Show HN: เครื่องรวมแสงอาทิตย์อัตโนมัติทำเอง
(github.com/remipch)- Solar Concentrator คือเครื่องรวมแสงอาทิตย์อัตโนมัติแบบทำเอง ประกอบด้วยแผงกระจกที่ปรับทิศทางได้ เป้าหมายแบบคงที่ และอุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ปัจจุบันใช้กระจกรวมแสง 48 บาน รวมพื้นที่ 1m²
- เมื่อวันที่ 26 มิถุนายน 2024 หลังเพิ่มฟอยล์อะลูมิเนียมภายในเตาอบเพื่อปรับปรุงฉนวนกันความร้อน อุณหภูมิในเตาอบเพิ่มขึ้นถึง 210°C หลังผ่านไป 30 นาที
- อุปกรณ์นี้สามารถสร้างความร้อนได้สูงสุดประมาณ 1000W ขณะ ใช้ไฟฟ้า 3.8W และสามารถสร้างได้ด้วยชิ้นส่วนและวัสดุมาตรฐานที่ราคาถูกและหาได้ง่าย
- เวอร์ชันปัจจุบัน ยังไม่มีชั้นความปลอดภัย ต้องปรับทิศทางแผงด้วยมือก่อนการติดตามอัตโนมัติ ควบคุมได้เพียงแผงเดียว และไม่ทำงานในวันที่มีเมฆมาก
- ขั้นต่อไปคือการควบคุมแผงจำนวนเท่าใดก็ได้เพื่อให้ได้ กำลังเอาต์พุตระดับหลาย kW และอาจนำไปใช้กับการให้ความร้อนของเหลวปริมาณมาก การแยกเกลือออกจากน้ำและฆ่าเชื้อ การปรุงอาหารและฆ่าเชื้อ การหลอมวัสดุ และการเพิ่มกำลังเอาต์พุตของระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง
โครงสร้างและการทำงานของโปรเจกต์
- Solar Concentrator เป็นโปรเจกต์เครื่องรวมแสงอาทิตย์อัตโนมัติแบบทำเอง
- โครงสร้างปัจจุบันแบ่งเป็น 3 ส่วน
- แผงกระจกที่ปรับทิศทางได้: ปัจจุบันมี กระจกรวมแสง 48 บาน รวม 1m²
- เป้าหมายแบบคงที่: ปัจจุบันเป็นเตาอบคอนกรีตอย่างง่ายที่มีแผ่นโลหะสีดำและกระจกเทมเปอร์
- อุปกรณ์กำกับดูแล (supervisor): อุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่วัดเป้าหมาย คำนวณและส่งคำสั่งมอเตอร์
- วิดีโอการทำงานวันที่ 8 กรกฎาคม 2024 ประกอบด้วยสองส่วน
- ช่วงแรกแสดงขั้นตอนการประกอบแบบ เร็วขึ้น 10 เท่า
- ช่วงหลังแสดงการติดตามดวงอาทิตย์อัตโนมัติประมาณ 7 ชั่วโมง แบบ เร็วขึ้น 600 เท่า
ประสิทธิภาพและแนวทางการสร้าง
- วันที่ 26 มิถุนายน 2024 เมื่อเพิ่มฟอยล์อะลูมิเนียมภายในเตาอบเพื่อปรับปรุงฉนวนกันความร้อน อุณหภูมิในเตาอบเพิ่มขึ้นถึง 210°C หลังผ่านไป 30 นาที
- คุณลักษณะหลักมีดังนี้
- สามารถผลิตความร้อนได้สูงสุดประมาณ 1000W ขณะใช้ไฟฟ้า 3.8W
- ใช้ชิ้นส่วนและวัสดุมาตรฐาน ราคาถูก และหาได้ง่าย
- ไม่ต้องการการผลิตที่มีความแม่นยำสูง และสามารถทำด้วยมือโดยใช้เครื่องมือทั่วไป
- ประกอบและถอดแยกได้ง่าย
- เข้าใจและปรับแก้ได้ง่าย
- เผยแพร่เป็น โอเพนซอร์ส
คำเตือนด้านความปลอดภัยและข้อจำกัดปัจจุบัน
- โปรเจกต์นี้อาจทำให้คนหรือสัตว์รอบข้าง ตาบอดถาวร ผิวหนังไหม้ หรือวัตถุติดไฟ ได้
- แม้จะปิดเครื่องอยู่ แสงอาทิตย์ก็ยังถูก รวมเข้มขึ้น 48 เท่า ในบริเวณเล็ก ๆ หนึ่งจุด
- จุดโฟกัสจะเคลื่อนที่ต่อไปตามเส้นทางที่คาดเดาได้ยาก
- ในสถานะปัจจุบันต้อง เฝ้าระวัง อุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง และหากเกิดความผิดปกติต้องรีบคลุมกระจกอย่างรวดเร็ว
- ข้อจำกัดของเวอร์ชันปัจจุบันมีดังนี้
- ยังไม่ได้ติดตั้งชั้นความปลอดภัย
- ต้องมี ขั้นตอนเริ่มต้นแบบแมนนวล เพื่อปรับทิศทางแผงก่อนจะติดตามดวงอาทิตย์โดยอัตโนมัติ
- ควบคุมได้เพียงแผงเดียว
- ไม่ทำงานในวันที่มีเมฆมาก
- หากใช้งานโหมดพลังงานต่ำหลายแบบ จะสามารถลดการใช้ไฟฟ้าได้อย่างมาก
ชิ้นส่วนที่ใช้และผลิตภัณฑ์ที่นำกลับมาใช้ใหม่
- ผลิตภัณฑ์บางรายการถูกนำไปใช้ต่างจากวัตถุประสงค์เดิม
- กระจกเทมเปอร์ของเตาอบนำมาจาก ชั้นวาง Ikea
- กระจกเงาใช้ กระจกห้องน้ำสำหรับตกแต่ง
- มอเตอร์ใช้ มอเตอร์โมเดล ราคาถูก
โครงสร้างทางเทคนิค
- โครงสร้างโปรเจกต์สะท้อนองค์ประกอบทางเทคนิค
- องค์ประกอบย่อยหลักมีดังนี้
- Mechanics: โมเดล 3D ของชิ้นส่วนที่ใช้ในแผงพลังงานแสงอาทิตย์
- Electronics: ผังวงจรและเลย์เอาต์ของบอร์ดกำกับดูแลแบบคัสตอม
- Simulator: ประเมินกำลังเชิงทฤษฎีที่เป้าหมายได้รับจากการตั้งค่าฮาร์ดแวร์ที่กำหนด
- Supervisor controller: เฟิร์มแวร์ ESP32-CAM ที่ใช้ Espressif ESP32 framework
- Supervisor component: นิยามลอจิกระดับสูงของอุปกรณ์กำกับดูแล
- Sun tracker: คำนวณคำสั่งมอเตอร์เพื่อรักษาแสงอาทิตย์ให้อยู่กึ่งกลางบริเวณเป้าหมาย
- Target detector: ตรวจจับตำแหน่งเป้าหมายในภาพ
- Web interface: ช่วยให้ผู้ใช้โต้ตอบกับอุปกรณ์กำกับดูแลได้
- Motors component: ควบคุมมอเตอร์ในแอปพลิเคชัน ESP32
- Image component: ให้ฟังก์ชันประมวลผลภาพทั่วไป
- Motors controller: เฟิร์มแวร์ Arduino Pro Mini สำหรับควบคุมมอเตอร์
เป้าหมายถัดไปและไลเซนส์
- ขั้นต่อไปคือการควบคุมแผงจำนวนเท่าใดก็ได้เพื่อให้ได้ กำลังเอาต์พุตระดับหลาย kW
- การใช้งานที่เป็นไปได้มีดังนี้
- ต้มของเหลวปริมาณมากได้อย่างรวดเร็ว
- แยกเกลือออกจากน้ำหรือฆ่าเชื้อน้ำปริมาณมาก
- ปรุงอาหารหรือฆ่าเชื้ออาหารปริมาณมาก
- หลอมพลาสติก โลหะ และแก้ว
- เพิ่มกำลังเอาต์พุตของแผงโซลาร์เซลล์ด้วย ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง
- ไลเซนส์แบ่งตามองค์ประกอบ
- ซอฟต์แวร์ใช้ GNU GPL v3
- งานออกแบบฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์และกลไกเผยแพร่ภายใต้ CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
งานเจ๋งมาก กำลังศึกษาด้าน nonimaging optics หรือก็คือเลนส์/กระจกสำหรับตัวรวมแสงอาทิตย์ที่ให้ค่าอัตราการรวมแสงสูงหรือมีช่วงยอมรับความคลาดเคลื่อนได้กว้าง
ชอบที่นำ การควบคุมแบบวงปิด มาใช้ เรื่องนี้เป็นหัวข้อสำคัญในปัจจุบันแม้แต่ในฟิลด์เฮลิโอสแตตขนาดใหญ่ เฮลิโอสแตตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็นการควบคุมแบบวงเปิด จึงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากต่อโครงสร้างกลไก ตัวขับเคลื่อน และโมเดลจลนศาสตร์ ส่งผลให้ต้องใช้อุปกรณ์ที่แพงและมีความแข็งแรงสูง
ดังนั้นจึงมีแนวโน้มเปลี่ยนไปใช้เฮลิโอสแตตราคาถูกลงที่อาศัยการควบคุมแบบวงปิดเพื่อให้ได้ความแม่นยำในการติดตาม ในสถานการณ์ที่จุดโฟกัสของกระจกหลายพันบานซ้อนทับกันจะยากกว่า แต่กำลังมีการพัฒนาแนวทาง เช่น การให้กล้องรอบเป้าหมายมองย้อนกลับไปยังฟิลด์เฮลิโอสแตต และ Heliogen ก็ทำแนวทางแบบนี้ด้วย
ยังพูดถึงความยากที่แสงจะถูกรวมได้เพียงไม่กี่ชั่วโมงต่อวัน ซึ่งเป็นปัญหาเดียวกันในฟิลด์เฮลิโอสแตตขนาดใหญ่และเป็นสาขาวิจัยที่ยังคึกคัก กลุ่มของศาสตราจารย์ Roger Angel ที่ University of Arizona กำลังพัฒนาเฮลิโอสแตตที่เปลี่ยนรูปอย่างแอ็กทีฟตลอดวันเพื่อรักษารูปทรงที่เหมาะสม ส่วน Heliosystems ในออสเตรเลียกำลังทำเฮลิโอสแตตที่เปลี่ยนรูปแบบพาสซีฟด้วยแรงโน้มถ่วงเพื่อคงรูปทรงที่ถูกต้องให้มากที่สุด
ถ้าใช้เฮลิโอสแตตเดี่ยวเหมือนโปรเจกต์นี้ ก็อาจพิจารณา ตัวสะท้อนแบบ Scheffler ที่วางเป้าหมายไว้บนแกนติดตามแนวขั้วของแกนเดียวที่ผ่านเป้าหมาย แบบนั้นระหว่างวันจะต้องติดตามเพียงแกนเดียว และการปรับตามฤดูกาลบางส่วนทำด้วยมือได้
ดีใจที่เน้นอันตรายโดยธรรมชาติของแสงอาทิตย์ที่ถูกรวม มีเรื่องเล่าค่อนข้างเยอะว่าถ้าการติดตามทำงานไม่ถูกต้อง สิ่งของอาจติดไฟได้
พูดอีกอย่างคือ “ความฉลาด” ของซอฟต์แวร์มาชดเชย “ความหยาบ” ของกลไก
อีกไอเดียแรก ๆ คือการทำเป็น หลายแผง โดยใช้แผงปรับทิศทางได้หลายแผงกับกล้องหนึ่งตัวที่มองเป้าหมาย ในทางปฏิบัติไม่ง่าย สุดท้ายจึงกลับมาทำแผงเดียวให้เสร็จแล้วเผยแพร่
ถึงอย่างนั้นก็ยังมีไอเดียใช้กล้องเพิ่มอีกไม่กี่ตัวเพื่อทำแบบหลายแผง และอยากลองทำในอนาคตอันใกล้ จะหาเวลาศึกษาเอกสารอ้างอิงที่ให้มาด้วย
ยังมีบริษัทที่ใช้สุญญากาศในการปรับรูปทรงกระจกด้วย เดี๋ยวจะลองค้นหาแล้วมาโพสต์ไว้ที่นี่
โปรเจกต์นี้เป็นการพิสูจน์แนวคิดที่กำลังดำเนินอยู่ ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป จึงอยากเน้นอันตรายโดยธรรมชาติของมัน
ถ้าทำเป็นปริซึมสูง 5 เมตรและติดแผงตามด้านหนึ่ง จะทำการปรับมุมเอียงของแผงตามฤดูกาลได้อย่างไร
บัลลาสต์แบบปรับได้หรือแบบพองลมดูจะเป็นวิธีที่ง่ายที่สุด
โปรเจกต์ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะ การเปรียบเทียบกำลังไฟ ที่ดีมาก ใครจะคิดว่าจะได้พลังงาน 1kW จากพื้นที่ 1m²
คำถามแนวคล้ายกันคือ เป็นไปได้ไหมที่จะใช้ตัวรวมแสงอาทิตย์ให้ความร้อนกับ เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว ที่ขับเครื่องยนต์กังหัน? แต่ยังให้อยู่ในระดับค่อนข้างเล็กจนทำในสวนหลังบ้านได้
คำอธิบายข้างต้นเป็นความเข้าใจจากความจำ สิ่งที่ตั้งใจจะพูดจริง ๆ คืออันนี้: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
พอขุดต่อไปหน่อย สุดท้ายก็พบสิ่งนี้เกี่ยวกับการผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กด้วยการรวมแสงอาทิตย์
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-powered_Stirling_engine
[https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo....](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo.jpg)
อาจเป็นทางเลือกที่พอมีความเป็นไปได้ครึ่ง ๆ กลาง ๆ แทนแผงโซลาร์ได้ แต่แผงโซลาร์กับฮาร์ดแวร์ประกอบนั้นกลายเป็นของทั่วไปมากแล้ว ตอนนี้ในแง่ต้นทุนน่าจะยังแพงพอสมควร
มี เครื่องยนต์ Stirling ขนาดใหญ่ที่ทำงานด้วยน้ำมันร้อนด้วย ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางลูกสูบใหญ่ ก็สร้างแรงบิดได้ค่อนข้างมากแม้ต่างอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย น้ำมันสามารถให้ความร้อนได้โดยไม่ต้องรวมแสง เหมือนเครื่องทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วไป และการเพิ่มการรวมแสงเข้าไปก็ไม่เสียหายอะไร
แต่ไม่แน่ใจว่าจะ viable ในฐานะวิธีผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กหรือไม่ เพราะประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์สูงต้องอาศัยความต่างอุณหภูมิสูง ขณะที่แผงโซลาร์ผลิตจำนวนมากและประสิทธิภาพก็เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ
ส่วนตัวคิดว่าพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบรวมแสงขนาดเล็กมีประโยชน์ที่สุดกับงานที่ต้องใช้ความร้อนโดยตรง เช่น การทำอาหาร การกลั่นน้ำจืด และการหล่อโลหะ ในกรณีเหล่านี้ การผลิตไฟฟ้าจากโซลาร์มีประสิทธิภาพต่ำกว่าและอายุการใช้งานสั้นกว่าด้วย
ตอนเริ่มโปรเจกต์คิดว่ามันคุ้มค่าทางเศรษฐกิจกว่าโซลาร์เซลล์ แต่พอปลายปีการศึกษา ราคาของแผงโซลาร์ก็ลดลงครึ่งหนึ่งแล้ว เป็นช่วงที่เยอรมนีกับจีนแข่งขันกันอุดหนุนโซลาร์
ถึงตอนนี้ การผลิตไฟฟ้าด้วยการรวมแสงอาทิตย์น่าจะแพงมากเมื่อเทียบกับแผงโซลาร์
เครื่องยนต์ไม่ได้เดินเครื่องได้นานหลายปีโดยไม่ต้องเปลี่ยนชิ้นส่วน
แสงอาทิตย์ที่ถูกรวมจุด ทรงพลังกว่าที่เห็นมาก คนส่วนใหญ่น่าจะเคยใช้แว่นขยายด้ามเล็ก ๆ รวมแสงอาทิตย์ให้เป็นจุดเล็ก ๆ เพื่อเผากระดาษหรือเศษไม้ชิ้นเล็ก ๆ
ตอนเด็ก ๆ ผมเคยมี เลนส์เฟรสเนล เส้นผ่านศูนย์กลางราว 2 ฟุต ที่มาจากของอย่างโปรเจกเตอร์เก่า ๆ มันจุดไฟบนยางมะตอยได้แทบจะทันที คงไม่สะดวกนัก แต่ผมว่าด้วยแสงอาทิตย์ก็น่าจะเชื่อมเหล็กได้
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
ในทางทฤษฎี ถ้าทำเลนส์และใยแก้วนำแสงได้ ก็สามารถพิมพ์ 3D โครงสร้างที่ทำงานด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ได้ในทุกที่ที่มีแสงแดดเพียงพอ ลองจินตนาการว่าพิมพ์ 3D สวนขวดขนาดเล็กบนดาวอังคาร พร้อมตัวเก็บน้ำที่ใช้การหมุนเวียนซิลิกาเจลที่ถูกทำให้ร้อนในพื้นที่นั้น ความดันบรรยากาศก็ยังต่ำอยู่ดี แต่คงอุ่นและชื้นขึ้น
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
เริ่มดูแถว ๆ 1 นาที 25 วินาทีจะน่าสนใจ
ที่นี่มีการทดลองน่าสนใจเกี่ยวกับการเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์เยอะมาก: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
บางโปรเจกต์ใช้ไอเดียเดียวกันคือ โครงตาข่าย ของกระจกสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ
แต่ฝั่งนั้นเลือกวางกระจกไว้บนพื้น ซึ่งเรียบง่ายกว่า แต่ต้องขยับเป้าหมายไปยังตำแหน่งโฟกัส ซึ่งไม่เรียบง่ายเท่าไร
เป็นแหล่งแรงบันดาลใจที่ดี เดี๋ยวต้องไปดูวิดีโอเหล่านั้น
ถ้าทำ ก้อนผิวโค้ง ขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1 เมตรจากทรายเปียก ก็สามารถขึ้นรูปพาราโบลาไฟเบอร์กลาสทับบนมัน แล้วเมื่อแข็งตัวแล้วค่อยชุบโครเมียม ทาสี หรือปิดผิวด้านในของพาราโบลาด้วยวิธีอื่น
แบบนี้จะรวมแสงอาทิตย์ได้มากกว่าข้อจำกัด 48 เท่าในตอนนี้
แต่สำหรับการใช้งานบางอย่าง จุดโฟกัสสี่เหลี่ยม 20 ซม. x 20 ซม. อาจดีกว่า
ถ้าจะทำอาหาร การกระจายความร้อนไปทั่วถาดอบจะเหมาะกับการทำให้สุกอย่างสม่ำเสมอมากกว่า
ผมไม่ค่อยแน่ใจว่าเขายึดมันให้หันไปถูกทิศทางได้อย่างไร ในกรณีนี้ รูปทรงพื้นผิวที่ไม่สมบูรณ์แบบอาจกลับเป็นข้อดีก็ได้
ขอบคุณที่แชร์ เจ๋งมาก ถ้ามีสนามหรือพื้นที่ทำของ ผมคงอยากลองประกอบสักอันเพื่อขับ เครื่องยนต์ความร้อน ขนาดเล็ก
การทำเองและใช้พลังงานฟรีจากดวงอาทิตย์นี่สนุกแน่นอน
ผมดีใจเป็นพิเศษตอนที่ได้กิน กราแตงพลังงานแสงอาทิตย์ ครั้งแรก
เอาจริง ๆ ผมแค่กำลังหาข้ออ้างให้นอนอยู่บนเตียงนานขึ้นในวันที่อากาศไม่ดี
เจ๋งมาก สงสัยว่าเคยดู ตัวเก็บแสงอาทิตย์แบบไม่สร้างภาพ (anidolic solar collector) ไหม เท่าที่ผมเข้าใจ มันมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องเก็บแบบใช้กระจกหรือเลนส์จริง ๆ เพราะไม่ต้องเล็งอย่างแม่นยำ และยังเก็บแสงอ้อมได้ด้วย
ถ้าเข้าใจถูก คุณสมบัติหลักคือมันไม่ได้รวมแสงไปที่จุดโฟกัส แต่เป็นการ กระจาย แสง
เลยไม่ค่อยแน่ใจว่าจะเอามาใช้กับโปรเจกต์ของผมได้ไหม
คงต้องไปขุดดูเพิ่มเพื่อให้เข้าใจว่ามันทำงานจริง ๆ อย่างไร ขอบคุณสำหรับคำใบ้
เข้าใจถูกไหมว่า มุมระหว่างชิ้นกระจกแต่ละชิ้นกับแผ่นด้านหลังถูกกำหนดคงที่ครั้งเดียวตอนสร้าง และหลังจากนั้นไม่เปลี่ยนแบบไดนามิก?
ข้อดีของวิธีนี้คือแทนที่จะต้องใช้มอเตอร์สองตัวต่อกระจกหนึ่งบาน ต้องใช้แค่ มอเตอร์สองตัว สำหรับทั้งแผง
ข้อเสียคือแสงจะถูกรวมจุดได้แค่ไม่กี่ชั่วโมงในแต่ละวัน
ผมจำได้ว่าประมาณปี 2000 เคยมีของคล้าย ๆ กันที่ทำจากจานดาวเทียม Directv
มันเรียบง่ายมาก คือทำ พาราโบลา ของจานดาวเทียมให้เป็นเหมือนกระจก เจาะรูที่จาน แล้วใช้เซ็นเซอร์แสงติดตามลำแสงที่ส่องผ่านรูนั้นไปตกบนหลังคา ใช้มอเตอร์ไม่กี่ตัวกับ IC ขยับจานให้ตรงตำแหน่งดวงอาทิตย์