DEVELOPMENT AND PROTOTYPING OF TWO-AXIS SOLAR TRACKER ARRAYS WITH A DECENTRALIZED DRIVE SYSTEM

Abstract

Solar trackers er en teknologi som forbedrer effektiviteten til solfarmer. Dette skyldes det faktum at de åpner for en økning i toppeffekten og den midlertidige avstanden til produksjonen. Den største ulempen med disse typer trackere er deres høye produksjonskostnad sammenlignet med fast monterte solceller. Ulempene med disse enhetene og deres høye kostnader gjør det relevant å utforme et forbedringsforslag. Eksisterende to-akse solcelletrackere oppfører seg som mobile støtter som inneholder alle nødvendige komponenter for å fungere som komplette enheter. Komponentene kan deles inn i tre kategorier, kontrollsystem, drivsystem og struktur. Hvis alle trackerene er på samme sted, beveger de seg synkront. Dette lar deg sentralisere kontroll- og drivsystemene. Det er ved å sentralisere disse systemene at produksjonskostnadene til trackerne kan reduseres. En småskala prototype ble laget for å bevise at et slikt konsept med sentralisering av systemer er mulig. Til dette formålet ble CAD-programvare og en 3D-printer brukt til å produsere konstruksjonsdelene. For bevegelsessystemet ble det brukt et system basert på 4 trinnmotorer som overfører bevegelsen til strukturen gjennom bruk av kabler og trinser. En Arduino Mega ble brukt til å motta og sende kommandoer eller data til sensorer, webservere og motorer. For kontroll og overvåking av prototypen ble det etablert en webplattform. I designprosessen ble forskjellige verktøy og metoder brukt, blant annet: sensorkarakteriseringer, vektorsimuleringer i Matlab og programmering av bevegelsesalgoritmer. Ytelsestester ble utført på prototypen og på nettplattformene. Fra disse var det mulig å demonstrere funksjonaliteten til designet samt å oppnå maksimale rotasjonsvinkler. Disse svingvinklene har 360º asimutsving og 80º høydesving. Funksjonaliteten til nettplattformene ble også testet. Når designkonseptet ble demonstrert, var det nødvendig å bevise at sentralisering av systemer resulterte i en kostnadsreduksjon. For dette formål ble en fullskala produksjonskostnadsmodell opprettet. Til dette formålet ble det brukt en CFD og strukturell programvare. Dette tillot meg å få tak i belastnings- og stressdataene som trengs for dimensjonering. Med denne studien var det mulig å bestemme sammenhengene mellom variablene som kostnadsestimatet var avhengig av. Blant forholdene var det i stand til å bestemme virkningen av å velge en driftsvindhastighetsgrense, eller forholdet mellom antall trackere i serie med den relative forbedringen i produksjonskostnadene. Til slutt, for å verifisere at disse kostnadene ble redusert, ble modellen, som ble opprettet, sammenlignet med produksjonskostnadene til ST2408PH tracker-modellen. Økonomisk ga denne sammenligningen en kostnadsreduksjon på 23,5 %.

Solar trackers are a technology that improves the efficiency of solar farms. This is due to the fact that they allow for an increase in the peak power and the temporary spacing of the production. The main drawback of these types of trackers is their high manufacturing cost compared to fixed solar trackers. The disadvantages of these devices and their high cost make it pertinent to design an improvement proposal. Existing two-axis solar trackers behave as mobile supports incorporating all the necessary components to work as complete units in themselves. Its components can be divided into three categories, control system, drive system and structure. If you have all the trackers in the same location they should move synchronously. This allows you to centralize the control and drive systems. It is by centralizing these systems that the manufacturing costs of the trackers are intended to be reduced. A small-scale prototype was fabricated to prove that such a concept of centralizing systems is possible. For this purpose, a CAD software and a 3d printer were used to manufacture the structural parts. For the movement system it was used a system based on 4 stepper motors that transmit their motion to the structure through the use of cables and pulleys. An Arduino Mega was used for receiving and sending commands or data to sensors, web servers and motors. For the control and monitoring of the prototype a web platform was established. In the design process different tools and methods were used, among which are: sensor characterizations, vector simulations in Matlab, and programming of motion algorithms. Performance tests were carried out on the prototype and on the web platforms. From these it was possible to demonstrate the functionality of the design as well as to obtain the maximum rotation angles. These turn angles were of has 360º of azimuth turn and 80º of elevation turn. The functionality of the web platforms was also successfully tested. Once the design concept was demonstrated, it was necessary to prove that centralizing systems resulted in a cost reduction. To this end, a full-scale manufacturing cost model was created. For this purpose it was used a CFD and structural software. This allowed him to obtain the load and stress data needed for sizing. With this study it was possible to determine the relationships of the variables on which the cost estimation depended. Among the relationships it was able to determinate the impact of selecting an operating wind speed limit, or the relationship of the number of trackers in series with the relative improvement in manufacturing costs. Finally, in order to verify that these costs were reduced, the model created was compared with the manufacturing costs of the ST2408PH tracker model. Financially, this comparison yielded a 23.5% actual cost reduction.