Show HN: Concentrador solar automatizado feito em casa
(github.com/remipch)- Solar Concentrator é um concentrador solar automatizado feito em casa, composto por painéis de espelhos orientáveis, um alvo fixo e um dispositivo de controle eletrônico; atualmente usa 48 espelhos concentradores para uma área total de 1m²
- Em 26 de junho de 2024, quando foi adicionada folha de alumínio ao interior do forno para melhorar o isolamento térmico, a temperatura do forno subiu para 210°C após 30 minutos
- O dispositivo pode gerar até cerca de 1000W de calor consumindo 3,8W de energia, e pode ser construído com peças e materiais padrão, baratos e fáceis de encontrar
- A versão atual não tem camadas de segurança, exige alinhar manualmente a direção do painel antes do rastreamento automático e controla apenas um painel, além de não funcionar em dias nublados
- O próximo passo é controlar um número arbitrário de painéis para obter vários kW de potência, com aplicações em aquecimento de grandes volumes de líquido, dessalinização e esterilização, cozimento e esterilização, fusão de materiais e aumento da potência em geração solar concentrada
Estrutura e funcionamento do projeto
- Solar Concentrator é um projeto de concentrador solar automatizado feito em casa
- A configuração atual é dividida em três partes
- Painel de espelhos orientável: atualmente 48 espelhos concentradores, totalizando 1m²
- Alvo fixo: atualmente um forno simples de concreto com placa de metal preta e vidro temperado
- Dispositivo supervisor: um controlador eletrônico que mede o alvo e calcula e envia comandos para os motores
- O vídeo de funcionamento de 8 de julho de 2024 é composto por duas partes
- A primeira metade mostra o processo de montagem em 10x
- A segunda metade mostra cerca de 7 horas de rastreamento solar automático em 600x
Desempenho e direcionamento de construção
- Em 26 de junho de 2024, quando foi adicionada folha de alumínio ao interior do forno para melhorar o isolamento térmico, a temperatura do forno subiu para 210°C após 30 minutos
- As principais características são as seguintes
- Pode produzir até cerca de 1000W de calor consumindo 3,8W de energia
- Usa peças e materiais padrão, baratos e fáceis de encontrar
- Não exige fabricação de alta precisão e pode ser montado manualmente com ferramentas comuns
- É fácil de montar e desmontar
- É fácil de entender e modificar
- É disponibilizado como código aberto
Aviso de segurança e limitações atuais
- Este projeto pode causar cegueira permanente, queimaduras na pele e incêndio de objetos em pessoas ou animais ao redor
- Mesmo desligado, a luz solar é concentrada 48 vezes em uma única pequena área
- O foco continua se movendo por uma trajetória difícil de prever
- No estado atual, o dispositivo deve ser monitorado continuamente e, se ocorrer alguma anomalia, os espelhos devem ser cobertos rapidamente
- As limitações da versão atual são as seguintes
- Nenhuma camada de segurança foi implementada
- É necessária uma etapa manual inicial para alinhar a direção do painel antes do rastreamento automático do Sol
- Só é possível controlar um painel
- Não funciona em dias nublados
- O consumo de energia pode ser reduzido significativamente com a implementação de vários modos de baixo consumo
Componentes usados e produtos reaproveitados
- Alguns produtos são usados de forma diferente da sua finalidade original
- O vidro temperado do forno foi retirado de uma prateleira Ikea
- Os espelhos usados são espelhos decorativos de banheiro
- Os motores são motores de modelismo baratos
Configuração técnica
- A estrutura do projeto reflete sua configuração técnica
- Os principais subcomponentes são os seguintes
- Mechanics: modelos 3D das peças usadas no painel solar
- Electronics: esquemas e layout da placa supervisora personalizada
- Simulator: avalia a potência teórica recebida pelo alvo em uma determinada configuração de hardware
- Supervisor controller: firmware ESP32-CAM baseado no framework Espressif ESP32
- Supervisor component: define a lógica de alto nível do dispositivo supervisor
- Sun tracker: calcula os comandos dos motores para manter a luz solar no centro da área-alvo
- Target detector: detecta a posição do alvo na imagem
- Web interface: permite que o usuário interaja com o dispositivo supervisor
- Motors component: controle de motores na aplicação ESP32
- Image component: fornece funções gerais de processamento de imagem
- Motors controller: firmware Arduino Pro Mini para controle dos motores
Próximos objetivos e licença
- O próximo passo é controlar um número arbitrário de painéis para obter vários kW de potência
- As aplicações possíveis são as seguintes
- Ferver rapidamente grandes volumes de líquido
- Dessalinizar ou esterilizar grandes volumes de água
- Cozinhar ou esterilizar grandes quantidades de alimentos
- Derreter plástico, metal e vidro
- Aumentar a potência de painéis solares com geração solar concentrada
- A licença é dividida conforme a configuração
- O software usa GNU GPL v3
- Os projetos de hardware eletrônico e mecânico são distribuídos sob a CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal
1 comentários
Comentários do Hacker News
Trabalho incrível. Estou pesquisando óptica não imageante (nonimaging optics), ou seja, óptica para concentradores solares que permite obter alta razão de concentração ou grande tolerância a erros
Gostei de ver a implementação de controle em malha fechada. Isso também é um tema central hoje em grandes campos de heliostatos. Heliostatos tradicionais são em sua maioria de controle em malha aberta, o que impõe exigências muito rígidas à estrutura mecânica, aos atuadores e ao modelo cinemático, e como resultado são necessários equipamentos caros e de alta rigidez
Por isso há uma tendência de migração para heliostatos mais baratos que garantem a precisão de rastreamento com controle em malha fechada. É mais complicado quando os focos de milhares de espelhos se sobrepõem, mas estão sendo desenvolvidas abordagens como câmeras próximas ao alvo olhando de volta para o campo de heliostatos, e a Heliogen também trabalha com esse método
Você também mencionou a dificuldade de concentrar luz apenas por algumas horas por dia; esse mesmo problema existe em grandes campos de heliostatos e é uma área de pesquisa ativa. O grupo do professor Roger Angel, da University of Arizona, está desenvolvendo heliostatos que se deformam ativamente ao longo do dia para manter a forma ideal, e a australiana Heliosystems está criando heliostatos que se deformam passivamente pela gravidade para manter a forma correta o máximo possível
Se for usar apenas um único heliostato, como neste projeto, também vale considerar um refletor Scheffler, colocando o alvo sobre um eixo de rastreamento polar de eixo único que passa por ele. Assim, durante o dia, só é necessário rastreamento em um eixo, e ajustes sazonais podem ser feitos parcialmente de forma manual
Também foi bom ver o destaque dado ao perigo inerente da luz solar concentrada. Há muitos relatos de objetos pegando fogo quando o rastreamento falha
Em outras palavras, é uma estrutura em que a “inteligência” do software compensa a “brutalidade” mecânica
Outra ideia inicial era montar um conjunto com múltiplos painéis, com vários painéis orientáveis e uma única câmera olhando para o alvo. Na prática isso não foi simples, então acabei voltando à ideia de concluir e publicar uma versão com painel único
Ainda assim, tenho a ideia de implementar múltiplos painéis usando algumas câmeras a mais, e gostaria de trabalhar nisso em breve. Também vou dedicar um tempo para examinar os materiais de referência
Há também uma empresa que usa vácuo para ajustar a forma dos espelhos; vou procurar e postar aqui
Como este projeto não é um produto acabado, mas uma prova de conceito em andamento, eu quis enfatizar os perigos inerentes
Se eu fixasse painéis ao longo de uma das faces de um prisma de 5 m de altura, como eu poderia implementar o ajuste sazonal do ângulo de inclinação dos painéis?
Lastro ajustável ou inflável parece ser a solução mais simples
Projeto incrível. Gostei especialmente da comparação de potência. Quem imaginaria que é possível obter 1 kW de energia a partir de 1 m²?
Numa linha parecida, seria viável aquecer com concentradores solares um reator de sal fundido para acionar um motor de turbina? Ainda assim em uma escala relativamente pequena, algo que desse para montar no quintal
A explicação acima era o meu entendimento baseado na memória, e o que eu realmente queria dizer era isto aqui: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
Fuçando um pouco mais, acabei encontrando isto sobre geração de energia em pequena escala com concentração solar
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)
Talvez isso seja uma alternativa meio viable aos painéis solares. Mas, como os painéis solares e o hardware auxiliar estão tão comoditizados, em termos de custo provavelmente é bem caro hoje
Também existem grandes motores Stirling que funcionam com óleo quente. Se o diâmetro do pistão for grande, dá para gerar bastante torque mesmo com uma pequena diferença de temperatura. O óleo pode ser aquecido mesmo sem concentração, como em aquecedores solares de água convencionais, e acrescentar concentração também não faria mal
Mas não sei ao certo se isso é viable como método de geração em pequena escala. Alta eficiência termodinâmica exige grande diferença de temperatura, e os painéis solares são produzidos em massa e continuam melhorando em eficiência
Pessoalmente, acho que a energia solar térmica concentrada em pequena escala é mais útil para aplicações que precisam diretamente de calor, como cozinhar, dessalinizar e fundição. Nesses casos, a geração fotovoltaica é menos eficiente e também tem vida útil menor
Quando comecei o projeto, achava que seria mais econômico do que energia solar fotovoltaica, mas no fim do ano letivo o preço dos painéis solares já tinha caído pela metade. Era a época em que Alemanha e China disputavam subsídios para energia solar
A esta altura, geração elétrica por concentração solar deve ser absurdamente mais cara do que painéis solares
Motores não ficam funcionando por anos sem troca de peças
A luz solar concentrada é muito mais poderosa do que parece. A maioria das pessoas já deve ter queimado papel ou um pequeno pedaço de madeira concentrando o sol em um ponto minúsculo com uma lupa de mão
Quando eu era criança, havia uma lente de Fresnel de uns 60 cm de diâmetro, vinda de algo como um projetor antigo, e ela conseguia colocar fogo no asfalto quase instantaneamente. Não seria muito prático, mas parece que daria até para soldar aço com luz solar
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
Em teoria, se fosse possível fazer lentes e fibra óptica, daria para imprimir em 3D estruturas movidas a energia solar em qualquer lugar com luz solar suficiente. Dá para imaginar imprimir em 3D um pequeno jardim em garrafa em Marte, com um coletor de água acoplado usando circulação de sílica gel aquecida no local. A pressão atmosférica ainda seria baixa, mas ficaria mais quente e úmido
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
Vale a pena assistir a partir de cerca de 1min25s
Há muitos experimentos interessantes sobre coleta de energia solar aqui: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
Alguns projetos seguem a mesma ideia de uma estrutura em grade de pequenos espelhos quadrados
Só que ali optaram por colocar os espelhos no chão, o que é mais simples. Em compensação, movem o alvo até a posição do foco, o que é menos simples
Parece uma boa fonte de inspiração, vou assistir aos vídeos
Se você fizer uma grande massa curva de mais de 1 m de diâmetro com areia molhada, pode moldar uma parábola de fibra de vidro sobre ela e, depois de endurecer, cromar, pintar ou dar outro acabamento na parte interna da parábola
Assim daria para concentrar mais a luz solar do que o limite atual de 48x
Só que, para algumas aplicações, um foco quadrado de 20 cm x 20 cm pode ser melhor
Se a ideia for cozinhar alguma coisa, espalhar o calor por toda a assadeira tende a ser melhor para um cozimento uniforme
Não sei bem como ele o mantinha apontado na direção certa. Nesse caso, talvez até fosse melhor que o formato da superfície não fosse perfeito
Obrigado por compartilhar. Muito legal. Se eu tivesse um quintal ou algum espaço para construir, gostaria de montar um para acionar um pequeno motor térmico
Construir isso com as próprias mãos e usar a energia gratuita que vem do sol é realmente divertido
Fiquei especialmente feliz quando comi meu primeiro gratinado solar
Na verdade, só estou procurando uma desculpa para ficar mais tempo na cama em dias de mau tempo
Muito legal. Fico curioso se você já olhou para coletores solares anidólicos (anidolic solar collector). Pelo que entendo, eles são de fato mais eficientes do que coletores baseados em espelhos ou lentes, porque não exigem apontamento preciso e conseguem coletar também luz solar indireta
Se entendi direito, a característica principal é que ele difunde a luz em vez de concentrá-la em um foco
Então não sei se isso se aplicaria ao meu projeto
Vou precisar pesquisar mais para entender exatamente como funciona. Obrigado pela dica
Entendi corretamente que o ângulo entre cada pedaço de espelho e a placa de trás é fixado uma vez durante a construção e depois não muda dinamicamente?
A vantagem dessa abordagem é que, em vez de precisar de dois motores por espelho, são necessários apenas dois motores para o painel inteiro
A desvantagem é que a luz só fica concentrada durante algumas horas do dia
Lembro de algo parecido feito por volta de 2000 com uma antena parabólica da DirecTV
Era bem simples. Transformavam a parábola da antena em espelho, faziam um furo no prato e rastreavam com um sensor óptico o feixe de luz projetado no telhado através desse furo. A ideia era mover a antena com alguns motores e CIs para acompanhar a posição do sol