Show HN: Bộ hội tụ năng lượng mặt trời tự động tự chế
(github.com/remipch)- Solar Concentrator là một bộ hội tụ năng lượng mặt trời tự động tự chế gồm các tấm gương có thể điều chỉnh hướng, một mục tiêu cố định và thiết bị điều khiển điện tử; hiện dùng 48 gương hội tụ với tổng diện tích 1m²
- Vào ngày 26/6/2024, khi thêm lá nhôm vào bên trong lò để cải thiện cách nhiệt, nhiệt độ lò đã tăng lên 210°C sau 30 phút
- Thiết bị này có thể tạo ra tối đa khoảng 1000W nhiệt trong khi chỉ tiêu thụ 3.8W điện, và có thể được chế tạo từ các linh kiện, vật liệu tiêu chuẩn rẻ tiền, dễ tìm
- Phiên bản hiện tại không có lớp an toàn, cần căn chỉnh hướng tấm pin thủ công trước khi theo dõi tự động, chỉ điều khiển được một tấm và không hoạt động vào ngày nhiều mây
- Bước tiếp theo là điều khiển số lượng tấm tùy ý để đạt công suất vài kW, có thể dùng cho gia nhiệt chất lỏng số lượng lớn, khử muối·khử trùng, nấu ăn·khử trùng, nung chảy vật liệu và tăng đầu ra của điện mặt trời hội tụ
Cấu trúc và cách hoạt động của dự án
- Solar Concentrator là một dự án bộ hội tụ năng lượng mặt trời tự động tự chế
- Cấu hình hiện tại được chia thành ba phần
- Tấm gương có thể điều chỉnh hướng: hiện có 48 gương hội tụ, tổng cộng 1m²
- Mục tiêu cố định: hiện là một lò bê tông đơn giản với tấm kim loại đen và kính cường lực
- Bộ giám sát (supervisor): thiết bị điều khiển điện tử đo mục tiêu, tính toán và gửi lệnh cho động cơ
- Video hoạt động ngày 8/7/2024 gồm hai phần
- Phần đầu cho thấy quá trình lắp ráp ở tốc độ gấp 10 lần
- Phần sau cho thấy quá trình tự động bám mặt trời trong khoảng 7 giờ ở tốc độ gấp 600 lần
Hiệu năng và định hướng chế tạo
- Vào ngày 26/6/2024, khi thêm lá nhôm vào bên trong lò để cải thiện cách nhiệt, nhiệt độ lò đã tăng lên 210°C sau 30 phút
- Các đặc điểm chính gồm
- Có thể tạo ra tối đa khoảng 1000W nhiệt trong khi tiêu thụ 3.8W điện
- Sử dụng linh kiện và vật liệu tiêu chuẩn, rẻ tiền, dễ tìm
- Không cần chế tạo độ chính xác cao, có thể làm thủ công bằng dụng cụ thông thường
- Dễ lắp ráp và tháo rời
- Dễ hiểu và dễ chỉnh sửa
- Được công bố dưới dạng mã nguồn mở
Cảnh báo an toàn và các giới hạn hiện tại
- Dự án này có thể gây mù vĩnh viễn, bỏng da hoặc làm vật thể bốc cháy đối với người hay động vật xung quanh
- Ngay cả khi tắt nguồn, ánh sáng mặt trời vẫn bị hội tụ gấp 48 lần vào một vùng nhỏ
- Điểm hội tụ tiếp tục di chuyển theo quỹ đạo khó dự đoán
- Ở trạng thái hiện tại, thiết bị phải được giám sát liên tục, và nếu có bất thường thì phải nhanh chóng che gương lại
- Các giới hạn của phiên bản hiện tại gồm
- Chưa triển khai lớp an toàn
- Cần một bước thủ công ban đầu để căn chỉnh hướng tấm trước khi tự động bám mặt trời
- Chỉ điều khiển được một tấm
- Không hoạt động vào ngày nhiều mây
- Có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ điện nếu triển khai nhiều chế độ năng lượng thấp khác nhau
Linh kiện đã dùng và các sản phẩm được tái sử dụng
- Một số sản phẩm được dùng khác với mục đích ban đầu
- Kính cường lực của lò được lấy từ kệ Ikea
- Gương sử dụng gương phòng tắm trang trí
- Động cơ dùng động cơ mô hình giá rẻ
Cấu hình kỹ thuật
- Cấu trúc dự án phản ánh cấu hình kỹ thuật
- Các thành phần con chính gồm
- Mechanics: mô hình 3D của các bộ phận dùng cho tấm pin mặt trời
- Electronics: sơ đồ mạch và bố cục của bo mạch giám sát tùy chỉnh
- Simulator: đánh giá công suất lý thuyết mà mục tiêu nhận được trong cấu hình phần cứng cho trước
- Supervisor controller: firmware ESP32-CAM dựa trên Espressif ESP32 framework
- Supervisor component: định nghĩa logic cấp cao của thiết bị giám sát
- Sun tracker: tính toán lệnh động cơ để giữ ánh sáng mặt trời ở trung tâm vùng mục tiêu
- Target detector: phát hiện vị trí mục tiêu trong ảnh
- Web interface: cho phép người dùng tương tác với thiết bị giám sát
- Motors component: điều khiển động cơ trong ứng dụng ESP32
- Image component: cung cấp chức năng xử lý ảnh chung
- Motors controller: firmware Arduino Pro Mini để điều khiển động cơ
Mục tiêu tiếp theo và giấy phép
- Bước tiếp theo là điều khiển số lượng tấm tùy ý để đạt công suất vài kW
- Các ứng dụng khả thi gồm
- Đun sôi nhanh chất lỏng với số lượng lớn
- Khử muối hoặc khử trùng lượng nước lớn
- Nấu hoặc khử trùng lượng thực phẩm lớn
- Nung chảy nhựa, kim loại và thủy tinh
- Tăng đầu ra của tấm pin mặt trời bằng điện mặt trời hội tụ
- Giấy phép được chia theo từng thành phần
- Phần mềm theo GNU GPL v3
- Thiết kế phần cứng điện tử·cơ khí được phân phối theo CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Công trình rất hay. Tôi đang nghiên cứu quang học phi tạo ảnh (nonimaging optics), tức loại quang học dùng trong bộ hội tụ năng lượng mặt trời để đạt tỉ lệ tập trung cao hoặc biên độ dung sai sai số lớn
Tôi thích việc bạn triển khai điều khiển vòng kín. Đây cũng là chủ đề trọng tâm hiện nay trong các cánh đồng heliostat quy mô lớn. Heliostat truyền thống phần lớn dùng điều khiển vòng hở, nên đặt yêu cầu rất khắt khe lên kết cấu cơ khí, bộ truyền động và mô hình động học; kết quả là cần thiết bị đắt tiền và có độ cứng cao
Vì vậy đang có xu hướng chuyển sang các heliostat rẻ hơn, dùng điều khiển vòng kín để đảm bảo độ chính xác theo dõi. Khi tiêu điểm của hàng nghìn gương chồng lên nhau thì việc này khó hơn, nhưng các cách tiếp cận như đặt camera quanh mục tiêu để nhìn ngược lại cánh đồng heliostat đang được phát triển, và Heliogen cũng xử lý theo hướng này
Bạn cũng nhắc đến khó khăn là ánh sáng chỉ được tập trung trong vài giờ mỗi ngày; đây cũng là vấn đề tương tự ở các cánh đồng heliostat lớn và là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động. Nhóm của giáo sư Roger Angel tại University of Arizona đang phát triển heliostat có thể chủ động biến dạng trong ngày để duy trì hình dạng tối ưu, còn Heliosystems ở Úc đang chế tạo heliostat biến dạng thụ động nhờ trọng lực để giữ hình dạng đúng nhất có thể
Nếu chỉ dùng một heliostat đơn lẻ như dự án này, cũng có thể cân nhắc gương phản xạ Scheffler, đặt mục tiêu lên trục theo dõi căn chỉnh cực một trục đi qua mục tiêu. Khi đó trong ngày chỉ cần theo dõi một trục, còn điều chỉnh theo mùa có thể làm một phần thủ công
Tôi cũng mừng vì bạn nhấn mạnh mối nguy vốn có của ánh nắng tập trung. Có khá nhiều câu chuyện về việc đồ vật bắt lửa khi hệ thống theo dõi hoạt động không đúng
Có thể nói đây là cấu trúc trong đó sự “thông minh” của phần mềm bù đắp cho sự “thô” của cơ khí
Một ý tưởng ban đầu khác là tạo cấu hình đa tấm bằng nhiều tấm có thể chỉnh hướng và một camera nhìn vào mục tiêu. Thực tế không dễ, nên cuối cùng tôi quay lại hoàn thiện và công bố bản một tấm
Dù vậy, tôi vẫn có ý tưởng dùng thêm vài camera để triển khai đa tấm, và muốn thử làm trong thời gian gần. Tôi cũng sẽ dành thời gian xem các tài liệu tham khảo
Cũng có công ty dùng chân không để điều chỉnh hình dạng gương; tôi sẽ tìm rồi đăng ở đây
Dự án này là một bằng chứng khái niệm đang tiến hành, không phải sản phẩm hoàn thiện, nên tôi muốn nhấn mạnh các rủi ro vốn có
Nếu gắn các tấm pin dọc theo một mặt của một lăng trụ cao 5 m, thì có thể triển khai điều chỉnh góc nghiêng theo mùa của tấm pin như thế nào?
Ballast điều chỉnh được hoặc bơm phồng được có vẻ là cách đơn giản nhất
Dự án rất hay. Tôi đặc biệt thích phần so sánh công suất. Ai mà nghĩ được là có thể thu được 1 kW năng lượng từ 1 m² chứ
Một câu hỏi theo hướng tương tự: liệu có thể dùng bộ hội tụ mặt trời để gia nhiệt lò phản ứng muối nóng chảy chạy động cơ turbine không? Dù vậy vẫn ở quy mô tương đối nhỏ, đủ để làm ở sân sau
Phần mô tả ở trên là hiểu biết dựa vào trí nhớ; thứ tôi thực sự muốn nói là cái này: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
Tìm hiểu thêm một chút thì cuối cùng tôi thấy cái này về phát điện quy mô nhỏ dùng hội tụ mặt trời
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)
Có thể là một phương án thay thế phần nào khả thi cho tấm pin mặt trời. Tuy nhiên vì tấm pin mặt trời và phần cứng phụ trợ đã quá phổ biến, nên xét về chi phí thì hiện giờ có lẽ vẫn khá đắt
Cũng có động cơ Stirling cỡ lớn chạy bằng dầu nóng. Khi đường kính piston lớn, chỉ cần chênh lệch nhiệt độ nhỏ cũng có thể tạo ra mô-men xoắn khá lớn. Dầu có thể được làm nóng mà không cần hội tụ, giống như máy nước nóng năng lượng mặt trời truyền thống, và thêm hội tụ vào cũng không hại gì
Tuy nhiên tôi không chắc nó có khả thi như một phương thức phát điện quy mô nhỏ hay không. Hiệu suất nhiệt động học cao cần chênh lệch nhiệt độ lớn, trong khi tấm pin mặt trời được sản xuất hàng loạt và hiệu suất vẫn tiếp tục tăng
Cá nhân tôi cho rằng năng lượng nhiệt mặt trời hội tụ quy mô nhỏ hữu ích nhất cho các ứng dụng cần nhiệt trực tiếp như nấu ăn, khử muối và đúc. Trong các trường hợp này, phát điện bằng pin mặt trời có hiệu suất thấp và tuổi thọ cũng ngắn hơn
Khi bắt đầu dự án, tôi nghĩ nó kinh tế hơn điện mặt trời, nhưng đến cuối năm học thì giá tấm pin mặt trời đã giảm một nửa. Đó là thời kỳ Đức và Trung Quốc đang cạnh tranh trợ cấp năng lượng mặt trời
Đến giờ chắc phát điện hội tụ mặt trời sẽ cực kỳ đắt so với tấm pin mặt trời
Động cơ không thể chạy nhiều năm liền mà không thay linh kiện
Ánh nắng được hội tụ mạnh hơn vẻ ngoài rất nhiều. Hầu hết mọi người hẳn từng dùng một chiếc kính lúp cầm tay nhỏ để gom ánh mặt trời thành một điểm nhỏ và đốt giấy hoặc một mẩu gỗ nhỏ
Hồi nhỏ tôi từng có một thấu kính Fresnel đường kính khoảng 2 feet lấy từ thứ gì đó như máy chiếu cũ, và nó có thể làm nhựa đường bốc cháy gần như ngay lập tức. Có lẽ không tiện lắm, nhưng tôi nghĩ cũng có thể hàn thép bằng ánh nắng
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
Về lý thuyết, nếu có thể tạo thấu kính và sợi quang, ta có thể in 3D các cấu trúc vận hành bằng năng lượng mặt trời ở bất cứ nơi nào có đủ nắng. Có thể tưởng tượng việc in 3D tại chỗ trên Sao Hỏa một khu vườn trong chai nhỏ kèm bộ thu nước dùng tuần hoàn silica gel được làm nóng. Áp suất khí quyển vẫn sẽ thấp, nhưng sẽ ấm và ẩm hơn
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
Đáng xem từ khoảng 1 phút 25 giây
Ở đây có nhiều thí nghiệm thú vị liên quan đến thu nhiệt mặt trời: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
Một vài dự án đi theo cùng ý tưởng là cấu trúc dạng lưới gồm các gương vuông nhỏ
Tuy nhiên bên đó chọn cách đặt gương trên mặt đất, đơn giản hơn. Đổi lại họ phải di chuyển mục tiêu tới vị trí tiêu điểm, việc này kém đơn giản hơn
Đây là nguồn cảm hứng tốt, tôi sẽ xem các video
Nếu dùng cát ướt tạo một khối cong lớn đường kính trên 1 m, có thể đúc một mặt parabol bằng sợi thủy tinh lên trên đó, rồi sau khi đông cứng thì mạ chrome, sơn hoặc hoàn thiện mặt trong parabol bằng cách khác
Làm vậy có thể hội tụ ánh sáng mặt trời nhiều hơn giới hạn 48 lần hiện tại
Tuy nhiên với một số ứng dụng, tiêu điểm hình vuông 20cm x 20cm có thể tốt hơn
Nếu muốn nấu thứ gì đó, phân tán nhiệt trên toàn bộ khay nướng sẽ tốt hơn để nấu chín đều
Tôi không rõ anh ấy đã cố định đúng hướng bằng cách nào. Trong trường hợp này, có lẽ bề mặt không hoàn hảo lại là điều tốt
Cảm ơn đã chia sẻ. Thật sự rất tuyệt. Nếu có sân hoặc không gian để chế tạo, tôi muốn lắp thử một cái để chạy một động cơ nhiệt nhỏ
Tự tay làm và dùng năng lượng miễn phí từ Mặt Trời chắc chắn rất vui
Tôi đặc biệt vui khi ăn món gratin dùng nhiệt mặt trời đầu tiên
Thật ra tôi chỉ đang tìm cớ để nằm trên giường thêm vào những ngày thời tiết xấu
Rất tuyệt. Không biết bạn đã xem qua bộ thu năng lượng mặt trời phi tạo ảnh (anidolic solar collector) chưa. Theo tôi hiểu thì thực tế nó hiệu quả hơn bộ thu dùng gương hoặc thấu kính, vì không cần nhắm chính xác và có thể thu cả ánh nắng gián tiếp
Nếu tôi hiểu đúng, đặc điểm cốt lõi là không gom vào tiêu điểm mà khuếch tán ánh sáng
Vì vậy tôi không chắc có áp dụng được cho dự án của mình không
Tôi cần đào sâu thêm để hiểu đầy đủ cách nó hoạt động chính xác. Cảm ơn gợi ý
Tôi hiểu đúng không rằng góc giữa từng mảnh gương và tấm nền được cố định một lần trong lúc chế tạo, rồi sau đó không thay đổi động nữa?
Cách này có ưu điểm là thay vì cần hai motor cho mỗi gương, toàn bộ tấm chỉ cần hai motor
Nhược điểm là ánh sáng chỉ được hội tụ trong vài giờ trong ngày
Tôi nhớ khoảng năm 2000 có một thứ tương tự làm từ chảo vệ tinh Directv
Nó rất đơn giản. Biến mặt parabol của chảo vệ tinh thành bề mặt như gương, khoan một lỗ trên chảo, rồi dùng cảm biến ánh sáng theo dõi chùm sáng chiếu lên mái nhà qua lỗ đó. Nó dùng vài motor và IC để xoay chảo theo vị trí Mặt Trời