АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ (ЧИСТЯЩИЕ РОБОТЫ) ДЛЯ БОЛЬШИХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ И БОЛЬШИХ СТЕКЛЯННЫХ ЗДАНИЙ

Категория: Инженерия.

Реферат. Фотоэлектрические системы (ФЭС) в последние годы получают все большее распространение ввиду своей экологичности, эффективности и постоянно увеличивающейся доступности. Преобразование солнечного излучения в постоянный электрический ток с помощью ФЭС позволяет получать экологически чистую электрическую энергию. Особенно актуальны такие фотоэлектрические системы в южных регионах с максимальным солнечным излучением. Разнообразие размеров и форм таких систем позволяет применять их для насыщения электрической энергией крупные объекты или населенные пункты, а также индивидуальные домовладения, что позволит существенно сократить затраты на пользование электрической энергией как организациям, так и частным лицам. Однако при эксплуатации фотоэлектрических систем возникает проблема своевременной очистки поверхностей таких систем от органических и неорганических загрязнений- птичьего помета, песка, пыли, грязи и т.д., которые приводят к снижению эффективности использования солнечного излучения до 0,8% в день, а также к выходу их из строя. Применяемые в настоящее время системы очистки ФЭС достаточно затратны и малоэффективны, особенно в условиях высокого загрязнения атмосферы пылью. Поэтому более эффективны в таких условиях роботы-уборщики фотоэлектрических систем. Робот-уборщик прикрепляется к поверхности фотоэлектрической панели с помощью вакуума и перемещаются по поверхности панели по направляющим рельсам. Управление роботом производится автоматически с помощью блока управления или человеком дистанционно. Высокая эффективность роботов-уборщиков позволяет их применять и при очистке стеклянных фасадов архитектурных зданий в городах.

Ключевые слова: фотогальванические системы, чистка больших электрических полей электрических центров, роботы для чистки фасадов.

Фотоэлектрические системы (ФЭС) – устройства, которые генерируют электрическую энергию путем преобразования солнечного излучения в постоянный электрический ток с использованием полупроводников, дающих фотогальванический эффект. Он выражается в генерации напряжения под действием света. Фотоны, составляющие свет, поглощаются полупроводниковым материалом клеток, увеличивая уровень энергии атомов в нем. При возбуждении они выделяют электроны, которые способны перемещаться через материал. Структура ФЭС такова, что электроны могут двигаться только в одном направлении, создавая ток. ФЭС выполняются в форме солнечных батарей из нескольких ячеек фотогальванического материала, в которых происходят поглощение света, освобождение и движение электронов. Основой фотоэлектрического преобразования являются эффект солнечной радиации и способ концентрации света. Согласно этому критерию системы бывают двух типов – с использованием прямого солнечного света (без концентрации) и система с концентраторами и отражателями. Третий критерий – ориентация фотогальванических панелей. Статические панели доступны с фиксированной ориентацией на солнце, а также системами слежения, которые позволяют ­ориентировать одну или две оси относительно солнца. В системах слежения с одной осью обычно отслеживается движение солнца в течение дня. В системах слежения с двумя движениями оси панели устанавливаются сезонно с учетом положения солнца относительно горизонта. На производительность солнечных элементов влияет ряд факторов, таких как:

• климат и климатические условия;
• изменение ночи и дня;
• неравномерное освещение;
• загрязнение;
• повышение температуры;
• необратимые потери.

  Солнечные (фотогальванические) панели представлены следующими видами:

• монокристаллические фотоэлектрические панели;
• поликристаллические фотоэлектрические панели;
• тонкопленочные фотогальванические панели;
• фотоэлектрические панели для встраивания;
• фотоэлектрические тепловые панели.

  Основные типы солнечных (фотоэлектрических) систем:

• микросолнечные;
• автономные солнечные;
• солнечные энергосистемы.

  Все фотоэлементы работают по принципу внутреннего фотоэффекта.

  Фотоэлектрические элементы обычно устанавливаются на южном фасаде здания (рис. 1). Они состоят из различных модулей из кристаллического кремния или из тонкопленочных покрытий из слоев полупроводниковых материалов толщиной в несколько микрометров. Как правило, слои наносят на закаленное стекло. Добавление слоев стекла к базовому элементу полупрозрачного фотоэлектрического модуля добавляет к функциональным характеристикам модулей тепло- и звукоизоляцию. Среди последних разработок – высокопроизводительные модули, состоящие из отдельных пакетов солнечных элементов, расположенных один над другим для достижения максимального захвата и преобразования солнечной энергии. Верхний слой воспринимает солнечный свет, содержащий наибольшую энергию. Он передает ее оставшуюся часть другим слоям, которые поглощают и преобразуют ее. Для производства таких высокоэффективных ячеек широко используются арсенид галлия и его сплавы, а также аморфный кремний, медь-индий диселейн, фосфид галлия-индия и другие.

  В настоящее время массово производятся фотоэлектрические элементы из кристаллического кремния, обеспечиващие напряжение около 0,6 В и максимальный ток при полной освещенности 1,2 А. При построении фотогальванической панели отдельные ячейки соединяются последовательно и параллельно. Как правило, отдельные последовательные клоны соединены антипараллельно по одному диоду, который предназначен для шунтирования всего клона, если он случайно затемнен. Затемнение только части фотогальванической панели, в частности только одной фотоэлектрической ячейки, опасно. Поэтому в цепи, в которой есть затемненные и незатемненные ячейки, сопротивление нагрузки действует как связывающее, а роль нагрузки играет затемненная ячейка. Это может привести к термическому разрушению. Антипараллельные диоды ограничивают этот эффект, но только если цельный клон затемнен, а одноячеечное затемнение остается опасным. Поэтому фотовольтеки следует периодически очищать, особенно от помета птиц, который вызывает именно такое локальное затемнение (рис. 2).

  Проблема в том, что многие компании в мире предпочитают искать альтернативные решения, разрабатывать новые, более эффективные способы очищения солнечных батарей по сравнению с обычными (рис. 3).

  Предлагаются системы с использованием воды под давлением. Ее распыление происходит в виде мощного аэрозоля в сочетании с вращающейся щеткой. Такие системы устанавливаются на транспортных средствах или устройствах (рис. 4).

  При этом грязь, пыль с солнечных батарей смываются с более низким расходом воды, в сравнении с  традиционными методами очищения. Система может быть адаптирована для комплектации разных машин в любом месте.

  Даже небольшой слой грязи приводит к потере энергии. Параметры, определяющие эффективность очистки: максимальная очистка в час – объем; количество щеток – 3, 4, 5 или более; максимальная скорость; максимальная ширина очистки и т. д. Ширина щетки может быть адаптирована к индивидуальным установкам путем сборки робота-уборщика с помощью щеток размером 3, 4 или 5 мм. Они используются для солнечных ферм и с наклоном до 30° (рис. 6).

  Известны различные методы перемещения робота. Один из них показан на рисунке 7, где несколько отдельных контролируемых «ног» вращаются, описывая овалы в двух разных плоскостях. Робот прикрепляется к плоским поверхностям вакуумом и может двигаться во всех направлениях. Оператор контролирует его работу с джойстика (рис. 8).

  Есть вариант, когда, автомобиль сопровождает робота и предоставляет ему электрическую энергию, воду, сжатый воздух и альтернативный транспорт, а также обеспечивает перемещение между панелями. Это достигается интегрированным кронштейном крана (рис. 9).

  Пустыни идеально подходят для добывания солнечной энергии, но большое количество пыли создает серьезные проблемы. Владельцы парков в таких местах нуждаются в совершенном методе очистки панелей для поддержания оптимальных условий. В противном случае они теряют около 0,4–0,8% эффективности в день и до 60% – после песчаных бурь. С этой целью в Саудовской Аравии был разработан робот для очистки пыльных солнечных панелей без воды (рис. 10).

  Роботы монтируются на рельсах и по крайней мере один раз в день проходят через панели и чистят их сухой щеткой. Она спроектирована так, чтобы не повредить панели. Это решение лучше, чем ручная чистка, которая традиционно проводится раз в одну или две недели. Очищенные таким образом панели гораздо ­меньше времени оказываются запыленными. Поэтому они производят больше электроэнергии. Один из таких роботов может очищать ряд панелей длиной от 600 до 900 м.

  Чтобы повысить производительность и эффективность, каждая группа панелей может оснащаться собственными роботами, и они будут работать параллельно. Поэтому для очистки солнечной фермы не потребуется много времени. Чистящие роботы также могут использоваться в городских условиях. Современные архитектурные конструкции все сложнее и сложнее и очистка их фасадов имеет особое значение. Большие здания все еще очищаются вручную. При проектировании новых строительных конструкций есть смысл рассмотреть автоматическую очистку на стадии планирования. После уточнения система будет модернизирована для существующих зданий.

  Система состоит из трех компонентов:

• чистящий робот для фасадов;
• система безопасности;
• блок питания.

  Она может работать как в полностью автоматическом, так и в полуавтоматическом режиме.

  Робот прикрепляется к гладким поверхностям с использованием вакуума и способен передвигаться во всех направлениях (рис. 11).

  Преимущества использования такой техники: большая очищающая способность, чем при ручном способе; полностью автоматизированной системе нужен только один человек для настройки и перемещения системы; сочетание вращающихся щеток и деминерализованной воды обеспечивает идеальный результат очистки; простое радиоуправление с помощью джойстика или полностью автоматизированная система; по уборке жилых зданий, гостиниц и многое другое.

  При проектировании роботов для очистки фасадов необходимо определить производительность, максимальную рабочую скорость, размер робота, высоту, ширину и вес, размеры щетки и тип управления – проводной, беспроводной, дистанционный и т. д.

  Оптимальный режим работы робота определяется потреблением воды, напряжением питания и системой безопасности, расходом воздуха и резервуаром под давлением.

  В качестве исходных данных необходимо принять максимальную утечку воздуха, максимальный рабочий наклон, максимальную высоту здания и внешнюю температуру.

  В зависимости от здания и возможностей использования имеющегося оборудования известно несколько вариантов применения.

  1. Facade Robot – интеграция с рельсовой системой, которая установлена на краю крыши. Платформа на крыше используется для закрепления робота. Блок питания (вода/воздух/мощность) идет от основания здания (рис. 12).

  Управление системой может осуществляться вручную или быть полностью автоматизировано. Блок питания робота подходит для разных зданий. Платформа остается на крыше.

  2. Вследствие вертикальной нагрузки робот с подающим шлангом не может крепиться к фасаду. Система будет более безопасной, если крепится к крыше со встроенной рельсой. Робот прикрепляется к плоским поверхностям с использованием вакуума. К роботу можно добавить рабочую платформу. Блок питания подается от основания здания. Управление системой выполняется вручную человеком с рабочей платформы (рис. 13).

  Используя компьютерное моделирование, можно разработать процесс с определенными выходными данными. На рисунке 14 показаны две версии очистки робота с использованием продукта NXUnigrafix.

  ЛИТЕРАТУРА

  1. Тончев Г. Новоизобретен български слънчев термо-фотоволтаичен (електрически) когенератор.
  2. Младенчева Р. Фотоволтаични електросистеми. – Ековат Техно­логии, 2009.
  3. Бобчева М., Табаков С., Горанов П., Преобразователна техника. – София, 2002.
  4. Serbot: Cleaning Sistems for Solar Panels and Building Fasade [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.serbot.ch
  5. Gamboo E., Hernando M., Her­nandez F., Pinilla E. Cost-effective robots for façade cleaning.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед