή ακτίνων laser.
Σχέδιο υλοποίησης 3: Η ηλιακή ακτινοβολία συγκεντρώνεται από καθρέφτες και συλλέγεται από μικρότερα φωτοβολταϊκά. Τέλος μεταφέρεται στην Γη είτε με την μορφή μικροκυμάτων είτε ως laser.

Πηγές:

Σχεδιασμός

Σχεδιάζουμε να κατασκευάσουμε ένα σύστημα το οποίο θα προσομοιώνει έναν διαστημικό ηλιακό δορυφόρο, ο οποίος θα συλλέγει την ηλιακή ακτινοβολία και θα την μεταφέρει στην Γη σε μορφή ακτίνων laser.

Τα φωτοβολταϊκά πάνελ θα ελέγχονται από δύο σερβοκινητήρες ώστε να εστιάζουν στην κατεύθυνση όπου υπάρχει η μεγαλύτερη ηλιακή ακτινοβολία. Θα αξιοποιήσουμε τέσσερις αισθητήρες φωτός για να ανιχνεύουμε τα δεδομένα που χρειάζονται.

Η μετάδοση της ενέργειας στη Γη θα γίνεται από μονάδες laser οι οποίες θα είναι όλες στραμμένες σε ένα μοναδικό σημείο, όπου θα βρίσκεται το εργοστάσιο συλλογής και μετατροπής των ακτίνων laser σε ηλεκτρική ενέργεια.

Σε περίπτωση που οι ακτίνες laser για κάποιον απρόβλεπτο λόγο δεν βρίσκουν τον στόχο τους και για να μην υπάρχει κίνδυνος για καταστροφές θα απενεργοποιούνται αυτόματα. Ο έλεγχος θα γίνεται με επιπλέον αισθητήρες φωτός που θα υπάρχουν στην εγκατάσταση στη Γη, ενώ η επικοινωνία του σταθμού εδάφους με τον δορυφόρο θα γίνεται ασύρματα.

Λίστα εξοπλισμού και προτεινόμενο κόστος

  • 2 SET OEM UNO R3 (ATMEGA328P)
  • 2 SG90 MICRO SERVO MOTOR FOR ARDUINO
  • 4 LIGHT DEPENDENT RESISTOR LDR 5MM
  • 4 10K Resistors
  • 1 LASER MODULE 650NM 5V 5MW FOR ARDUINO
  • 2 NRF24L01+ 2.4GHZ ANTENNA WIRELESS TRANSCEIVER MODULE FOR ARDUINO
  • 20 LED lights 5mm
  • 2 BREADBOARD SYB-120 700 HOLES BREADBOARD
  • Dupont jumper wires
  • 1 9V BATTERY HOLDER BOX CASE WITH 5.5*2.1MM DC PLUG CONNECTOR FOR ARDUINO B4
  • 1 DIY 12V 8 X AA BATTERY HOLDER CASE BOX WITH SWITCH AND DC CONNECTOR

Συνολικό κόστος ηλεκτρονικών: 50 ευρώ

Διαστημικός σταθμός

Ο διαστημικός σταθμός είναι το βασικό κομμάτι της κατασκευής μας. Συλλέγει την ηλιακή ενέργεια, την μετατρέπει σε ακτίνα laser και την στέλνει στον σταθμό της γης. Περιλαμβάνει ένα αυτόματα περιστρεφόμενο ηλιακό πάνελ, το οποίο χρησιμοποιεί 4 αισθητήρες φωτός LDR, και 2 κινητήρες servo. Μπορείτε να δείτε περισσότερα για την αρχή λειτουργίας του, στο αντίστοιχο εργαστήριο.

Κατασκευή

Για την κατασκευή του περιστρεφόμενου πάνελ χρησιμοποιήσαμε το τρισδιάστατο σχέδιο Dual Axis Solar Tracker, από το OpenSourceClassroom, το οποίο και εκτυπώσαμε στον τρισδιάστατο εκτυπωτή του ομίλου μας.

Συνδεσμολολογία διαστημικού σταθμού

Ο διαστημικός μας σταθμός που παράγει ηλεκτρική ενέργεια, βρίσκεται στο πάνω μέρος της μακέτας και περιλαμβάνει το περιστρεφόμενο πάνελ, την μονάδα laser καθώς και τον ένα πομποδέκτη επικοινωνίας. Στον παρακάτω πίνακα καθώς και στο σχέδιο που ακολουθεί φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να κάνουμε τις συνδέσεις.

Αισθητήρας φωτός πάνω αριστεράArduino
Κόκκινο καλώδιο5V
Άλλο καλώδιοA0
Αισθητήρας φωτός πάνω δεξιάArduino
Κόκκινο καλώδιο5V
Άλλο καλώδιο A1
Αισθητήρας φωτός κάτω αριστεράArduino
Κόκκινο καλώδιο 5V
Άλλο καλώδιο A2
Αισθητήρας φωτός κάτω δεξιά Arduino
Κόκκινο καλώδιο 5V
Άλλο καλώδιο A3
Κινητήρας servo δεξιά-αριστεράArduino
Κόκκινο καλώδιο5V
Καφέ καλώδιοGND
Πορτοκαλί καλώδιοD5
Κινητήρας servo δεξιά-αριστερά Arduino
Κόκκινο καλώδιο 5V
Καφέ καλώδιο GND
Πορτοκαλί καλώδιο D6
LaserArduino
GND
SD9
Ρεύμα 5V (δεν γράφει κάτι)5V
Σχέδιο συνδέσεων του διαστημικού σταθμού

Έλεγχος λειτουργίας των αισθητήρων φωτός

Πριν γράψουμε το πρόγραμμα μας θα πρέπει να κάνουμε τους απαραίτητους ελέγχους για να δούμε ότι όλα τα συστήματα δουλεύουν σωστά. Αρχικά θα ξεκινήσουμε με τους 4 αισθητήρες φωτός. Θα πρέπει να καταγράψουμε σε ένα χαρτί τις τιμές που μας δίνει ο κάθε αισθητήρας στο απόλυτο σκοτάδι και στο απόλυτο φως. Αυτό συμβαίνει γιατί ο κάθε αισθητήρας είναι διαφορετικός και μπορεί να έχει μικρές διαφορές στις τιμές που διαβάζει από τους άλλους. Ανοίξτε και εκτυπώστε το παρακάτω αρχείο στον εκτυπωτή του εργαστηρίου μας.

Στον πίνακα αυτό υπάρχουν στις 2 πρώτες στήλες η θέση του κάθε αισθητήρα και το αναλογικό Pin στο οποίο είναι συνδεδεμένος. Στις επόμενες δυο στήλες που ακολουθούν θα πρέπει να συμπληρώσουμε τις τιμές που παίρνει ο κάθε αισθητήρας για το σκοτάδι και το φως.

Αφού ελέγξουμε ότι έχουμε κάνει σωστά τις συνδέσεις, συνδέουμε το Arduino στον υπολογιστή γράφουμε το παρακάτω πρόγραμμα.

void setup() {
  pinMode(A0, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println(analogRead(A0));
  delay(100);
}

Αποθηκεύουμε το πρόγραμμα μας με το όνομα test_light και το φορτώνουμε στο Arduino. Αφού το πρόγραμμα ανέβει στο Arduino, ανοίγουμε την σειριακή οθόνη η οποία μας δείχνει τις τιμές που δίνει ο αισθητήρας φωτός που είναι στην θέση Α0. Αυτός είναι ο αισθητήρας που βρίσκεται πάνω αριστερά στην κατασκευή μας. Θα πρέπει τώρα να κάνουμε 2 δοκιμές:

  1. Καλύπτουμε πλήρως με το δάχτυλο μας τον αισθητήρα (ώστε να μην παίρνει καθόλου φως) και παρατηρούμε την τιμή που μας δείχνει η σειριακή οθόνη. Την καταγράφουμε στον πίνακα που έχουμε εκτυπώσει
  2. Παίρνουμε έναν φακό και αφού τον έχουμε ενεργοποιήσει τον πηγαίνουμε πάνω από τον συγκεκριμένο αισθητήρα (ώστε να έχει πλήρες φως) και παρατηρούμε την τιμή που μας δείχνει η σειριακή οθόνη. Την καταγράφουμε στον πίνακα που έχουμε εκτυπώσει.

Θα πρέπει τώρα να κάνουμε τις ίδιες δοκιμές για τους υπόλοιπους αισθητήρες. Κάθε φορά όμως θα πρέπει να αλλάζουμε το πρόγραμμα μας ώστε να παίρνουμε την τιμή από τον σωστό αισθητήρα. Αντί για Α0 θα πρέπει να βάλουμε το Α1, μετά το Α2 και τέλος το Α3.

Έλεγχος laser

Αφού έχουμε ελέγξει τους αισθητήρες φωτός, πάμε να ελέγξουμε το laser. Δημιουργούμε ένα νέο πρόγραμμα στο Arduino και το αποθηκεύουμε με το όνομα laser_test.

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(9, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(9, LOW);
  delay(1000);
}

Φορτώνουμε το πρόγραμμα στο Arduino και αν όλα έχουν πάει καλά θα πρέπει το laser να αναβοσβήνει κάθε δευτερόλεπτο.

Σταθμός στην γη

Ο σταθμός που βρίσκεται στην γη λαμβάνει την ακτίνα laser από τον δορυφόρο και την μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από έναν αισθητήρα φωτός LDR και από ένα λαμπάκι LED.

Συνδεσμολολογία βάσης στη γη

Η βάση στη γη λαμβάνει την ακτίνα laser από τον διαστημικό σταθμό και την μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Η βάση μας βρίσκεται στην βάση της μακέτας και περιλαμβάνει τον αισθητήρα φωτός και ένα δυνατό φως 3W, καθώς και τον πομποδέκτη επικοινωνίας. Στον παρακάτω πίνακα καθώς και στο σχέδιο που ακολουθεί φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να κάνουμε τις συνδέσεις.

Αισθητήρας φωτόςArduino
VCC5V
GNDGND
A0A0
Δυνατό φως LEDArduino
+5V
GGND
SD9
Σύνδεση αισθητήρα φωτός και LED

Έλεγχος φωτός LED

Πάμε τώρα να δοκιμάσουμε αν έχουμε κάνει καλά τις συνδέσεις μας, ξεκινώντας από το φως LED. Ανοίγουμε το Arduino και δημιουργούμε ένα νέο πρόγραμμα που το αποθηκεύουμε με το όνομα led_test.

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(9, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(9, LOW);
  delay(1000);
}

Φορτώνουμε το πρόγραμμα στο Arduino και αν όλα έχουν πάει καλά θα πρέπει το φως να αναβοσβήνει κάθε δευτερόλεπτο.

Έλεγχος αισθητήρα φωτός

Ανοίγουμε το Arduino και δημιουργούμε ένα νέο πρόγραμμα που το αποθηκεύουμε με το όνομα light_sensor_test.

void setup() {
  pinMode(A0, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println(analogRead(A0));
  delay(100);
}

Φορτώνουμε το πρόγραμμα μας στο Arduino και ανοίγουμε την σειριακή οθόνη. Εκεί το Arduino μας δείχνει τις τιμές που βλέπει ο αισθητήρας φωτός και οι οποίες είναι ανάμεσα στο 0 και το 1024.

Υλοποίηση

Ένα πολύ σημαντικό βήμα πριν ξεκινήσουμε τις εργασίες που απαιτούνται, είναι να δημιουργήσουμε τον πίνακα εργασιών του project μας όπου θα καταγράφουμε τι εργασίες έχουν γίνει και ποιες πρέπει να γίνουν, σύμφωνα με τις οδηγίες που υπάρχουν στο άρθρο για την διαχείριση των έργων μας.

Ο πίνακας εργασιών της ομάδας μας

Κατασκευή μακέτας

Για την μακέτα του έργου μας θα χρησιμοποιήσουμε μια ξύλινη κατασκευή που υπάρχει ήδη στον όμιλο από παλαιότερο έργο ρομποτικής ομάδας και η οποία αφορούσε τον πλανήτη Άρη. Αυτό που πρέπει όμως να κάνουμε είναι να αλλάξουμε τα χρώματα της κατασκευής.

Βάφουμε τον ουρανό με μπλε και το διάστημα με μαύρο χρώμα.

Αλγόριθμος solar panel

Αφήστε μια απάντηση