Solar Water Energy Generator (SWEG)
Ομάδα: Moving Minds
Εκπαιδευτικό Κέντρο: ROBOTONIO
Στις μεσογειακές χώρες, όπως και στη χώρα μας, η χρήση ηλιακών θερμοσίφωνων είναι αρκετά εκτεταμένη, τόσο σε σπίτια όσο και σε ξενοδοχειακές μονάδες. Ειδικά τους καλοκαιρινούς μήνες, όσοι έχουμε ηλιακό θερμοσίφωνα στο σπίτι μας, θα έχουμε αντιληφθεί το γεγονός ότι το νερό του ηλιακού είναι πολύ πιο ζεστό από ότι χρειαζόμαστε. Επιπλέον, ακόμη και αν καταναλώσουμε όλο το ζεστό νερό, η αναπλήρωσή του γίνεται σχεδόν άμεσα, καθώς οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται από τον ήλιο κατά τη θερινή περίοδο είναι ιδιαίτερα μεγάλες. Ο προβληματισμός επομένως είναι, εάν υπάρχει κάποιος τρόπος να αξιοποιηθεί αυτό το πλεονάζον ζεστό νερό, στον χώρο της παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας. Πώς επομένως μπορούμε με έναν αποδοτικό τρόπο να αξιοποιήσουμε αυτή τη θερμότητα, που ούτως ή άλλως θα απορριφθεί στο περιβάλλον;
Η ιδέα μας είναι να αξιοποιήσουμε το πλεονάζον ζεστό νερό του θερμοσίφωνα χρησιμοποιώντας TEC’s (thermoelectric coolers) τα οποία μετατρέπουν την διαφορά θερμοκρασίας στις 2 πλευρές τους σε ηλεκτρική τάση. Το ζεστό νερό του θερμοσίφωνα θα περνά με αντλία και σωλήνες στα TEC’s όπου από την άλλη του πλευρά θα διαθέτουν ψήκτρες με σκοπό να διατηρείται μεγάλη η διαφορά θερμοκρασίας. Επίσης η κατασκευή θα διαθέτει οθόνη και συστήματα ελέγχου προκειμένου να γνωρίζουμε τις πληροφορίες του συστήματος αλλά και να μπορεί ο χρήστης να αλληλοεπιδράσει με το πρότυπό μας.
Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, η ιδέα μας αφορά την αξιοποίηση του ζεστού νερού από τον ηλιακό θερμοσίφωνα ειδικά κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, οπού το νερό είναι αρκετά πιο ζεστό από ότι χρειάζεται. Πιο συγκεκριμένα, θα αναπτύξουμε ένα σύστημα δικής μας επινόησης βασισμένο όμως σε ήδη δοκιμασμένες τεχνολογίες, το οποίο θα συνδέεται στον ηλιακό θερμοσίφωνα (κυρίως μεγάλων ξενοδοχειακών μονάδων) με μία απλή εγκατάσταση από υδραυλικό και θα αξιοποιεί το φαινόμενο Peltier-Seebeck κατά το οποίο όταν κατά μήκος ενός αγωγού υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, τότε υπάρχει και διαφορά τάσης. Το σύστημά μας θα τροφοδοτείται από μια ενσωματωμένη μπαταρία λιθίου η οποία θα φορτίζεται όταν παράγεται ρεύμα από το σύστημα. Εσωτερικά, θα αποτελείται από μια διάταξη 8 TECs συνδεδεμένα σε σειρά. Από τη μία πλευρά τους θα ακουμπούν σε μια αλουμινένια τετραγωνισμένη σωλήνα που θα διερευνάται από ζεστό νερό, ενώ από την άλλη, θα είναι κολλημένα σε μεγάλες αλουμινένιες ψήκτρες. Ο λόγος χρήσης του αλουμινίου αφορά τις εξαιρετικές ιδιότητές του όσον αφορά την θερμική αγωγιμότητα. Επιπλέον, το λογισμικό της κατασκευής θα διακόπτει τη λειτουργία της όταν η θερμοκρασία του νερού μειωθεί, ώστε το νερό να διατηρείται σε κατάλληλη θερμοκρασία χρήσης από άνθρωπο, χωρίς να αλλοιώνει τη λειτουργία ενός ηλιακού. Τέλος, πάνω στη κατασκευή, θα υπάρχουν μια οθόνη LCD που εξάγει χρήσιμα δεδομένα στο χρήστη, ενώ θα τοποθετηθούν και κουμπιά για εύκολη περιήγηση στο μενού του συστήματος.
- Thermoelectric Cooler Peltier Module (TEC)
- Αντλία
- Θερμός (με ζεστό νερό)
Ηλεκτρονικά:
- Πλακέτα microbit V2
- LCD οθόνη
- Κουμπιά
- Ποτενσιόμετρο
- Καλώδια
Για να αναλυθεί η δομή του project καθώς και ο τρόπος που τα δομικά του μέρη θα συνδυάζονται, είναι σημαντικό να γίνει αντιληπτός ο διαχωρισμός των λειτουργιών του σε τρία μέρη.
- Διαχείριση Νερού
- Ροή Παραγόμενης Ενέργειας
- Ροή Αποθηκευμένης Ενέργειας
Η διαχείριση του νερού είναι το πρώτο μεγάλο κεφάλαιο της ιδέας μας. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, για την προσομοίωσή μας, το ζεστό νερό θα περιέχεται σε ένα θερμός. Από εκεί, με την βοήθεια της αντλίας το νερό θα μεταφέρεται στην θερμοηλεκτρική γεννήτρια όπου θα παράγεται η ενέργεια. Μετά την αξιοποίηση του νερού στην TEG, αυτό θα επιστρέφει στο θερμός δημιουργώντας έναν κλειστό βρόγχο ώστε το νερό να επαναχρησιμοποιείται. Η ροή του νερού συνοψίζεται στο ακόλουθο διάγραμμα.
Στη προηγούμενη ενότητα, παρουσιάστηκε ο τρόπος παραγωγής της ενέργειας. Πολύ σημαντική όμως είναι και η διαχείρισή της με σκοπό την φόρτιση της μπαταρίας λιθίου. Πιο αναλυτικά, η παραγόμενη τάση τροφοδοτείται σε ένα κύκλωμα που την μετατρέπει στο επιθυμητό επίπεδο. Μετά, σταθεροποιείται με έναν ελεγκτή τάσης, πριν διοχετευθεί στον ελεγκτή φόρτισης που θα αναλάβει τη διαχείριση της ενέργειας της μπαταρίας. Η τελική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε παρουσιάζεται στην εικόνα.
Το τελευταίο τμήμα του προτύπου, αφορά την διαχείριση της αποθηκευμένης ενέργειας του συστήματος. Η μπαταρία μέσω του κατάλληλου φορτιστή, θα διοχετεύει την ενέργεια της σε τρία υποσυστήματα. Αυτά αναλαμβάνουν την παραγωγή του επιθυμητού επιπέδου τάσης. Πιο συγκεκριμένα, 3.3ν και 5ν που τροφοδοτούν τον μικρο-ελεγκτή μας καθώς και κάθε μονάδα εισόδου/εξόδου, αλλά και 6ν/12ν για την τροφοδοσία του οδηγού και της αντλίας. Η δομή που κατασκευάσαμε:
Η λειτουργία του συστήματος θα ελέγχεται από έναν μικρο-ελεγκτή, ο οποίος θα δέχεται δεδομένα από αισθητήρες θερμοκρασίας που επιστρέφουν τη θερμοκρασία του ζεστού νερού, από κουμπιά που ελέγχει ο χρήστης και από μετρητές τάσης και έντασης ρεύματος. Μετά την ανάλυση των δεδομένων, η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα θα ορίζεται στην ιδανική (εξοικονόμηση ενέργειας και περιορισμός πτώσης θερμοκρασίας νερού) καθώς και τα δεδομένα θα εξάγονται στην LCD οθόνη. Οι είσοδοι/έξοδοι του μικρο-ελεγκτή παρουσιάζονται στο διάγραμμα:
| Υλικό | Κόστος (ευρώ) |
|---|---|
| Tec | 60 |
| Αντλία | 20 |
| Microbit v2 | 30 |
| LCD Screen | 10 |
| Buttons | 5 |
| Κουτί κατασκευής | 50 |
| Μπαταρία | 20 |
| Ηλεκτρονικά (φορτιστής/Buck-boost converters) | 40 |
| Wires | 10 |
| Σύνολο | 245 |
Το πρότζεκτ μας θα είναι προγραμματισμένο με τη γλώσσα Python χρησιμοποιώντας την εφαρμογή της Microsoft MicrοBit Makecode (ή το IDE Visual Studio Code). Στην εικόνα που ακολουθεί, παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του προγράμματός μας (αρχική προσέγγιση).
Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, ο μικρο-ελεγκτής μας θα πραγματοποιεί μια μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στην αρχή της επανάληψης. Αν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από μία τιμή που ορίζουμε εμείς, τότε η αντλία μας γυρνά με το 100% της ταχύτητάς της. Αλλιώς, θα περιστρέφεται μόλις με το 40%. Έπειτα, θα ενημερώνει την οθόνη για τη θερμοκρασία, την ταχύτητα της αντλίας, τη τάση που παράγεται, τη κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας και την ενέργεια που καταναλώνεται από το σύστημα. Τέλος, θα περιμένει για ένα προκαθορισμένο χρόνο πρίν επαναλάβει τη διαδικασία από την αρχή.
Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι ένα σύστημα θέρμανσης του νερού χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια. Χρησιμοποιείται κυρίως στις μεσογειακές χώρες όπου υπάρχει μεγάλο ποσοστό ηλιοφάνειας. Με τον θερμοσίφωνα πραγματοποιείται η κυκλοφορία του νερού χωρίς να χρησιμοποιηθούν μηχανικά μέρη, δηλαδή με αντλίες.
Μερικές από τις πηγές που πειραματιστήκαμε είναι οι εξής:
https://www.youtube.com/watch?v=cEZ9wUbu1R8