TR201711064A2 - Güneş enerji̇ santralleri̇ i̇çi̇n otonom fotovoltai̇k panel yüzey temi̇zleme robotu - Google Patents

Abstract

Buluş güneş enerji santrallerinde(GES) enerji üretmek amaçlı kullanılan fotovoltaik panellerin yüzeylerinde zamanla oluşan kir, toz ve atık maddelerin temizlenmesini sağlayan bir robottur, mikrodenetleyici tabanlı ve otonom olarak çalışma özelliğindedir. Robot panel dizilerinin üzerinde yatay eksende hareket edebilmekte olup, temizleme fırçası, basınçlı hava borusu, kızılötesi engel sensörleri, kontrol kartı, kontrol butonları, LCD ekran, 10Wp gücünde güneş paneli ve 12VDC aküden oluşmaktadır. Robot kolayca taşınabilmesi için üzerinde tutma kulpları olup, güneş enerji santrallerinde enerji üretmek amaçlı kullanılan ve ortam koşulları ile zamanla kirlenen fotovoltaik panellerin yüzeylerini otonom olarak belirli periyotlarla temizleyebilen bir robotik temizleme sistemidir. Böylece günümüzde gittikçe yaygınlaşmakta olan güneş enerji santrallerinde fotovoltaik panellerin temizlenmesi için bakım ekipleri veya herhangi bir operatör gerektirmeyen, daha sık periyotlarla otonom olarak temizleme işlemini gerçekleştiren bu robot, sektörde talep edilen bir ürün olma potansiyeline ve kapasitesine sahiptir.

Description

TARIFNAME GÜNES ENERJI SANTRALLERI IÇIN OTONOM FOTOVOLTAIK PANEL YÜZEY TEMIZLEME ROBOTU Bulusun ilqili oldugu teknik alan Bulus, günes enerji santrallerinde enerji üretmek amaçli kullanilan fotovoltaik (PV) panellerden olusan dizilerin yüzeylerinin temizlenmesini saglayan otonom temizleme robotu ile ilgilidir.

Teknigin bilinen durumu Fosil kaynakli yakitlarin çevreye olan olumsuz etkileri nedeni ile günes enerjisi gibi Çevre dostu yenilenebilir enerji kaynaklari uygulamalari günden güne artmaktadir. Günes enerjisini elektrik enerjisine dönüstürme isleminde kullanilan temel yöntem fotovoltaik(PV} panellerdir.

PV panelleri, barindirdigi silikon hücreler sayesinde üzerine düsen günes isigini dogrudan elektrik enerjisine çeviren yapilardir. Fotovoltaik prensibine göre çalisan günes panellerinin üzerine günes isigi düstügünde panel uçlarinda dogru akim üretilir. PV paneller, ortam kosullarinin elverisli ve yüzeyinin temiz olmasi durumunda nominal güçlerini üretebilmektedirler.

PV panellerinin üzerinde toprak, kum tozu, tarimsal faaliyetler sonucu olusan toz, kus pisiikleri Vb. gibi çesitli çevresel faktörlere bagli olarak biriken kir ve toz birikintileri sistemin ürettigi enerjide önemli miktarda kayiplara neden olabilmektedir. Bu nedenle panel yüzeylerinin konumladirildiklari yerin kirlenme sikligina bagli olarak belli araliklarla yüzey temizliginin yapilmasi gerekmektedir. Ancak, PV panel dizilerinin temizlenmesi erisilebilirlik, harcanan efor ve zaman kaybi gibi faktörler göz önünde bulunduruldugunda kolay bir islem degildir.

Günes enerji santralleri(GES)nin ekonomik ömürleri 25 yil civarinda kabul edilmekte ve yapilan finansal analizlerde bu Süre göz önünde bulundurulmaktadir. 25 yil boyunca enerji üretecek bir sistemin güç verimliligindeki çok küçük degisimlerin katlanmis olarak yillar içindeki etkisi önemli seviyelere çikmaktadir.

Kirli ve tozlu bir ortamda kurulan ve sürekli açik alanda kalan günes panellerinde yüzey kirliligi sonucu fotonlarin emilimi azalacagindan verimlilik %35`lere varan oranlarda azalabilmektedir. Bu durum panellerin yüzeylerini mümkün oldugunca temiz tutmanin Önemini vurgulamaktadir.

Türkiye°nin günes enerjisi potansiyeli oldukça yüksektir ve ülkemizde günes enerji santrallerinin(GES) sayisi gittikçe artmaktadir. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanligi verilerine göre, lisanssiz elektrik üretim santrallerinin kurulmasiyla birlikte 2016 yil sonu itibariyla günes enerjili santral sayisi 1043 olarak görülürken, bu santrallerin kurulu gücü ise 819,6 MW olup 2 adet lisansli günes enerjisi Santrali ile birlikte toplam kurulu güç 832,5 MW°a ulasmistir. Enerji Bakanligi“nin 2023 hedeflerine göre ise, en az 3000 MW lisansli PV santral kurulu gücüne ulasilacaktir. Bu mevcut durum, ülkemizde günes enerjisi sektörünün en az 2 kat büyüyecegini ve yeni GES”1erin kurulacagini göstermektedir.

Gittikçe yayginlasan günes enerjisi santralleri göz önünde bulunduruldugunda, santrallerdeki günes panellerinin belirli periyotlarla düzenli olarak temizleninesi ihtiyaci ortaya çikmistir. PV panel dizileri için günümüzdeki emek bazli temizleme metodlari, bakim ekipleri tarafindan sulu firçalama seklinde gerçeklestirilmektedir. Fakat bu durum belli araliklarla tekrar gerektiren bir islem oldugu için maliyetli olabilmektedir.

Tasarlanan ve prototip üretimi gerçeklestirilen Fotovoltaik (PV) panel yüzeyi temizleme robotu, GESWerdeki PV panel dizilerinin yüzeylerinin belirli araliklarla temizlenmesi ihtiyacini karsilamakta olup, otonom olarak çalismasi itibariyla bu temizleme islemi için herhangi bir operatör gErektirmemektedir. Bu bulus, ayri bir hareket platformuna ihtiyaç duymadan, panellerin kendi profillerinin üzerinde yatay olarak hareket edebilmektedir.

Robot, üzerindeki hassas yapidaki firça ile panel yüzeyindeki toz, kir ve diger maddeleri süpürerek temizleyebilmektedir. Ayni zamanda üzerinde yer alan basinçli hava borusu ile panel yüzeyine yakin mesafeden basinçli hava püskürterek panel yüzeylerindeki toz, kir ve atik maddeleri yüzeyden uzaklastirmaktadir.

Robotun Ileri veya geri hareketi esnasinda temizleme firçasinin ilerlenen yönün tersine dogru dönmesi saglanmaktadir, bu sayede panel yüzeyindeki toz ve kirlerin hep ilerlenen tarafa dogru süpürülmesi saglanmakta olup, paneller arasindaki herhangi bir birlesme boslugundan tahliye edilmeleri mümkün olmaktadir. Robot dizi sonlarina geldiginde tekrar geri yöne dönerek temiZIEme islemini tanimlanan tekrar sayisi kadar sürdürmektedir.

Bulusa konu robot, susuz temizleine yapmaktadir. GES°lerde bakim ekipleri PV panellerin temizligi için deiyonize edilmis su kullanmaktadir. Çünkü kireçli su kurudugunda panel yüzeyinde leke birakmaktadir ve bu lekeler günes isiginin emilimini azaltmaktadir. Bu bulusta bahsedilen robotun tamamen susuz temizleme yapmasi, su kaynagi kullanilmasini gerektirmemesi, suyun deiyonize edilmesi islemine gerek duyulmainasi ve suyun robotla birlikte tasinmasina gereksinim olinainasi gibi çesitli avantajlar barindirinaktadir.

Robot üzerinde yer alan yagmur sensörü sayesinde yagmur yagmasi sirasinda temizleme islemini Otomatik olarak gerçeklestirmektedir. Bu özelligin sebebi ise yagmur suyunun kireçsiz su olup, kurudugunda panel yüzeylerinde leke birakmamasidir. Bu sayede hem yagmur suyunun avantajindan yararlanilmasi hem de daha etkili bir temizleme yapilmasi islemi saglanmaktadir.

Tasarlanan bu robot, GES”lerdeki PV panellerin temizlenmesi için sinirli sayida bakim ekiplerinin kullandigi forklift türündeki temizleme makinalari ile karsilastirildiginda, otonom olarak çalisabilmesi itibariyla daha islevseldir ve bakim ekiplerine nazaran planlanan takvim dahilinde düzenli olarak temizleme yapabilmesi sayesinde panel yüzeylerinde kir ve toz tabakalarinin birikmesini önlemis olacaktir. Bu bulusun bakim ekipleri tarafindan kullanilan temizleme makinalarina göre bir diger üstünlügü ise çalisma geriliminin 12VDC olup, çalismasi için gerekli enerjiyi kendi üzerindeki günes paneli vasitasiyla saglayabilmesi ve üzerinde bulunan 12VDC ?Ahtiik bakimsiz tip bir aküye depolayabilmesidir.

Robotun çalisma gerilimi olan 12VDC besleme gerilimi insan hayati için herhangi bir risk teskil etmemektedir. Bununla birlikte hareket eden bir yapi olan bu robot üzerinde, güvenlik amaciyla kullanicinin kolaylikla ulasabilmesi için her iki tarafta da acil stop butonlari yer almaktadir.

Bu robotun çalisma senaryosu, robotun gündüz panel dizisinin basinda olusturulan park yerinde beklemesi ve gece oldugunda kendiliginden çalismasi üzerine programlanmistir. Bu sayede robotun, gündüz vakti park halindeyken kendini sarj etinesi, santraldeki PV panel dizilerinin üretimde olmadigi gece vaktinde ise temizleme islemini gerçeklestirmesi saglanmis olacaktir.

Robotun Üzerinde yer alan LCD ekran ile kullaniciya robotun günlük çalisma süresi ve teplani çalisma süreleri bilgi amaçli olarak sunulmaktadir. Ayrica bu bilgiler, robot üzerindeki bluetOOth modülü ile android cihazlara da aktarilabilmektedir. Bulusta bahsedilen robotun kendi kendini sarj etmesi, bir operatörden bagimsiz yani otonom olarak çalismasi, kullaniciya Çalismasi ile ilgili bilgiler vermesi gibi özelliklere sahip olmasi, günümüzde Endüstri 4.0 döneminin gittikçe yayginlasan uygulamalarina bir örnek teskil etmektedir.

Robotun kontrol birimi, üzerinde bir PIC denetleyici bulunan bir PCB kontrol devre karti ve harici motor sürücü kartlari ile olusturulmustur. Bu kontrol birimi, robotun her iki yaninda bulunan cisim yansimali kizilötesi sensörler ile dizinin sonlarina ulastigini algilayabilmektedir. Robotun kontrol biriminin olasi tozlanina ve yagmur etkilerinden korunmasi için lP65 standartlarinda bir buatin içinde muhafazasi saglanmistir.

Robot 210x50cm ebatlarinda 3mm kalinliginda alüminyum saç malzemeden olusturulmus gövdeye sahip olup, üzerinde 12VDC çalisma gerilimi ve SSRPM hiza sahip 120W gücünde redüktörlü DC motorlarin(8), temizleme islemini gerçeklestiren 160 cm uzunlugunda hassas kil yapisina sahip silindirik makine firçasi(9), PFT204 rulman(12), üzerinde nozzle uçlar bulunan basinçli hava borusu(10i, 12VDC ?Ah kapasiteli robotun enerji beslemesini saglayan batarya(13), kizilötesi engel algilama sensörleri(7), yagmur sensörü(16), 10Wp gücünde günes paneli(1), Üzerinde PIC18F4431 mikrodenetleyici ve baglanti klemenslerinin bulundugu inikrodenetleyicili kontrol karti(Sekil 3), motor sürücü kartlari(8), 20 satir ve 4 sütundan olusan LCD ekran(6), aç-kapa butonu(3), saga git butonu(4), sola git butonu(2], acil stop butonlari(5) ve kontrol kartini muhafaza eden lP65 standartlarinda bir buat(14i ve baglantilar için kullanilan kablo, kablo yüzügü ve kablo kanallarindan olusmaktadir. temizleyebilen prototip bir üründür. Dizi üzerinde yatay zeminde hareket etme becerisine sahip olan bu robotun farkli panel dizilimlerine uyum saglayabilecek sekilde tasarlanmasi mümkündür.

Robot, üzerinde bulunan saga git butonu(4i ve sola git butonu(2) vasitasiyla kullanici tarafindan dogrudan çalisabilmektedir. Ayrica kizilötesi engel algilama sensörleri(7) ile dIZI sonlarina ulastigini algilamakta, robotun yavaslayip, durup tekrar geri yönde harekete baslamasi saglanmaktadir. Robotun PV panel dizisi üzerinde hassas bir sekilde harekete baslamasi ve hizlanmasi, hassas bir sekilde yavaslamasi ve durmasi için DC motorlarin(8) PWM metoduyla sürülmesi saglanmistir.

PWM metodu, Pulse Width Modulation (Darbe Genislik Modülayonu) olup, çikis sinyalinin birim zamana göre ayarlanabilir bir sekilde aktif ve pasif olmasi olarak tanimlanabilir. Bu yöntem sayesinde DC motorlarin(8) farkli hizlarda sürülmesi, zamanla hizlanmasi, yavaslamasi ve farkli senaryolari gerçeklestirmesi saglanmaktadir.

Robotun üzerinde yer alan 10Wp gücündeki PV panel(7), 12VDC ?Ah kapasiteye sahip bataryayi(13) sarj etmektedir. Bu sayede robotun çalismasi için gerekli enerji, disaridan herhangi bir besleme ve operatör müdahalesi olmaksizin elde edilmektedir.

Robotun kontrolünü ve çalismasini saglayan parça ise mikrodenetleyicili kontrol kartidir(8). Mikrodenetleyicili kontrol karti(Sekil 3), üzerinde PIC18F4431 adli denetleyici ve baglanti klemenslerinden olusmaktadir. Mikrodenetleyicili kontrol kartinin(Sekil 3) çalisma gerilimi 5VDC`dir. Bu gerilim, kontrol karti(Sekil 3) üzerinde yer alan 7805 adli sabit gerilim regülatörü entegresi tarafindan saglanmistir. Bu sabit gerilim regülatörü robotun tüm enerjisini saglayan 12VDC 7Ah kapasiteli batarya(13) tarafindan saglanan lZVDCilik gerilimi, SVDC gerilime sabitlemektedir.

Robotun hareketini ve silindirik makine firçasi(9l°nin kontrolünü saglayan DC motorlarin(8) sürülmesini saglayan motor sürücü kartlari(15), DC motorlarin(8l sürülmesi için gerekli olan 12VDC gerilimi dogrudan robot üzerindeki 12VDC ?Ah kapasiteye sahip bataryadan(13) “den saglamaktadir. Motor sürücü kartlari(]5), DC m0torlar1(8] ve temizleme islemini gerçeklestiren silindirik makine firçasini(9) sürebilmek için gerekli PWM sinyallerini ise mikrodenetleyicili kontrol kart1(Sekil 3) üzerindeki PIC18F4431 adli denetleyieiden almaktadir.

Bu bulusta bahsedilen PV panel yüzeyi temizleme robotu, PV panel dizisi üzerinde, dizi boyunca 3 tur atarak temizleme isleinini gerçeklestirdikten sonra dizinin basindaki park yerine döndügünde, temizleme islemini gerçeklestiren silindirik makine firçasin1(9l belirli sürelerle saga ve sola döndürerek, park yerinde monte edilmis harici bir temizleme profiline sürtmesi saglanir, Bu islemin amaci, robotun üzerindeki silindirik makine firças1(9) üzerinde biriken tozlarin atilmasini saglamaktir. Robot için temizleme modu olarak adlandirilan bu islem, robotun silindirik makine firçasinin(9) 5 saniye sürelerle 3 kez sag ve 3 kez sola dönmesiyle tamamlanmaktadir.

Robot üzerindeki yagmur sensörü(l6) sayesinde, yagmur esnasinda direkt olarak çalisarak temizleme islemine baslamaktadir. Bu sayede yagmur suyunun kurudugunda panellerin cam yüzeylerinde iz birakmamasi özelliginden faydalanilmis olunmaktadir.

Robotun en önemli özelliklerinden biri olarak, üzerideki basinçli hava borusu(lO) ile yakin mesafeden basinçli hava püskürtülerek panel yüzeyine hiçbir temas olmaksizin toz ve kirlerin uzaklastirilmasidir. Bu Özelligin getirdigi en büyük avantaj, daha efektif bir temizleme islemi olmasinin yaninda, panel yüzeyine temas olmamasi itibariyla panellerin cam yüzeylerinde herhangi bir çizilme olusmasi riskini ortadan kaldirmasidir, Bu robot üzerinde bulunan LCD ekran(6) ile kullaniciya robotun günlük çalisma süresinin ve toplam çalisma sürelerinin bilgi amaçli olarak sunulmasi saglanmaktadir. Ayrica bu bilgiler robot üzerindeki bir bluetooth modülü ile android cihazlara da bilgi amaçli olarak aktarilabilmektedir. Bu özellikle birlikte robot, kullaniciya daha çok hitap eden bir hale getirilmistir.

PIC ve Programlanmasi Peripheral Interface Controller kelimelerinin bas harfleri ile anilan PIC, Çevresel Arayüz Denetleyicisi anlainina gelmektedir ve çok fonksiyonlu lojik uygulainalarin yazilim yoluyla gerçeklestirilmesini saglayan endüstriyel bir mikrodenetleyicidir. Bulusta bahsedilen mikrodenetleyicili kontrol kartinda(Sekil 3) Microchip firmasinin PIC18F4431 adli mikrodenetleyicisi kullanilmistir. Mikrodenetleyicili kontrol kartinda(Sekil 3) bu mikrodenetleyicinin kullanilmasinin sebebi, mikrodenetleyicinin CCPl ve CCP2 adli pinleri de dahil olmak üzere birbirinden bagimsiz 6 adet, toplamda ise 10 adet PWM sinyal üretebilen çikislara sahip olmasidir.

Bu denetleyici ürettigi PWM sinyalleri ile robotun hareketini saglayan 2 adet DC m0t0ru(8) ve temizleme isleinini gerçeklestiren silindirik makine firçasini(9l kontrol eden DC m0t0ru(8) motor sürücü kartlari(15) vasitasiyla hassas bir sekilde sürmektedir. Robotun çalisma senaryosu gündüz vakti park yerinde bekleyip sarj olmasi, santraldeki PV panellerin üretimde olmadigi gece vakti ise temizleme islemini gerçeklestirmesi, robotun PV panel dizisi üzerinde 3 tur gezdikten sonra park yerine dönüp kendi firçasini (silindirik makine firçasi(9]) temizleme moduna alip temizlemesi, gün içinde yagis gözlenmesi durumunda, bunun robot üzerindeki yagmur sensörü(16) vasitasiyla algilanip, yagmur sirasinda PV panel dizisinin temizlenmesi isleminin gerçeklestirilmesi seklinde mikrodenetleyieili kontrol karti(Sekil 3) üzerinde yer alan PIC18F4431 adli denetleyiciye programlanmistir.

Sekillerin açiklamasi Sekil 1. Robotun görünümü ve dis yüzeyindeki bilesenleri Sekil 2. Robotun Iç kisminda yer alan bilesenleri Sekil 3. Mikrodenetleyicili kontrol karti Sekil 1,deki referanslarin anlamlari 1: Kendi bataryasini sarj eden günes paneli 2: Sola git butonu 3: Aç-kapa butonu 4: Saga git butonu : Acil stop butonu 6: LCD ekran 7: Kizilötesi engel algilama sensörü Sekil 2,deki referanslarin anlamlari 8: DC motorlar 9: Silindirik makine firçasi : Basinçli hava borusu 11: Kauçuk tekerlek 12: Firçanin dönme hareketini kolaylastiran rulman 13: Robotun enerji beslemesini saglayan batarya 14: IP65 kare buat 152 Motor sürücü kartlari 16: Yagmur sensörü

Claims (14)

ISTEMLER
1. Bulus, günes enerji santralleri için otonom fotovoltaik(PV) panel yüzey temizleme robotu olup özelligi, günes enerji santrallerindeki fotovoltaik panel dizilerinin yüzeyinde olusan kir, toz ve atik maddelerin temizlenmesini saglayan, panel dizilerinin üzerinde yatay eksende hareket eden, otonom olarak çalisan bir temizleme sistemi olmasi ve üzerindeI
2. DC motorlarin(8), temizleme islemini gerçeklestiren silindirik makine firçasinin(9), robotun ilerlemesini saglayan tekerlerin(11), firçanin dönme hareketini kolaslastiran rulmanin(12), robotun enerji beslemesini saglayan bataryasmin(l3), kizilötesi engel algilama sensörleri(7), kendi bataryasini sarj eden günes paneli(l), mikrodenetleyicili kontrol karti, motor sürücü kartlari(15), LCD ekrani(6), aÇ-kapa butonu(3), saga git butonu(4), sola git butonu(2), acil stop butonu(5), nozzle uçlara sahip basinçli hava borusu(10) ve yagmur sensöründen(16) olusmasidir.
3. Istem 1,de bahsedilen fotovoltaik(PV) panel temizleme robotu parçalarindan olan DC motorlar(8); 120 W gücünde redüktörlü olup özelligi 55 RPM hizinda ve 12 VDC
4. Istem lide bahsedilen temizleme islemini gerçeklestiren silindirik makine firçasi(9); panelin cam yüzeyini çizmeyecek sekilde hashas yapida olup özelligi boyu temizlenen panelin yüzeyi ile ayni boyda olmasidir.
5. Istem l°de bahsedilen robotun enerji beslemesini saglayan batarsayisi(l 3); 12 VDC 7 Ah kapasitesinde bakimsiz tip akü olup özelligi robot üzerinde yer alan günes panelinden sarj edilmesidir.
6. Istem 17de bahsedilen kizilötesi engel algilama sensörleri(
7. 7); robotun her iki alt yaninda yer almakta ve panel dizisinin basinda ve sonunda konumlandirilan konum bariyerlerini algilamakta olup özelligi algilama mesafesinin sensör üzerinde yer alan bir trimpot araciligi ile ayarlanabilir omasidir. Istem 1”de bahsedilen kendi bataryasini sarj eden günes paneli(l); robot üzerine konumlandirilmis olup özelligi 10 Wp gücünde olmasidir. Istem 1”de bahsedilen motor sürücü kartlari(15); DC m0t0rlari(8) ve temizleme islemini gerçeklestiren silindirik makine firçasinin DC m0turunu(8) süren, üzerinde yön ve PWM (Pulse With Modulation) giris sinyal pinlerine sahip olup özelligi 28 VDC ve 43 A°e kadar sürebilmesidir.
8. 8) Istem 17de bahsedilen LCD ekran(6); 4 sütun 20 satirdan olusup özelligi üzerinde robotun günlük çalisma ve toplamdaki çalisma süreleri ile bataryanin(l3) gerilim seviyesini kullaniciya göstermesidir.
9. 9) Istem 1,de bahsedilen aç-kapa butonu(3); sistemin tüm enerjisini saglayan batarya(13) ile DC m0t0rlar(8) ve mikrodenetleyicili kontrol karti arasindaki manuel enerji aç-kapa islevini yerine getirir.
10. 10) Istem l”de bahsedilen saga git butonu(4), robotun kullanici tarafindan manuel olarak ilk hareketinin panel dizisinde sag yöne hareket ettirilmesini saglar.
11. 11] Istem 1”de bahsedilen sola git butonu(2), robotun kullanici tarafindan manuel olarak ilk hareketinin panel dizisinde sol yöne hareket ettirilmesini saglar.
12. 12] Istem lade bahsedilen acil stop butonu(5); robotun her iki yaninda yer almaktadir ve sistemin tüm enerjisini saglayan batarya(13) ile DC motorlar(8l ve mikrodenetleyicili kontrol karti arasindaki enerjinin kesilmesi islevini yerine getirir,
13. 13] Istem 1”de bahsedilen nozzle uçlara sahip basinçli hava borusu(10); robota monte ve panel uzunlugunda olup özelligi silindirik makine firçasi(9) önüne konumlandirilmis ve panel yüzeyine yakin mesafeden basinçli hava püskürterek toz, kir tabakasinin panel yüzeyinden uzaklastirilmasini saglamasidir.
14. 14) Istem l°de bahsedilen yagmur sensörü(16); 5 VDC çalisma geriliminde olup yagmur yagdiginda robotun çalismasini otomatik olarak baslatma özelligine sahip olup kontrol kartina gerekli baslatma sinyalini gönderir.