Aspecte Generale Privind Radiatia Solara

REZUMAT

Prezenta lucrare are ca obiectiv proiectarea unui sistem de orientare și de ștergere pentru un panou solar, întregul ansamblu fiind acționat de o singură sursă motoare. Utilizarea mecanismelor de orientare împreuna cu panourile solare poate contribui la creșterea eficienței acestora din urmă cu până la 50%. Soluția propusă în acest proiect este un sistem care orientează cu precizie panoul solar după poziția soarelui și permite pătrunderea unei cantități mai mari de radiație în celulele solare, datorită mecanismului de ștergere a panoului integrat în sistem.

1. INTRODUCERE

1.1. Scurt istoric în domeniul energiei solare

Designul este un domeniu multidisciplinar care ia în calcul factori social-economici, funcționali, tehnici, ergonomici, estetici, etc. Cu toate acestea, în viziunea unui inginer designul reprezintă un proces de rezolvare a problemelor, o artă cu un scop.

Efectul de seră duce la încălzirea globală, constatându-se un exces de dioxid de carbon prezent în atmosfera terestră. Schimbările climatice sunt imprevizibile iar cu această problemă ne confruntăm cu toții în secolul 21. Există posibilitatea diminuării impactului acestui fenomen asupra mediului înconjurător, cu ajutorul modalităților alternative de a produce energie, altele decât modalitățile clasice. Metodele alternative de producere a energiei presupun utilizarea unor surse naturale: vânt, soare, apă. Dintre toate aceste alternative, soarele are cel mai mare potențial de producere a energiei.

Conversia energiei solare în energie electrică se realizează cu ajutorul panourilor fotovoltaice. Principiul de funcționare este unul simplu, acestea folosesc radiația emisă de soare și o convertesc direct în electricitate, datorită celulelor solare care exploatează proprietățile materialelor semiconductoare.

Cantitatea de energie provenită de la soare este nelimitată și nu costă nimic iar atunci când se generează putere de la o sursă solară riscul de poluare este egal cu zero. Mai mult, siliciul, materialul cel mai des utilizat în fabricarea celulelor solare, se regăsește în cantități mari pe planetă. Totodată, sistemele de conversie a energiei solare se pot conecta la rețelele electrice iar energia produsă poate fi vândută. Datorită avantajelor pe care le oferă utilizarea sistemelor de conversie a energiei solare în energie electrică, cererea pentru aplicații în domeniu se află într-o continuă creștere. Din acest motiv, sistemele de conversie a energiei solare trebuie să fie ameliorate în mod continuu pentru a face posibilă creșterea performanțelor acestor tipuri de sisteme.

În procesul de design al sistemelor de conversie a energiei solare în energie electrică, un aspect important este proiectarea de produse capabile să capteze o cantitate cât mai mare de radiația solară. Creșterea performanțelor unui panou solar fotovoltaic presupune expunerea directă a acestuia la sursa de radiație – soarele, prin utilizarea de sisteme de orientare.

Potențialul utilizării sistemelor de conversie a energiei solare în energie electrică în România este unul important, după cum se poate observa și în figura 1.1. care reprezintă o hartă a radiației globale captată de panourile PV din România, orientate în mod optim, pe parcursul unui an de zile.

Fig. 1.1. Radiația globală captată de panourile PV în România pe parcursul unui an

Există zone în care fluxul energetic solar anual ajunge până la 1700 kWh/m2 /an, fiind vorba despre litoralul Mării Negre. Se poate observa că în restul regiunilor fluxul energetic solar anual depășește 1300 kWh/m2 /an și că în zona Brașovului acesta atinge valori de până la 1600 kWh/m2 /an.

Această lucrare are ca obiectiv proiectarea unui sistem care să ajute la creșterea eficienței energetice a unui panou solar. În procesul de proiectare se iau în considerare două aspecte importante: primul se referă la proiectarea unui sistem de orientare ce folosește la captarea unei cantități mai mari de radiație solară față de cantitatea de radiație solară pe care același panou o captează atunci când este fix, iar al doilea aspect se referă la proiectarea unui sistem de ștergere a panoului, ceea ce va permite pătrunderea unei cantități mai mari de radiație solară în celulele fotovoltaice.

Soluția este un sistem de orientare mono-axial, înclinația axei corespunzătoare mișcării diurne având valoarea unghiului de latitudine local pentru respectarea condiției de paralelism între axa polară și axa sistemului. În zona Brașovului valoarea acestui unghi este de 45°38'N. Sistemul de ștergere are la bază un mecanism de tip manivelă-patină și folosește mișcarea de rotație sistemului de orientare pentru realizarea operațiunii de curățare a panoului. De aceea, pentru acționarea celor două sisteme, de orientare și de ștergere, este necesară o singură sursă motoare.

Modelul solid al sistemului de orientare este realizat în programul Catia V5, geometria complexă a acestuia impunând modelarea într-un program CAD. Etapa de modelare se continuă cu o etapă de simulare în mediul MBS (MultiBody System) ce permite evaluarea comportamentului sistemului în mediul virtual. Pentru realizarea simulării, geometria modelului este transferată din Catia în programul Adams folosind formatul STEP (Standard for the Exchange of Product). După testarea sistemului de orientare în mediul virtual se modelează în mediul MBS corpurile sistemului de ștergere pentru panoul solar, legăturile dintre acestea și generatoarele de forță, această etapă reprezentând preprocesarea modelului sistemului de ștergere. Etapa de procesare a acestui model este echivalentul simulării în mediul MBS. În această etapă softul MBS formulează ecuațiile de mișcare ale corpurilor și rezolvă sistemul de ecuații. Ultima etapă este etapa de postprocesare iar această etapă se referă la prelucrarea rezultatelor obținute în timpul simulării în mediul MBS.

În anul 212 înaintea erei noastre grecii concentrau lumina solară cu ajutorul unor oglinzi și se foloseau de aceasta pentru a incendia flota romanilor. Tot grecii s-au folosit de lumina solară folosind-o pentru a aprinde flacăra olimpică.

În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit că expunerea unei baterii la soare produce mai mult curent electric decât o baterie care nu este expusă. Becquerel a măsurat diferența de potențial dintre doi electrozi de platină, unul situat pe fața luminată și celălalt pe fața umbrită a unui recipient, scufundând electrozii într-o baie de soluție chimică acidă. Când au fost expuși la soare a observat un curent trecând printre electrozi. Astfel a descoperit efectul fotoelectric.

În 1873 a fost demonstrată conductivitatea seleniului. Zece ani mai târziu a fost confecționată prima celula fotovoltaică. În 1893 a fost confecționată prima celula fotovoltaică care producea electricitate.

În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit că lumina incidentă pe anumite suprafețe metalice eliberează electroni din suprafața acestuia și astfel a oferit prima explicație referitoare la efectul fotoelectric. Pentru această descoperire el a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1905.

În 1905, Albert Einstein, cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitatea luminii (definind-o ca particulă și undă). Până atunci se credea că lumina este doar energie cu diferite lungimi de undă. Pentru lucrările sale privind fenomenul fotovoltaic, a obținut premiul Nobel pentru fizică în anul 1921.

În anul 1949 a fost descoperită joncțiunea p-n de către William B. Shockley, Walther H. Brattain și John Bardeen. Această descoperire contribuit la fabricarea celulei solare în forma cunoscută astăzi.

În 1953 se fabricau primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen cu un randament de doar 4 % care a fost mărit la 6 % prin schimbarea impurificării.

În 1958 au fost testate celule solare pentru prima dată pe satelitul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule solare pe bază de siliciu iar rezultatele obținute au fost peste așteptări. În spațiu s-au atins randamente de până la 10,5  %.

În 1973 Lindmayer și Ellison au confecționat așa numita celulă mov ce avea un randament de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mărit randamentul la 16 %.

În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acționate cu energie electrică obținută de la module solare.

În 1981 un avion acționat de energie solară a traversat Canalul Mânecii. Specialiștii de la Universitatea Stanford și cei de la Telefunken au dezvoltat celule solare cu un randament de 20 %.

Încă din anul 2012 se observă o creștere exponențială a instalațiilor domestice de sisteme de panouri solare cu precădere în China, Japonia, Germania, SUA și UK.

1.2. Aspecte generale privind radiația solară

Fotonul este particula elementară a radiației luminoase care posedă energie și nu poate exista în stare de repaus. Principala sursă de încălzire a pământului este soarele care emite o cantitate de energie egală cu 3216×1027 calorii/minut. Valoarea estimată a temperaturii în interiorul soarelui este de 15.000.000C iar la suprafața acestuia de 5500C. Energia emisă de soare se numește radiație electromagnetică și are în componență raze de tip x, y, corpusculare, ultraviolete, infraroșii și luminoase. O rază de soare care pătrunde pe pământ suferă procese de absorbție, reflexie și difuziune, astfel la suprafața pământului ajungând un procent de 10 până la 40% din cantitatea de radiație inițială. [8]

Radiația solară este de mai multe tipuri: radiația solară directă (caracteristică cerului senin și depinde de transparența acestuia), radiația difuză (reprezintă energia primită atunci când cerul este acoperit de nori, fiind repartizată de aceștia în toate direcțiile – cu cât valoarea transparenței cerului este mai mică cu atât crește intensitatea radiației difuze), radiația terestră (reprezintă radiația reflectată de suprafața pământului spre straturile cele mai înalte ale atmosferei). Radiația globală [kcal/cm2/an] este dată de suma radiației difuze și radiației directe. La ecuator valoarea radiației globale este de 130-140 kcal iar la poli de 70-80 kcal.

Fig.1.2. Radiația directă și radiația terestră Fig.1.3. Radiația directă și radiația difuză

1.3. Celulele fotovoltaice

O celulă solară conține două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai des folosit fiind siliciul. Grosimea straturilor este cuprinsă între 0.001 și 0.2 mm. Pentru a forma joncțiuni „p” și „n” (joncțiunea de tip p-n este formată prin alăturarea a două semiconductoare cu sarcini electrice de semne opuse [9]) straturile sunt dopate cu niște elemente chimice. Structura obținută este similară cu cea a unei diode. Expunerea stratului de siliciu la lumină produce o agitație a electronilor din material și se generează un curent electric. Celulele solare poartă denumirea de celule fotovoltaice. Suprafața unei singure celule este relativ mică, așadar curentul generat de o singură celulă este mic. Celulele fotovoltaice se pot combina în serie și în paralel generându-se astfel curenți mai mari ce pot fi utilizați în practică.

Există mai multe criterii de clasificare a celulelor solare. După grosimea materialului se deosebesc celule cu strat subțire și celule cu strat gros. Cel mai des folosit material este siliciul, în funcție de structura acestuia, siliciul poate fi de tip amorf sau cristalin (monocristalin sau policristalin). Astfel rezultă celulele monocristaline, au randament ridicat (aproximativ 20%) însă procesul de fabricare al acestor celule necesită un consum relativ mare de energie. Celulele policristaline au randament de aproximativ 16% iar consumul de energie în procesul de fabricație este relativ mic. În prezent celulele policristaline au cel mai bun raport preț-performanță. Celulele cu siliciu amorf au un randament energetic cuprins între 5 și 7%. [10]

Fig.1.4. Structura celulei fotovoltaice

1.4. Tehnologia de fabricație a celulelor solare

Siliciul este materia primă de bază folosită în procesul de fabricație al celulelor fotovoltaice însă pe lângă materia primă importantă este și tehnologia utilizată. Spre exemplu pentru fabricarea siliciului policristalin se folosește procedeul de turnare. Siliciul pur se topește intr-un cuptor după care se toarnă intr-un recipient cu formă pătrată și este supus unui proces de răcire cât mai lent posibil pentru a favoriza apariția unui număr cât mai mare de cristale. Se obține un bloc solid ce urmează să fie tăiat în mai multe blocuri. Un alt mod de turnare este turnarea continuă, materialul fiind turnat direct la dimensiunile cerute. Avantajul acestui procedeu este eliminarea pierderilor care rezultă din tăiere. Tot în procesul de fabricare al siliciului policristalin se mai folosește si procedeul Bridgman. Acest procedeu presupune topirea și răcirea siliciului într-un cuptor. Încălzirea materialului se realizează progresiv, pornind de la bază, astfel încât în momentul topirii stratului superior, materialul de la bază este deja întărit.[10]

Pentru fabricarea siliciului monocristalin se poate utiliza procedeul Czochralski. Acesta presupune fabricarea unei bare lungi monocristaline de tip cilindric. Aceste bare necesită o ajustare a formei astfel încât să genereze o secțiune pătrată în momentul tăierii materialului pentru obținerea plăcilor. Procedeul de topire zonală (Float-Zone) se aplică tot pentru producerea siliciului monocristalin sub formă de bară. În urma acestui procedeu puritatea materialului este superioară celei necesare pentru fabricarea celulelor solare și implică costuri mai mari iar din acest motiv acest procedeu este rar utilizat. [10]

Fig.1.5. Pocesul de obtinere pentru celule fotovoltaice

ANALIZĂ A SOLUȚIILOR EXISTENTE

În acest capitol sunt prezentate tipurile de soluții de sisteme de orientare și stergere a panourilor solare.

Tipuri de sisteme de orientare a panourilor solare

Din punct de vedere al sistemului de acționare distingem două categorii:

sisteme pasive (nu au la bază mecanisme, acestea realizează mișcarea de orientare prin expansiunea termică a unor fluide pe bază de freon)

sisteme active (au la bază mecanisme cu roți dințate, transmisii cu lanț, curea sau alte configurații de mecanisme).

În funcție de cele două mișcări ale pământului există sisteme cu o axă de rotație, respectiv cu două axe. Tipul de sistem cu o axă realizează o mișcare de rotație în jurul acesteia, urmărind soarele de la est la vest pe parcursul unei zile. Înclinația axei corespunde valorii unghiului de latitudine local pentru a respecta condiția de paralelism între axa polară și axa sistemului.

Fig. 2.1. Sistem de orientare mono-axial

Sistemele de orientare cu două axe urmăresc soarele atât pe direcția elevației cât și pe direcția azimutului. Acest tip de sistem de orientare urmărește în mod precis poziția soarelui (de la est la vest și de la nord la sud), este mai eficient față de sistemele de orientare mono-axiale, însă mai scump. Se disting patru tipuri de sisteme de orientare bi-axiale, în funcție de amplasarea axei de mișcare: ecuatoriale, pseudo-ecuatoriale, azimutale si pseudo-azimutale.

În cazul sistemelor ecuatoriale intervin două tipuri de mișcări, cea diurnă realizându-se prin rotire în jurul axei polare. Sistemele pseudo-ecuatoriale au o axă paralelă cu axa de rotație care determină variația sezonieră și o axă de rotație pentru mișcarea diurnă. Sistemele azimutale realizează mișcarea diurnă prin rotirea panoului in jurul axei verticale iar sistemele pseudo-azimutale, derivate ale sistemelor azimutale au axa corespunzătoare mișcării diurne poziționată vertical. Dintre cele patru tipuri de soluții prezentate, din punct de vedere funcțional și constructiv tipul de sistem de orientare ecuatorial si tipul pseudo-ecuatorial constituie cele mai bună soluție de sisteme de orientare pentru module fotovoltaice.

Fig. 2.2. Sistem de orientare bi-axiale ecuatoriale, pseudo-ecuatoriale, azimutale, pseudo-azimutale

Tipuri de sisteme de ștergere a panourilor solare

Panourile fotovoltaice sunt expuse în mod frecvent la diverse condiții meteorologice și reprezintă un loc țintă de acumulare de reziduuri industriale, praf, murdărie etc. Împreună cu produsele chimice folosite la curățare, acești factori contribuie la accelerarea procesului de deteriorare al panourilor și au repercusiuni asupra aspectului și al modului de funcționare a panourilor. Prezența și acumularea elementelor străine pe suprafața panoului împiedică pătrunderea particulelor de lumină în celulele fotovoltaice, diminuând performanța și eficiența.

Curățarea este o etapă indispensabilă în procesul de mentenanță al acestor structuri. Regularitatea cu care acestea trebuie curățate depinde de zona geografică și de tipul de climă.

Una dintre metodele de curățare și cea mai des utilizată este curățarea manuală a panourilor solare însă această metodă presupune asumarea unei serii de riscuri, operatorii fiind nevoiți să lucreze la o înălțime medie de 3-6 metri.

O altă metodă este ștergerea semi-automată a panourilor cu ajutorul unor perii (figura 3).Această metodă presupune de asemenea, implicarea unui operator în realizarea operațiunii de mentenanță.

Fig. 2.3. Sistem de ștergere cu perie, semi-automat, pentru panouri fotovoltaice.

Există o metodă de ștergere automată pentru sisteme a căror axă este înclinată până la 35 de grade. Este vorba despre o perie-robot, soluție dezvoltată și comercializată de o companie germană numită Solarbrush (figura 4).

Fig. 2.4. Perie-robot produsă de compania Solarbrush

Printre metodele automate de ștergere există o soluție propusă de compania Heliotex, un sistem programabil cu duze de stropit, amplasate pe panourile solare (figura 5).

Fig.2.5. Sistem curățare prevăzut cu duze de stropit

ANALIZĂ MULTICRITERIALĂ PENTRU IDENTIFICAREA SOLUȚIEI OPTIME

Analiza multi-criterială este o disciplină care ajută la luarea deciziilor în cazul evaluărilor elaborate. Această metodă poate fi adoptată și utilizată și în domeniul designului de produs pentru a evalua comparativ mai multe variante de produse în scopul identificării unei soluției optime. De asemenea, analiza multicriterială se poate utiliza pentru a realiza diferite tipuri de clasamente, în design-ul unei creații, la punerea în ordine prin prisma unor criterii a mai multor variante ale aceleiași realizări sau la compararea uneia sau mai multor variante proprii cu variante existente ale unui produs, obiect etc. Acest tip de analiză elimină subiectivismul în procesul de evaluare. [11]

Analiza multi-criterială presupune cinci etape și constă în parcurgerea acestora:

Stabilirea variantelor de analizat

Stabilirea criteriilor de evaluare

Determinarea ponderii fiecărui criteriu

Acordarea notei de importanță

Calculul produselor dintre notele de importanță și coeficienții de pondere

Stabilirea variantelor de analizat

Varianta 1 – Sistem de orientare bi-axial prevăzut cu un sistem de ștergere, ansamblu acționat de două surse motoare (o sursa motoare pentru mișcarea sezonieră și o sursă motoare folosită pentru realizarea mișcării diurne și pentru acționarea sistemului de ștergere).

Varianta 2 – Sistem de orientare bi-axial prevăzut cu un sistem de ștergere, ansamblu acționat de trei surse motoare (o sursă motoare pentru realizarea mișcării diurne, o sursă motoare pentru realizarea mișcării sezoniere și o sursă motoare pentru acționarea sistemului de ștergere).

Varianta 3 – Sistem de orientare monoaxial prevăzut cu un sistem de ștergere, ansamblu acționat de două surse motoare (o sursă motoare pentru realizarea mișcării diurne și o sursă motoare pentru acționarea sistemului de ștergere).

Varianta 4 – Sistem de orientare monoaxial prevăzut cu un sistem de ștergere, ansamblu acționat de o sursă motoare. ( sursa motoare este folosită pentru realizarea mișcării diurne și pentru acționarea sistemului de ștergere).

Stabilirea criteriilor de evaluare

Criteriul reprezintă un punct de vedere bine definit cu ajutorul căruia evaluatorul definește caracteristicile ce se impun obiectului analizei. Criteriile stabilite trebuie să ducă la o caracterizare pertinentă, fără ambiguități.[11]

Pentru a analiza mecanismele de orientare și de ștergere s-au stabilit următoarele criterii de evaluare:

Numărul de axe de rotație (N.A.)

Numărul de motoare (N.M.)

Consumul energie (C.E.)

Posibilitatea integrării unui sistem de ștergere(S.S.)

Posibilitatea integrării unui sistem de control (S.C.)

Costuri(CT)

Aspect (design) (A)

Determinarea ponderii fiecărui criteriu

Pentru a determina ponderea fiecărui criteriu se calculează coeficienții de pondere. Se alcătuiește un tabel pătratic având atât pe linii cât și pe coloane criteriile stabilite anterior în număr de N. În acest tabel se compară fiecare criteriu cu fiecare. Când criteriul de pe o linie comparat cu cel de pe coloană este: mai important – se atribuie valoarea 1, la fel de important – se atribuie valoarea ½, mai puțin important – se atribuie valoarea 0. Suma punctelor din tabel trebuie sa fie întotdeauna egală cu pătratul numărului de criterii. Pe fiecare linie se însumează punctele criteriilor și se stabilește nivelul criteriului în raport cu celelalte. Valoarea nivelului coincide cu locul ocupat în clasamentul criteriilor. În cazul în care două criterii obțin același număr de puncte, nivelul va avea ca valoare semisuma locurilor succesive celor două criterii în clasamentul criteriilor. Pentru a calcula coeficienții de pondere i se folosește formula lui FRISCO: i =, (3.1.)

unde p este suma punctelor obținute pe linie de elementul luat în calcul, este diferența dintre punctajul elementului luat în calcul și punctajul elementului de la ultimul nivel (dacă elementul luat în calcul este chiar cel situat pe ultimul nivel va avea valoarea 0), m este numărul criteriilor surclasate de criteriul luat în calcul, cu alte cuvinte diferența dintre nivelul ultimului criteriu și nivelul criteriului luat în calcul (dacă două criterii sunt la egalitate pe ultimul nivel atunci m=0.5), N este numărul de criterii considerat, este diferența dintre punctajul elementului luat în calcul și punctajul primului element ( dacă elementul luat în calcul este situat pe primul nivel va avea valoarea 0.[11]

Aplicând formula lui FRISCO și ținând seama de criteriile de evaluare se obține următorul tabel:

Tabelul 3.1.

Acordarea notelor de importanță

Nota de importanță sau nota de contribuție la un criteriu este un număr întreg (maxim 10). Nota se acordă pentru fiecare variantă, conform fiecărui criteriu, adică se analizează pe rând câte o variantă prin prisma fiecărui criteriu, până la epuizarea tuturor variantelor.[11]

Pentru cele patru variante de sisteme de orientare și de ștergere și ținând cont de criteriile de evaluare prezentate anterior se obține următorul tabel cu notele de importanță:

Tabelul 3.2.

Calculul produselor dintre notele N și coeficienții de pondere

Acest calcul se efectuează într-un tabel denumit matricea consecințelor. În final se calculează sumele acestor produse, aceste sume asociate fiecărei variante stabilesc clasamentul final. Pe primul loc se situează varianta cu cea mai mare valoare a sumei.[11]

Valorile obținute sunt prezentate în tabelul de mai jos. Se constată că cea mai mare sumă este obținută pentru cea de-a patra variantă (156.75 puncte), urmată de a treia variantă (150.93 puncte). Prima variantă se clasează pe locul trei cu 138.28 puncte. Pe baza algoritmilor anterior prezentați se alege varianta de sistem de orientare monoaxial prevăzut cu un sistem de ștergere, ansamblu acționat de o sursă motoare (sursa motoare este folosită pentru realizarea mișcării diurne și pentru acționarea sistemului de ștergere). Pentru această variantă se realizează modelul virtual și i se evaluează comportamentul.

Tabelul 3.3.

MODELARE CAD

Utilizarea unui program de tip CAD în realizarea modelului virtual face posibilă adaptarea rapidă și ușoară a acestuia și la proiecte similare. Programele de tip CAD susțin înțelegerea etapelor designul de produs, oferă un mediu de lucru adecvat și permit menținerea și ameliorarea performanței, aspect ce necesită implicit acordarea unei atenții deosebite produsului.

Aspecte generale

Concepția unui sistem începe cu transpunerea ideii într-un model 3D, proiectând geometria pieselor și a subansamblurilor componente ale acestuia. Utilizarea unui software CAD (Computer-Aided Design) este necesară pentru proiectarea modelului iar optimizarea și testarea caracteristicilor modelului se realizează cu ajutorul unui software CAE (Computer Aided Engineering). În momentul de față există soluții complexe de software pentru proiectare asistată, cum ar fi: Catia, ProEngineer, Autodesk Inventor, SolidWorks etc., care permit dimensionarea modelului solid al prototipului, atribuirea unor caracteristici de material, simularea unor operații de prelucrare sau a încercărilor la diferite tipuri de solicitări. Cu ajutorul acestor programe se pot detecta probleme și se pot genera soluții optime pentru rezolvarea diferitelor erori care pot apărea în faza de modelare. Prototipul virtual este de fapt modelul solid tridimensional iar pe acest model se simulează modul de funcționare al produsului în mediul virtual dinamic.

CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Applications) este un produs al companiei Dassault Systemes cu aplicații diverse, în domenii industriale variate: industria construcțiilor de mașini, automobilelor, aeronautică etc. Programul include o gamă largă de soluții pentru toate aspectele legate de design și de fabricație, permite realizarea unor modele complexe ale pieselor mecanice în trei dimensiuni, asamblarea interactivă a acestora, crearea proiecțiilor pieselor, folosirea parametrilor în proiectare etc.

Modelul 3D al sistemului de orientare

Soluția optimă de sistem de orientare a fost determinată în urma aplicării unei tehnici specifice designului de produs și anume analiza multicriterială. Prototipul virtual al sistemului de orientare este realizat în programul CATIA V5 și acesta reprezintă modelul solid al sistemului de orientare care conține informații despre caracteristicile masico-inerțiale ale componentelor. Pentru proiectarea modelului sistemului de orientare este necesară utilizarea modulelor de bază disponibile în CATIA, acestea permițând realizarea oricărui tip de piesă. Aceste module sunt Sketcher pentru realizarea schițelor în două dimensiuni, Part Design pentru realizarea pieselor în trei dimensiuni, Assembly Design pentru realizarea ansamblurilor de piese utilizând diferitele tipuri de constrângeri, cu rol în poziționarea acestora și în stabilirea contactelor între suprafețe. Desenele de execuție ale pieselor și al ansamblului se obțin în modulul CATIA Drafting.

Cele patru module prezentate anterior, utilizate în mod succesiv, au permis obținerea unui produs complex. În urma realizării ansamblului de componente s-a obținut sistemul de orientare pentru panouri fotovoltaice din figura 4.1. Componentele sistemului sunt următoarele:

Panou PV

Carcasă reductor melcat

Motor (pas cu pas)

Cadru de susținere

Roată melcată

Melc

Fig.4.1.Modelul solid al sistemul de orientare

Componentele modelului vitrual al sistemului de orientare

Panoul folosit pentru orientare are dimensiunile: 700x530x25 mm. În figura 4.1. orientarea sistemului corespunde poziției de amiază.

Pentru realizarea mișcării diurne sistemul este prevăzut cu un motoreductor melcat (un angrenaj melcat acționat de un motor pas cu pas). Angrenajul melcat a fost ales datorită avantajelor pe care le prezintă și anume: posibilitatea transmiterii unei puteri mari, până la 200 kW, realizează rapoarte de transmitere mari cu roți de dimensiuni reduse, funcționarea lină și silențioasă. Melcul poate fi realizat din oțeluri carbon de calitate sau din oțeluri aliate, materiale pentru care se pot face tratamente termice pentru durificării dinților. În ceea ce privește roata melcată, aceasta se poate confecționa din aliaje de cupru sau din fonte cenușii. [*]

Motorul pas cu pas este un motor de curent continuu și reprezintă cea mai bună alegere în cazul în care este necesară integrarea unui motor într-o aplicație ce necesită o anumită viteză de rotație sau în cazul în care se dorește ca motorul să se rotească până într-un anumit punct și apoi să își păstreze poziția. Trecerea de la o poziție la alta reprezintă pasul motorului. O rotație completă a unui motor pas cu pas este alcătuită din pași iar fiecare pas reprezintă o fracțiune din rotația completă a motorului. Acest mod de funcționare se datorează construcției interne a motorului pas cu pas, rotorul fiind prevăzut cu magneți permanenți iar statorul cu înfășurări. Motorul pas cu pas poate fi controlat extrem de precis (spre exemplu se poate roti cu 1 grad spre stânga ceea ce reprezintă a 360-a parte din rotația completă a axului sau cu 45 de grade spre dreapta și există posibilitatea blocării acestuia în poziția respectivă).[**]

Cadrul este proiectat astfel încât permite orientarea panoului la 45◦pe direcția N-S. Panoul trebuie orientat la 45 de grade pentru că această valoare corespunde valorii latitudinii din zona Brașovului. Pentru realizarea cadrului se pot folosi două bucăți de țeavă rectangulară cu dimensiunile exterioare de 70×70 mm și grosimea peretelui de 10 mm, care se sudează.

MODELARE ȘI SIMULARE ÎN MEDIUL MBS (MULTIBODY SYSTEM)

Mecanismele sunt sisteme mecanice alcătuite din corpuri și au rolul de a transmite și de a transforma mișcarea. Există mecanisme de mai multe tipuri printre care se pot menționa mecanismele de poziționare – ghidare (realizează o succesiune depoziții pentru un element al mecanismului), mecanismele generatoare de traiectorii (generează traiectoria prescrisă de către puncte ale elementelor) și mecanismele generatoare de funcții (realizează o anumită dependență între elementele conducătoare și conduse).[11]

Aspecte generale

Mecanismele de ștergere pentru panouri solare fac parte din categoria mecanismelor de poziționare cu rol în asigurarea unei serii de poziții pentru elementul de lucru, prin rotația continuă a elementului conducător – manivela acționată de un motor electric.

Procesul de prototipare virtuală (figura 5.1.) este o succesiune de etape: modelare, analiză-testare, validare, finisare și optimizare [4]. O etapă importantă în procesul de proiectare a sistemelor de orientare este evaluarea și testarea comportamentului acestora. Prin urmare, sistemul se poate considera ca sistem multicorp și se analizează cu metoda sistemelor multicorp, metodă ce permite simularea pe calculator a diverselor tipuri de sisteme mecanice, indiferent de complexitate acestora. Softurile MBS autoformulează și rezolvă ecuațiile de mișcare ale

sistemului mecanic, pe baza modelului geometrico – elastic și arestricțiilor în mișcare existente în sistem.

În procesul de analiză a sistemului cu metoda MBS se parcurg următoarele etape: definirea mecanismului ca sistem multicorp (corpuri și restricții), stabilirea sistemelor de referință atașate corpurilor (sistemele locale pentru corpurile mobile și sistemul global pentru copul fix), definirea geometrică a corpurilor în sisteme de referința proprii, stabilirea orientării corpurilor (determinarea elementelor matricelor de trecere de la sistemele locale la sistemul de referință global, exprimarea relațiilor analitice ale coordonatelor globale ale punctelor de interes din model (punctele de aplicare a forțelor, localizarea constrângerilor), exprimarea relațiilor analitice care definesc constrângerile geometrice și cinematice din model (ecuații algebrice), formularea ecuațiilor diferențiale de mișcare cu diverse formalisme de calcul (Newton-Euler, Lagrange), exprimarea caracteristicilor de masă ale corpurilor și a forțelor și momentelor de reacțiune din sistemul mecanic și rezolvarea sistemului format din ecuațiile algebrice și diferențiale. Prin comparație cu metodele clasice, utilizarea unui program bazat pe metoda sistemelor multicorp permite scrierea si rezolvarea ecuațiilor cinematico-dinamice în mod automat, cu alte cuvinte, reduce timpul de rezolvare și diminuează efortul utilizatorului.[4]

Softurile MBS privesc mecanismul ca pe un ansamblu de corpuri rigide, interconectate prin legături mecanice (restricții geometrice), elemente elastice (ex. arcuri) și disipative (ex. amortizoare); asupra sistemului mecanic acționează un sistem de forțe exterioare (de greutate, motoare, rezistente) și de forțe interne (generate de elementele elastice și de amortizare). Pentru analiza unui sistem mecanic, softurile MBS permit mai multe opțiuni, anume: analiza fezabilității (asamblarea modelului), redundanța (eliminarea legăturilor redundante – suplimentare), echilibrul static, echilibrul cvasistatic, analiza cinematică, analiza dinamică și dinamica inversă. Acestea pot fi realizate separat sau împreună într-o anumită

secvență, depinzând de tipul analizei și de gradul de libertate (DOF – Degree Of Freedom) al sistemului analizat.[11]

La analiza fezabilității se realizează asamblarea corpurilor din sistem prin intermediul restricțiilor impuse, în limitele unor toleranțe admise. Redundanța constă din identificarea și eliminarea legăturilor redundante (suplimentare) din sistemul mecanic supraconstrâns (chiar dacă modelul fizic funcționează corespunzător, la rezolvarea modelului matematic aferent pot apare dificultăți majore induse de constrângerile redundante neeliminate). Eliminarea redundanțelor în faza de modelare a sistemului mecanic implică eliminarea duplicatelor și înlocuirea unor cuple din modelul inițial cu alte tipuri de cuple de clase inferioare (clasa

unei cuple este definită de numărul restricțiilor pe care legătura le introduce în mișcarea relativă a elementelor adiacente), în condițiile în care mișcarea inițială a sistemului mecanic trebuie respectată.

Echilibrul static constă din găsirea configurației de echilibru static stabil, caracterizată de viteze și accelerații nule în sistem. Datele de intrare sunt pozițiile – orientările și constrângerile tuturor corpurilor din sistem, ca și forțele care acționează asupra acestora. Mărimile de ieșire constau din configurația sistemului mecanic în poziția de echilibru stabil și cu forțele de reacțiune din sistem în această poziție. Echilibrul cvasistatic constă dintr-o

serie de echilibre statice, pentru seturi specificate de poziții ale corpurilor sau forțe aplicate acestora.

Analiza cinematică constă din analiza pozițională a sistemului mecanic în corelație cu funcția de timp a mișcărilor conducătoare. În acest tip de analiză nu se ia în considerare efectul forțelor și al maselor din configurația asamblată a sistemului. Datele de intrare sunt pozițiile – orientările și constrângerile tuturor corpurilor din sistemul mecanic. Mărimile de ieșire sunt pozițiile, vitezele și accelerațiile din sistem.

Analiza dinamică constă din studiul mișcării reale a sistemului mecanic sub acțiunea forțelor. Datele de intrare sunt configurația asamblată a sistemului, masele și caracteristicile inerțiale ale corpurilor din componența sistemului, caracteristica de forțe externe – interne și condiții inițiale asupra pozițiilor și vitezelor. Mărimile de ieșire sunt parametrii mișcării reale a corpurilor și reacțiunile din sistemul mecanic. Analiza dinamică inversă constă din determinarea forțelor – momentelor de antrenare necesare pentru a genera mișcarea cinematic

prescrisă a sistemului mecanic. Datele de intrare sunt modelele cinematice cu DOF=0, cu proprietățile masice și de forțe definite. Mărimile de ieșire constau din forțele de reacțiune din articulații și forțele motoare.

Fig.5.1. Etapele procesului de prototipare virtuală

Analiza sistemelor mecanice prin utilizarea de softuri MBS presupune parcurgerea a trei etape: preprocesare (modelare sistem), procesare (rulare model) și postprocesare (prelucrarea rezultate).

Etapa de preprocesare a datelor presupune indicarea datelor de intrare, în succesiunea următoare:

precizarea de informații referitoare la calculele care se vor efectua: tipul analizei care se dorește, sistemul de unități de măsură utilizat, sistemul de coordonate utilizat pentru modelarea sistemului, vectorul accelerație gravitațională, intervalul de timp al analizei, toleranțele admise pentru convergența soluțiilor sistemelor de ecuații algebrice și diferențiale, mărimile de ieșire (mișcare, forță, etc.) care se doresc afișate, date privind simularea grafică (forma elementelor);

descrierea caracteristicilor neliniare ale evenimentelor și/sau elementelor modelului (de ex. legea de mișcare a elementelor conducătoare, profilul unui drum pentru simularea mișcării

automobilelor, caracteristica unor elemente elastice etc.), caracteristici modelate prin curbe, suprafețe sau tabele de valori în puncte discrete;

descrierea structurală a modelului: definire elemente cinematice (poziție, orientare, caracteristici masico – inerțiale), definire legături, restricții în mișcare și mișcări conducătoare, definire elemente generatoare de forță internă (elemente elastice și de amortizare),

definire forțe și momente exterioare / aplicate (forțe constante, dependente de timp sau de un anumit caz – în analiza cvasistatică).

Etapa de procesare este realizată automat de către program și constă din următoarele etape: generarea sistemelor de ecuații algebrice și diferențiale, asamblarea sistemului mecanic prin intermediul restricțiilor introduse, identificarea și eliminarea legăturilor redundante, rezolvarea numerică a ecuațiilor.

Etapa de postprocesare constă în prelucrarea rezultatelor prin trasarea de diagrame a dependențelor dorite și animarea (simularea) grafică a modelului.

În mediul MBS analiza se poate realiza utilizând cele trei modele: cinematic, dinamic invers și dinamic. Modelul cinematic cuprinde corpurile din sistem conectate între ele prin cuple cinematice și locațiile cuplelor, datele de intrare sunt restricțiile cinematice care reglează poziția, viteza și accelerația elementelor din sistem. Modelul dinamic invers este alcătuit din modelul cinematic la care se adaugă forțele externe și interne care solicită sistemul. Analiza pe acest model permite determinarea momentului motor care generează mișcarea mecanismului. Modelul dinamic conține modelul dinamic invers cu data de intrare reprezentată de momentul motor iar analiza pe acest model are ca scop determinarea comportamentului sistemului sub acțiunea forțelor.

Modelarea corpurilor și a legăturilor mecanismului de orientare în mediul MBS

Așa cum este precizat la începutul capitolului, modelul solid al sistemului de orientare este realizat în programul CATIA. Pentru a putea fi analizat în mediul MBS geometria modelului necesită conversia în format STEP (Standard for the Exchange of Product) iar sub acest format modelul este importat în Adams.

Această etapă presupune introducerea unor informații suplimentare referitoare la tipul de analiză care se dorește, sistemul de unități de măsură utilizat, sistemul de coordonate folosit, vectorul accelerației gravitaționale. De asemenea este necesară descrierea legilor de mișcare ale elementelor conducătoare și definirea caracteristicilor de poziție, orientare, masico – inerțiale ale corpurilor și a restricțiilor geometrice și cinematice dintre corpurile sistemului.

Modelul virtual al sistemului de orientare conține un corp fix (stâlpul de susținere) și trei corpuri mobile conectate între ele. Stâlpul de susținere este conectat rigid cu partea fixă (la sol),conexiune realizată prin legătură fixă. Motorul pas cu pas este conectat rigid la axul melcului, tot printr-o legătură fixă. Axul cadrului de susținere a panoului este conectat printr-o cuplă de rotație la axul roții melcate. În această cuplă de rotație este aplicată o mișcare generatoare pentru controlarea mișcării diurne. Corpul de intrare este motorul pas cu pas, corpul intermediar este reprezentat de angrenajul melcat iar corpul de ieșire este panoul PV.

Fig.5.2. Sistemul de orientare în mediul MBS

Analiza mecanismului de orientare în mediul MBS

Pentru această lucrare analiza modelului s-a realizat cu softul MSC Adams. Etapa de preprocesare (conceperea modelului) este realizată în modulul Adams/View și etapa de procesare (analiza și simularea modelului) în Adams/Solver. Modulul Adams/PostProcessor permite prelucrarea rezultatelor obținute după parcurgerea etapelor anterioare. Astfel, prototipul virtual poate fi evaluat pe tot parcursul procesului de proiectare. Marele avantaj al prototipului virtual este că acesta devine baza unui proces ieftin și rapid de realizarea a unui prototip fizic, eliminând orice risc și reducând costurile.

Modelul cinematic conține corpurile din sistem conectate prin cuple cinematice, intrarea este reprezentată de restricția cinematică aplicată în cupla de rotație dintre axul cadrului de susținere a panoului și axul roții melcate. Modelul dinamic invers include componentele modelului cinematic, sistemul de forțe care solicită mecanismul iar cu ajutorul acestui model se determină momentul motor (care determină comportamentul cinematic). Modelul dinamic include proprietățile modelului dinamic invers, în acest caz intrarea este reprezentată de momentul motor (determinat pe baza modelului dinamic invers), acest model permite evaluarea mișcării reale a mecanismului aflat sub acțiunea forțelor.

Analizând modelul cinematic al mecanismului de orientare se obțin funcțiile de poziție, viteză, accelerație ale elementelor sistemului. Legea de mișcare este aplicată prin restricție cinematică în cupla de rotație dintre axul cadrului de susținere a panoului și axul roții melcate. Domeniul unghiular pentru mișcarea diurnă este [+60;-60 iar timpul de simulare este exprimat în ore. În continuare sunt prezentate rezultatele analizei.

Fig.5.3. Unghiul de rotație al panoului

Fig.5.4. Legea de mișcare a panoului

Fig.5.5. Viteza unghiulară a panoului

Din analiza dinamică inversă se obține diagrama de variație în timp a momentului motor necesar pentru asigurarea comportamentului cinematic al modelului.

Fig.5.6. Momentul motor

Din analiza dinamică se obține diagrama variației puterii consumate pentru realizarea mișcării diurne.

Fig.5.7. Puterea necesară pentru realizarea legii de mișcare

Sinteza grafică a mecanismului de ștergere

Panourile solare sunt expuse la diverse condiții meteorologice și pe suprafața acestora se acumulează reziduuri, praf etc. Pentru a crește valoarea eficienței energetice și pentru a prelungi durata de viață a unui panou, acesta necesită o curățare periodică. În capitolul 4al lucrării de față sunt prezentate diferite tipuri de soluții de sisteme de ștergere pentru panourile solare, deja existente pe piață.

Astfel, pe modelul sistemului de orientare se integrează un sistem de ștergere a suprafeței panoului. Sistemul de ștergere se folosește de mișcarea de rotație diurnă a sistemului de orientare pentru a-și îndeplini funcția de ștergere. Pentru a face posibil acest lucru este nevoie de implementarea unui mecanism care să transforme mișcarea de rotație în mișcare de translație, care folosește cuple de rotație și de translație la elementele conducător/condus. Un astfel de mecanism este de fapt mecanismul manivelă – patină RRRT sau se pot utiliza mecanisme cu dublă-patină RRTT sau RTRT (cuplele de la baza fiind una de rotație și una de translație) (figura 5.8.). [6]

RRRT RRTT RTRT

Fig.5.8. Mecanismele manivelă-patină/dublă-patină

De regulă mecanismele sunt antrenate de surse motoare care execută o rotație continuă. Pentru asigurarea funcționării transmisiei mecanice elementul conducător (manivela) al mecanismului trebuie să execute o rotație completă (0-360. Condiția de obținere a manivelei este l2>l1+e (fig 5.9.).

Fig.5.9. Mecanismul manivelă-patină (1- manivelă, 2- bielă, 3- patină)

În cazul de față se impune cursa mecanismului și este necesară efectuarea unei sinteze grafice. Elementul condus al mecanismului manivelă-patină trebuie să realizeze o cursă de 530 mm (dimensiune ce corespunde lățimii panoului).

Cursa este definită de punctele C1 și C2 și se parcurge în cele două sensuri (dus-întors) pentru a permite elementului conducător să realizeze o rotație completă (0-360 și. Lungimie l1, l2 și e (excentricitatea) sunt necunoscute.(fig 5.11.)

Figura 5.10. Cursa mecanismului manivelă-patină

Fig.5.11. Cursa mecanismului manivelă-patină

În pozițiile extreme 1=, 2=, h=1-2, două dintre necunoscute se aleg constructiv iar pentru cea de-a treia necunoscută rezultă relația:

h=0.[******]

Se formează astfel sistemul ecuațiilor de sinteză, din care se potcalcula doi parametri (cel de-al treilea alegându-se constructiv).

Modelarea și simularea sistemului de ștergere

Mecanismul este tratat în ADAMS ca un ansamblu de corpuri (denumite părți – parts) conectate prin legături mecanice (cuple), elemente elastice și de amortizare [57].

Tipurile de părți incluse în ADAMS sunt: corpuri rigide, corpuri elastice și corpuri punctiforme. Corpurile rigide sunt definite de masă și proprietăți inerțiale.

Constrângerile din sistemul mecanic pot fi articulații idealizate, restricții în mișcare, mișcări generatoare și contacte. Articulațiile idealizate au un corespondent fizic, precum cupla de rotație sau translație. Restricție în mișcarea relativă se poate considera, de exemplu, condiția ca un corp să fie obligat să se deplaseze paralel sau perpendicular cu un alt corp. Mișcările generatoare introduse conduc modelul și sunt aplicate elementelor conducătoare (de regulă, o funcție de timp). Contactele dintre corpuri se specifică prin reacțiunea corpului atunci când vine în contact cu un alt corp, în timpul mișcării modelului.

Transmisiile prin curele sunt transmisii mecanice care au rolul de a transmite energia de la un arbore motor la unul sau mai mulți arbori conduși, prin intermediul unui element flexibil, fără sfârșit, numit curea. O transmisie prin curele are următoarele componente: roată conducătoare(1), roată condusă(2), curea(3), sistem de întindere(4).[12]

Fig.5.12. Componentele unei transmisii prin curea

Printre avantajele pe care le prezintă transmisiile prin curele fața de alte tipuri de transmisii mecanice (cu roți dințate, cu lanțuri) se pot enumera următoarele avantaje: posibilitatea transmiterii mișcării de rotație și a puterii la distanță, funcționarea lină, fără zgomot, amortizarea șocurilor și a vibrațiilor, protecție asupra suprasarcinilor, precizie scăzută în execuție și montaj relativ ieftin. Gabaritul mare în comparație cu transmisiile cu roți dințate, capacitatea de transmitere limitată, alunecarea elastică, încărcările mari produse pe arbori și lagăre, durabilitatea limitată reprezintă dezavantajele transmisiilor prin curele.

Curelele striate (Poly-V) reprezintă o îmbinare a caracteristicilor curelelor late și curelelor trapezoidale (fig 5.13.).

Fig.5.13. Curea striată

Pentru acest tip de curea zona de compresiune, situată pe fața interioară, este rezistentă la căldură și la presiuni înalte și conține fibre orientate în același sens, ce conferă curelei stabilitate și rigiditate în sens transversal.

Avantajele acestui tip de curea față de curelele clasice sunt nervurile cu profil V care implică o suprafață de contact mare, care permit transmiteri de sarcini mari. De asemenea, profilul subțire al curelei striate determină suplețe și flexibilitate și este posibilă utilizarea în cadrul transmisiei a sistemelor de întindere cu role sau a unor transmisii ce folosesc partea exterioară a curelei. Greutatea redusă a curelei determină o forță centrifugă mică, permițând utilizarea acestora la transmisiile de mare viteză. Curelele striate pot fi executate cu un număr optim de nervuri longitudinale, în funcție de necesități.

Cât despre roțile de curea, acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să fie ușoare, bine echilibrate, montate centric pe arbori, să asigure o bună aderență și să nu uzeze cureaua.

Materialele utilizate la construcția roților de curea sunt fonta turnată, oțel, aluminiu, materiale plastice. Indiferent de tipul de curea pentru care sunt utilizate, roțile de curea au următoarele componente: obada, discul (brațele) și butucul.

Fiecare element component este supus la solicitări. Obada este solicitată la tracțiune (provocată de forțele centrifuge proprii), încovoiere (rezultat al acțiunii brațelor și datorită apăsării curelei pe roată). Brațele sunt solicitate la: tracțiune (datorită forțelor centrifuge), încovoiere (dată de forța utilă tangențială și de acțiunea obezii ca moment de încastrare) și compresiune datorită apăsării curelei. Pentru curelele striate se folosesc roțile striate (fig 5.14.)

Fig.5.14. Roată striată

Cuplajele unisens sunt cuplaje mecanice intermitente care realizează legătura condiționată de sensul mișcării de rotație relativă între două elemente coaxiale ale unui sistem mecanic. Această legătură este rigidă pentru un sens de rotație și se întrerupe pentru celălalt sens. Cuplajele unisens transmit momentul de torsiune și mișcarea de rotație pentru un sens al mișcării relative a elementului de intrare față de cel de ieșire, datorită întreruperii fluxului de putere a elementelor intermediare și întrerup transmiterea pentru celălalt sens.

Soluțiile constructive de cuplaje au la bază două principii fundamentale de transmitere a sarcinii: prin formă și prin frecare.

In fig 5.16. este prezentat printr-o schemă funcțională un tip de cuplaj unisens care transmite sarcina prin forma elementelor conjugate.

Fig.5.16. Cuplaj unisens care transmite sarcina prin formă

Transmiterea sarcinii de la elementul conducător 1 la elementul condus 2, pentru un sens de rotație se realizează prin formele conjugate ale elementelor în contact – clichetul 3, montat pe discul conducător 1, prin bolțul 5 și este menținut în contact cu arcul elicoidal de torsiune 6 și semicuplajul cu dinți asimetrici la exterior, montat pe arborele condus 4. Acest tip de cuplaj unisens care transmite sarcina prin forma elementelor conjugate se poate adopta în realizarea modelului real al mecanismului de ștergere al panoului.

Elementul conducător al mecanismului manivelă-patină trebuie să realizeze o rotație completă (0-360 iar acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unei transmisii prin curele cu roata conducătoare fixată pe arborele motoreductorului (arborele motor) și roata condusă pe arborele care face legătura între aceasta și brațul manivelei (arborele condus).Soluția aleasă pentru transmiterea mișcării de rotație de la sistemul de orientare la sistemul de ștergere este o transmisie prin curea. Transmisia a fost realizată în programul Adams utilizând modulul Machinery Belts care permite și evaluarea comportamentului dinamic (raport de transmitere, tensiuni, forțe) și a performanței pentru acest tip de transmisii. În Adams curelele sunt de tip Poly-V (striate). Pentru modelarea transmisiei prin curea s-au respectat următorii pași:

Stabilirea tipului de roti ale transmisiei prin curea

Fig. 5.17.

Stabilirea geometriei roților de curea 1 și 2

Roata conducătoare are diametrul de 150 mm iar roata condusă 50 mm.

Fig.5.18.

Fig.5.19.

Stabilirea materialului și a caracteristiciolor acestuia pentru roțile de curea

Fig.5.20.

Stabilirea tipului de curea al transmisiei

Fig.5.21

Stabilirea geometriei curelei

Fig.5.22.

Stabilirea parametrilor de contact și fricțiune

Fig.5.23.

Stabilirea ordinii înfășurării curelei pe roțile transmisiei

Fig.5.24.

Modelul virtual al transmisiei prin curea este reprezentat în figura de mai jos.

Fig.5.24. Transmisia prin curea a sistemului de ștergere

În cazul de față roata condusă are diametrul de 50 mm, roata conducătoare are diametrul de 150 mm iar distanța dintre axe este de 300 mm. (fig.5.26.) Raportul de transmitere este i=1:3.

Pentru a calcula lungimea curelei se folosește următoarea formulă:[7]

lc = (dm π / 2) + (df π / 2) + (2 lfm) + ((df – dm)2/(4 lfm)),

unde: lc reprezintă lungimea curelei, df este diametrul roții conducătoare, dm este diametrul roții conduse, lfn este distanța dintre axe. Înlocuind în formulă cu valorile cunoscute se obține lungimea curelei lc=922 mm (fig5.25.).

Fig.5.25. Calculul lungimii curelei

Fig.5.26 Lungimea curelei

Componentele și modul de funcționare al mecanismului de ștergere

La sistemul de orientare analizat în această lucrare se adaugă un sistem de ștergere pentru panoul solar (scopul fiind creșterea eficienței energetice a acestuia). Panoul, pe parcursul unei zile, realizează o cursă completă pe domeniul unghiular [+60;-60 urmând ca dimineața să revinăla poziția inițială. Cu alte cuvinte, cursa realizată de panou dimineața are ca scop poziționarea panoului în + 60realizând o mișcare de rotație continuă, mișcare ce acționează mecanismul de ștergere al panoului și a cărei curse este definită de domeniul unghiular [-60;+60.

Un aspect important este faptul că sistemul de ștergere folosește mișcarea de rotație a sistemului de orientare pentru realizarea operațiunii de curățare. Mișcarea de rotație a arborelui pe care este fixată roata conducătoare se transmite la mecanismul manivelă-patină (prin intermediul curelei). Mecanismul manivelă-patină transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație acționând lamela (1), astfel realizându-se ștergerea panoului.

După cum s-a stabilit, operațiunea de ștergere are loc în momentul întoarcerii panoului în poziția inițială (+ 60 și acest aspect impune funcționarea transmisiei prin curea într-un singur sens. În mediul virtual (programul Adams) legea de mișcare este aplicată prin restricție cinematică în cupla de rotație iar în realitate soluția este reprezentată de roata de curea de sens unic.

Sistemul de ștergere este reprezentat în figura 5.27. și este alcătuit din următoarele componente: 1- Lamelă, 2-Patină, 3- Manivelă, 4- Element de susținere, 5- Roată condusă, 6- Curea, 7- Roată conducătoare.

Fig.5.27 Sistem de ștergere

Simularea sistemului mecanic, după conceperea (construcția) modelului, are ca obiectiv identificarea caracteristicilor de performanță și a răspunsului la un set de condiții de operare; aceasta se face cu ajutorul modulului ADAMS/Solver, care formulează și rezolvă automat ecuațiile de mișcare ale modelului. După rezolvare se realizează animarea modelului și se pot afișa grafice de urmărire în mișcare a unor mărimi de interes.

La rularea unei simulări, modulul ADAMS/Solver calculează numărul gradelor de libertate din model, determinând ecuațiile de mișcare care trebuie rezolvate. Fiecare constrângere din model înlocuiește un număr de grade de libertate, adăugând ecuații algebrice de constrângere.

Mișcarea corpului rigid este descrisă prin șase coordonate generalizate: coordonatele originii reperului atașat corpului și orientarea axelor acestui reper relativ la axele sistemului de referință global (inerțial).Prin urmare, gradul de libertate este echivalent cu numărul total de coordonate independente în sistem (relația Gruebler):DOF = 6·n – r.

Altfel spus, mobilitatea unui sistem mecanic se calculează cu relația de mai jos:

M=S*(nc-1)-;

unde S reprezintă spațialitatea, nc este numărul de corpuri (mobile și corpul fix) iar este suma restricțiilor geometrice introduse de cuple.

Adams include informații cu privire la gradul de libertate al sistemului de orientare și de ștergere pentru panoul solar. Pentru modelul virtual valoarea gradului de libertate este 361.

Fig.5.28. Gradul de libertate pentru sistemul de orientare și de ștergere

Mecanismul manivelă-patină al sistemului de ștergere a fost realizat în Adams iar lungimea l1 a manivelei, lungimea l2 a patinei și excentricitatea au fost determinate aplicând metoda descrisă anterior. [11]

În diagrama de mai jos este reprezentată cursa realizată de lamela ștergătorului.

Fig.5.29. Cursa realizată de lamela ștergătorului

Unghiul de rotație al manivelei ștergătorului este reprezentat în diagrama de mai jos

Fig.5.30. Unghiul de rotație al manivelei ștergătorului

EFICIENȚA ENERGETICĂ A SISTEMULUI DE ORIENTARE

Unghiurile solare

Unghiul altitudinal () este unghiul care se formează între planul orizontal al locului și raza solară și se determină cu următoarea relație:

=sin-1(sin) (6.1.)

Unghiul latitudinal este unghiul măsurat de la ecuator până la zona geografică de interes, are valori pozitive în emisfera nordică și valori negative în emisfera sudică.

Declinația () este unghiul diedru dintre planul ecuatorial și planul elipticii pe care Pământul își desfășoară rotația în jurul soarelui. Acest unghi se calculează cu formula:

=23,45sin (6.2.)

Unghiul orar este unghiul care unește centrul soarelui cu centrul pământului și linia care unește cele două centre la amiaza solară și se calculează cu formula:

unde t reprezintă timpul local. (6.3.)

Fig.6.1. Unghiurile solare

Modelarea radiației solare și a unghiului de incidență

Este demonstrat faptul că pentru fiecare lună există o zi în care radiația solară este egală cu radiația medie a lunii, cu alte cuvinte aceasta este ziua pentru care valoarea declinației este egală cu declinația medie a lunii. În consecință, pentru determinarea programului optim de orientare se iau în calcul cele douăsprezece zile reprezentative din an (câte o zi pentru fiecare lună). Pentru a afla ce cantitate de energie poate capta un panou solar se integrează curba radiației solare. Curba a fost modelată pentru zona Brașovului și solstițiul de vară cu următoarele date de intrare: ϕ = 45.5◦, δ = 23.45◦, n = 172, T ∈[5.579, 21.059], TR = 4.2, and γ∗ = 45.00◦.

Eficiența panourilor fotovoltaice este influențată în principal de radiația solară. Radiația solară globală reprezintă suma radiației directe, radiației difuze și radiației reflectate. Radiația directă este radiația globală care ajunge direct pe suprafața pământului sub formă de fascicule de raze paralele în timp ce radiația difuză ajunge pe pământ după ce a fost dispersată în atmosferă de nori, praf, vapori de apă etc. Radiația reflectată este radiația globală care își schimbă direcția de propagare.

Fig. 6.2. Componentele radiației solare

În mod normal, un panou solar captează cea mai mare cantitate de radiație solară atunci când este orientat sub unghiul solar altitudinal cu valoare maximă – la amiază. De asemenea, radiația solară este influențată de locația geografică, relief, anotimp, climă și gradul de poluare al zonei. Cantitatea de radiație solară dintr-o anumită zonă poate fi estimată cu ajutorul modelelor matematice (metode empirice) sau folosind baze de date meteorologice. Cu ajutorul acestor estimări se poate evalua câștigul energetic care poate fi obținut prin orientarea unui panou solar. [6]

Mișcarea de rotație diurnă a unui sistem de orientare se poate realiza fără opriri, de la est (poziție ce corespunde lui *= +90) la vest (poziție ce corespunde lui *= -90) sau poate fi o mișcare în pași, panoul fiind orientat după un număr egal de pași la fiecare oră. Pentru un panou solar, obținem cantitatea maximă de radiație solară captată atunci când acesta este orientat pe domeniul unghiular maxim * La răsărit și la apus radiația solară are valori scăzute, din acest motiv utilizarea unui mecanism de orientare pe domeniul unghiular * nu este rentabilă (cantitatea de radiație captată nu justifică consumul de energie necesar orientării panoululi.)

Energia produsă de panoul solar (E) depinde de cantitatea de radiație solară incidentă (Ri) care se obține integrând curba de radiație solară incidentă, de suprafața activă a panoului (S) și de randamentul de conversie al panoului (η).

E= η (6.4.)

Radiația incidentă, normală pe suprafața activă a panoului este dată de relația:

RI= RD · cos , (6.5.)

unde Ri reprezintă radiația directă iar i reprezintă unghiul de incidență.

Pentru estimarea radiației solare din zona Brașovului, se poate folosi modelul empiric Meliß, acest model fiind apropiat din punct de vedere al condițiilor climatice de zona Brașovului. Modelul empiric Meliß are următoarea expresie:

(6.6.)

cu următoarele componente:

(1+0.0334 cos x)

x=0.9856

=sin-1(sin)

unde R0 reprezintă radiația extraterestră iar constanta solară (1367 W/m2), n – numărul zilei din an, TR – factorul de turbiditate atmosferică, – unghiul altitudinal al soarelui, – unghiul latitudinal , – unghiul orei și T – ora locală.

Unghiul de incidență rezultă din produsul scalar al vectorului razei solare și al normalei vectorului pe suprafața panoului.

i = cos−1 (cos β · cos β∗ · cos(γ − γ ∗ ) + sin β · sin β∗ ) (6.7.)

β = sin−1 (cos δ · sin ω) (6.8.)

γ = sin−1 (6.9.)

ψ = (sin ω) cos−1 (6.10)

unde și reprezintă unghiurile diurne și sezoniere ale razei solare, și * – unghiurile diurne și sezoniere ale panoului și ψ unghiul azimutal.

(6.11)

unde R0 reprezintă constanta solară (1367 W/m2), N – numărul zilei din an N, N=1 – 1 ianuarie, TR – factorul de turbiditate atmosferică, – unghiul altitudinal al soarelui.

Determinarea domeniului unghiular pentru orientare

Pentru a defini legea de mișcare a sistemului de orientare primul pas este determinarea domeniului unghiular optim pe care se va realiza mișcarea diurnă, considerând panoul orientat astfel încât să urmărească continuu poziția soarelui de-a lungul unei zile. După ce se determină perechea de unghiuri optimă, următoarea etapă constă în stabilirea numărului de pași în care se parcurge domeniul de orientare și al momentului optim de acționare pentru fiecare pas de mișcare.

Unghiul diurn se poate defini pe domeniul unghiular maxim [+90; -90]. Pentru sistemul de orientare calculele au fost făcute pe baza modelului matematic prezentat anterior, obținând astfel radiația incidentă. Prin integrarea curbei radiației incidente, ținând cont de suprafața activă a panoului ( 0.371 m2) și de randamentul de conversie al panoului (15%) se obține cantitatea de energie electrică produsă de sistem. Mai departe, pe baza prototipului virtual al sistemului, se poate determina cantitatea de energie consumată pentru realizarea legii de mișcare. Rezultatele sunt prezentate in figura 6.3., consumul total este de 20.664 Wh/zi.

Fig.6.3. Energia consumată de panou pentru realizarea legii de mișcare

Pentru a justifica utilizarea mecanismului de orientare câștigul de energie este evaluat comparând cazul sistemului orientat cu cel al sistemului fix. Rezultatele evaluării sunt prezentate în figura 6.4. pentru sistemul fix și figura 6.5. pentru sistemul orientat. Valoarea maximă a energiei produsă de sistemul fix este de 307.390 Wh/zi iar pentru sistemul orientat această valoare este de 467.133 Wh/zi.

Fig. 6.4. Energia produsă de sistemul fix

Fig. 6.5. Energia produsă de sistemul orientat

Analizând rezultatele obținute se ajunge la concluzia că domeniul unghiular optim pentru mișcarea diurnă a sistemului la momentul solstițiului de vară este β∗∈ [60◦,−60◦] (valoarea câștigului de energie fiind maximă).

După ce se determină perechea de unghiuri optimă, următoarea etapă constă în stabilirea numărului de pași necesari pentru parcurgerea domeniul de orientare. Scopul orientării pas cu pas este minimizarea timpului de operare a sistemului . Curba radiației solare este simetrică față de poziția de amiază și din acest motiv se stabilește o lege de mișcare cu număr par de pași. Ultimul pas este pasul de întoarcere al sistemului în poziția inițială, de la apus spre răsărit. Pentru realizarea mișcării diurne pe domeniul unghiular β∗∈ [60◦,−60◦] s-a stabilit o lege de mișcare în șase pași (20/pas).

Cel mai important aspect care trebuie luat în calcul în orientarea pas cu pas este identificarea momentului de acționare pentru fiecare pas. În cazul de față soluția a fost generată pe baza unui algoritm. Domeniul unghiular β∗∈ [60◦,−60◦] este segmentat în poziții intermediare, în funcție de mărimea pasului. Astfel, pentru legea de mișcare în șase pași pozițiile sunt β∗=60, 40, 20, 0, -20, -40, -60 și pașii de mișcare corespund trecerilor de la 60 la 40, 40 la 20, 20 la 0, 0 la -20, -20 la -40 și de la -40la -60. Pentru pozițiile menționate se obțin curbele de radiație incidentă (sistemul fiind considerat fix în aceste poziții). Prin analiza curbelor se determină momentul în care valoarea radiației solare incidente pentru o anumită poziție k devine mai mică decât valoarea următoarei poziții k+1, astfel determinându-se momentul în care se efectuează pasul. Analiza se continuă cu următoarea pereche de poziții k+1 și k+2 etc. Se trasează graficul care conține punctele de intersecție dintre curbele radiațiilor incidente, generându-se valorile aproximative ale acestor puncte de intersecție.

Fig. 6.6. Curbele radiațiilor incidente pentru proiectarea legii de mișcare în 6 pași

PROMOVAREA PRODUSULUI

Un designer trebuie sa țină cont și de aspectul produselor, pe tot parcursul procesului de proiectare, aspectul având un rol important în atragerea potențialilor clienți. De obicei toate produsele existente au o concurență pe piață, reprezentată de produsele cu caracteristici tehnice similare

Realizarea unui produs nou presupune respectarea mai multor etape. Un aspect important este faptul că între marketing și design există o legătură strânsă. De asemenea, participarea ergonomului este la fel de importantă pentru menținerea în competiție a produsului.

Atunci când din anumite motive de natură tehnică, nu se poate acționa asupra produsului propriu-zis, se poate îmbunătăți modul de prezentare (ambalajul) și strategia de branding.

Elementele ce însoțesc produsul aparțin atât categoriei de promovare cât și a celei de identificare, făcând posibilă recunoașterea calității mărfii și a garanției oferite de „numele” firmei producătoare. [11] Logo-ul pentru sistemul de orientare și de ștergere al panoului este repreznetat în figura 7.1.

Fig. 7.1. Logo

CONCLUZII

O rotație completă a pământului în jurul propriei axe (360) se realizează în 24 ore. Acest lucru înseamnă că pământul se rotește cu 15/oră. Sistemul de orientare este proiectat astfel încât să realizeze legea de mișcare în pași, reducând astfel timpul de operare. Pentru panoul solar se poate programa un interval de timp în care acesta să se întoarcă spre est. Ținând cont de faptul că sistemul de orientare este prevăzut cu un sistem de ștergere al panoului, întoarcerea se realizează dimineața, moment în care se realizează ștergerea.

Pe baza rezultatelor obținute se poate afirma că soluția propusă pentru sistemul de orientare și de ștergere a panoului fotovoltaic prezintă o serie de avantaje printre care se pot enumera următoarele:

Consum de energie minim, datorită faptului că mișcarea de orientare a panoului se execută doar atunci când este necesar, prin respectarea legii de mișcare.

Orientarea în pași a sistemului elimină consumul suplimentar de energie între perioadele de mișcare ale sistemului.

Creșterea cantității de energie produsă de panou prin poziționarea optimă a acestuia față de poziția soarelui.

Creșterea cantității de energie produsă de panou prin implementarea sistemului de ștergere.

Pentru domeniul unghiular de orientare stabilit cantitatea de radiație solară captată de celulele fotovoltaice justifică orientarea.

BIBLIOGRAFIE

Alexandru, C., Pozna, C. Dinamica sistemelor mecanice pe baza prototipării virtuale, cu aplicare la mecanismele suspensiei vehiculelor. Editura Universității Transilvania din Brașov, 2003

Alexandru, C., Mecanisme articulate Analiză – Sinteză – Simulare cinematică

Alexandru, C., Buta, A.C. Mecanismele ștergătoarelor de parbriz Modelare și prototipare virtuală. Editura Universității Transilvania din Brașov, 2003.

Alexandru, C., Simularea pe calculator a sistemelor mecanice articulate Editura Lux Libris,1999

Alexandru, C., Pozna, C., Simulation of a dual-axis solar tracker for improving the performance of a photovoltaic panel, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 224, nr. 6, p. 797-811, 2010.

Alexandru, C., Optimizing the mechanical systems by using virtual prototyping environment, 1st International Conference „Optimization of the Robots and Manipulators”

Alexandru, C., A Novel Open-Loop Tracking Strategy for Photovoltaic Systems, Hindawi Publishing Corporation, vol.2013, p 1-12.

Butnariu, S., – Transmisii prin curele sincrone, Editura Universității Transilvania din Brașov

Chișu, E., Moldovan, Gh., Velicu, D., Mogan, Gh., Jula, A., Florea,V., Eftimie, E., Velicu, R., Stroe,I., Cuplaje mecanice intermitente, Editura Lux Libris 1998

Ghionea, I.G. Module de proiectare asistată în CATIA V5: Cu aplicații în construcția de mașini,  Editura BREN, București, martie 2009.

www.physics.pub.ro/Cursuri/Nicoleta_Eseanu__Fizica_TET_Anul_2_(2012)/CAP.V.pdf 9

www.vremea.meteoromania.ro/node/65 8

www.engineeringtoolbox.com/length-belt-fans-motors-d_872.html7

www.om.ugal.ro/om/biblioteca/Organe_de_masini_si_mecanisme-vol2.pdf 1

www.robofun.ro/docs/curs/1845353456565/MotoarePasCuPasArduinoEasyDriver.pdf