Show HN: Concentrador solar automatizado casero
(github.com/remipch)- Solar Concentrator es un concentrador solar automatizado casero compuesto por paneles de espejos orientables, un objetivo fijo y un dispositivo de control electrónico; actualmente usa 48 espejos concentradores con un área total de 1 m²
- El 26 de junio de 2024, al añadir papel aluminio dentro del horno para mejorar el aislamiento, la temperatura del horno subió hasta 210 °C en 30 minutos
- Este dispositivo puede generar hasta unos 1000 W de calor mientras consume 3.8 W, y puede construirse con piezas y materiales estándar, baratos y fáciles de conseguir
- La versión actual no tiene capa de seguridad, requiere alinear manualmente el panel antes del seguimiento automático y solo controla un panel; además no funciona en días nublados
- El siguiente paso es controlar un número arbitrario de paneles para obtener una salida de varios kW, con usos potenciales en calentamiento de grandes volúmenes de líquido, desalinización y esterilización, cocción y esterilización, fusión de materiales y aumento de la potencia en sistemas fotovoltaicos de concentración
Estructura y funcionamiento del proyecto
- Solar Concentrator es un proyecto de concentrador solar automatizado casero
- La configuración actual se divide en tres partes
- Paneles de espejos orientables: actualmente 48 espejos concentradores, 1 m² en total
- Objetivo fijo: actualmente un horno simple de concreto con una placa de metal negra y vidrio templado
- Dispositivo supervisor: equipo de control electrónico que mide el objetivo, calcula los comandos del motor y los envía
- El video de funcionamiento del 8 de julio de 2024 está compuesto por dos partes
- La primera muestra el proceso de ensamblaje a 10x
- La segunda muestra alrededor de 7 horas de seguimiento solar automático a 600x
Rendimiento y enfoque de fabricación
- El 26 de junio de 2024, al añadir papel aluminio dentro del horno para mejorar el aislamiento, la temperatura del horno subió hasta 210 °C en 30 minutos
- Las características principales son las siguientes
- Puede producir hasta unos 1000 W de calor mientras consume 3.8 W
- Usa piezas y materiales estándar, baratos y fáciles de conseguir
- No requiere fabricación de alta precisión y puede hacerse a mano con herramientas comunes
- Es fácil de montar y desmontar
- Es fácil de entender y modificar
- Se publica como código abierto
Advertencias de seguridad y limitaciones actuales
- Este proyecto puede causar ceguera permanente, quemaduras en la piel o incendio de objetos a personas o animales cercanos
- Incluso con la energía apagada, la luz solar se concentra 48 veces en una sola área pequeña
- El punto focal sigue moviéndose por una trayectoria difícil de predecir
- En su estado actual, el dispositivo debe vigilarse de forma continua, y si ocurre alguna anomalía los espejos deben cubrirse rápidamente
- Las limitaciones de la versión actual son las siguientes
- No se ha implementado una capa de seguridad
- Requiere una etapa manual inicial para orientar el panel antes de empezar el seguimiento automático del sol
- Solo puede controlar un panel
- No funciona en días nublados
- El consumo eléctrico podría reducirse mucho si se implementan varios modos de bajo consumo
Componentes utilizados y productos reutilizados
- Algunos productos se usan de forma distinta a su propósito original
- El vidrio templado del horno proviene de una repisa de Ikea
- Para los espejos se usan espejos decorativos para baño
- Los motores son motorreductores económicos
Configuración técnica
- La estructura del proyecto refleja su configuración técnica
- Los subcomponentes principales son los siguientes
- Mechanics: modelos 3D de las piezas usadas en el panel solar
- Electronics: esquemas y diseño de la placa supervisora personalizada
- Simulator: evalúa la potencia teórica que recibe el objetivo con una configuración de hardware dada
- Supervisor controller: firmware para ESP32-CAM basado en el framework Espressif ESP32
- Supervisor component: define la lógica de alto nivel del dispositivo supervisor
- Sun tracker: calcula los comandos del motor para mantener la luz solar en el centro del área objetivo
- Target detector: detecta la posición del objetivo en la imagen
- Web interface: permite que el usuario interactúe con el dispositivo supervisor
- Motors component: controla los motores desde la aplicación ESP32
- Image component: proporciona funciones generales de procesamiento de imágenes
- Motors controller: firmware para Arduino Pro Mini dedicado al control de motores
Próximos objetivos y licencia
- El siguiente paso es controlar un número arbitrario de paneles para obtener una salida de varios kW
- Los posibles usos son los siguientes
- Hervir rápidamente grandes volúmenes de líquido
- Desalinizar o esterilizar grandes volúmenes de agua
- Cocinar o esterilizar grandes cantidades de alimentos
- Derretir plástico, metal y vidrio
- Aumentar la potencia de paneles solares con fotovoltaica de concentración
- La licencia se divide según el componente
- El software usa GNU GPL v3
- Los diseños de hardware electrónico y mecánico se distribuyen bajo CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Gran trabajo. Estoy investigando óptica no formadora de imagen (nonimaging optics), o sea, la óptica que permite obtener altas relaciones de concentración o buena tolerancia al error en concentradores solares.
Me gustó que implementaras control de lazo cerrado. También es un tema clave hoy en día en campos grandes de heliostatos. Los heliostatos tradicionales son en su mayoría de lazo abierto, así que imponen requisitos muy estrictos sobre la estructura mecánica, los actuadores y el modelo cinemático, y como resultado se necesitan dispositivos caros y muy rígidos.
Por eso hay una tendencia hacia heliostatos más baratos que aseguran la precisión de seguimiento mediante control de lazo cerrado. Es más complicado cuando se superponen los focos de miles de espejos, pero se están desarrollando enfoques como usar cámaras cerca del objetivo que miren de vuelta al campo de heliostatos, y Heliogen también trabaja con ese tipo de método.
También mencionaste la dificultad de que la luz solo se concentre durante unas horas al día, y ese mismo problema existe en campos grandes de heliostatos; es un área de investigación activa. El grupo del profesor Roger Angel en la University of Arizona está desarrollando heliostatos que se deforman activamente durante el día para mantener la forma óptima, y la empresa australiana Heliosystems está haciendo heliostatos que se deforman pasivamente por gravedad para conservar, en lo posible, la forma correcta.
Si, como en este proyecto, se usa un solo heliostato, también podrías considerar un reflector Scheffler, colocando el objetivo sobre un eje de seguimiento alineado con el eje polar y de un solo grado de libertad. Entonces solo necesitarías seguimiento de un eje durante el día, y el ajuste estacional podría hacerse parcialmente de forma manual.
También agradezco que hayas enfatizado el peligro inherente de la luz solar concentrada. Hay bastantes historias de cosas que se incendiaron cuando el seguimiento no funcionó bien.
Por decirlo así, la “inteligencia” del software compensa lo “tosco” de la mecánica.
Otra idea inicial fue construir un sistema multipanel con varios paneles orientables y una sola cámara mirando al objetivo. En la práctica no fue nada fácil, así que al final volví a la idea de terminar y publicar una versión de panel único.
Aun así, sigo teniendo la idea de implementar un sistema multipanel usando algunas cámaras más, y me gustaría trabajar en eso pronto. También revisaré con tiempo los materiales de referencia.
Hay una empresa que usa vacío para ajustar la forma del espejo; la voy a buscar y la compartiré aquí.
Como este proyecto no es un producto terminado sino una prueba de concepto en desarrollo, quise enfatizar el peligro inherente.
Si se pegaran paneles a lo largo de una cara de un prisma de 5 m de altura, ¿cómo podría implementarse el ajuste estacional del ángulo de inclinación de los paneles?
Un lastre ajustable o inflable parece lo más simple.
Gran proyecto. Me gustó especialmente la comparación de potencia. Quién habría pensado que se puede obtener 1 kW de energía de 1 m².
Pregunta en una línea parecida: ¿sería posible calentar con concentración solar un reactor de sales fundidas que impulse un motor de turbina? Aunque sea a una escala relativamente pequeña, algo que todavía se pudiera construir en un patio trasero.
La explicación de arriba era una interpretación basada en la memoria; en realidad me refería más bien a esto: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
Investigando un poco más, terminé encontrando esto sobre generación eléctrica a pequeña escala mediante concentración solar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-powered_Stirling_engine
[https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo....](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo.jpg)
Podría ser una alternativa medio viable a los paneles solares. Aunque como los paneles solares y el hardware auxiliar están tan estandarizados, probablemente hoy sea bastante caro en comparación.
También existen grandes motores Stirling que funcionan con aceite caliente. Si el diámetro del pistón es grande, se puede generar bastante torque incluso con una diferencia de temperatura pequeña. El aceite puede calentarse incluso sin concentración, como en un calentador solar de agua convencional, y añadir concentración tampoco vendría mal.
Pero no sé bien si eso sería viable a pequeña escala para generar electricidad. La alta eficiencia termodinámica requiere grandes diferencias de temperatura, y los paneles solares se fabrican en masa y su eficiencia sigue mejorando.
Personalmente, creo que la energía solar térmica de concentración a pequeña escala es más útil para aplicaciones que necesitan calor directo, como cocinar, desalinizar o fundir metal. En esos casos, la generación solar fotovoltaica es menos eficiente y además tiene una vida útil más corta.
Cuando empecé el proyecto, pensé que sería más económico que la energía fotovoltaica, pero para cuando terminó el año académico, el precio de los paneles solares ya se había reducido a la mitad. Fue en la época en que Alemania y China competían con subsidios para la energía fotovoltaica.
A estas alturas, la generación eléctrica por concentración solar probablemente sea muchísimo más cara que los paneles solares.
Un motor no va a funcionar durante años sin reemplazar piezas.
La luz solar concentrada es muchísimo más potente de lo que parece. Casi todos habrán tenido la experiencia de enfocar el sol en un punto pequeño con una lupita de mano y quemar papel o un pedacito de madera
Cuando era niño tenía una lente Fresnel de unas 2 pies de diámetro, salida de algo como un proyector viejo, y podía prenderle fuego al asfalto casi de inmediato. No sería muy práctico, pero parece que hasta se podría soldar acero con luz solar
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
En teoría, si pudieras fabricar lentes y fibra óptica, podrías imprimir en 3D estructuras alimentadas por energía solar en cualquier lugar con suficiente sol. Se puede imaginar imprimir en 3D un pequeño jardín embotellado con un recolector de agua acoplado que use circulación de gel de sílice calentado in situ en Marte. La presión atmosférica seguiría siendo baja, pero sería más cálido y húmedo
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
Vale la pena verlo desde el minuto 1:25 más o menos
Aquí hay muchos experimentos interesantes relacionados con la recolección de energía solar: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
Algunos proyectos siguen la misma idea de una estructura de rejilla de pequeños espejos cuadrados
Solo que allá eligieron poner los espejos en el suelo, lo que es más simple. A cambio, mueven el objetivo hacia la posición focal, lo que es menos simple
Es una buena fuente de inspiración; voy a ver los videos
Si haces una gran masa curvada de más de 1 m de diámetro con arena húmeda, podrías moldear encima un paraboloide de fibra de vidrio y, una vez endurecido, cromar, pintar o terminar de otra forma el interior del paraboloide
Así podrías concentrar la luz solar más allá del límite actual de 48x
Aunque en algunas aplicaciones un foco cuadrado de 20 cm x 20 cm podría ser mejor
Si quieres cocinar algo, distribuir el calor sobre toda la bandeja de horno sería mejor para una cocción uniforme
No sé bien cómo lo fijó en la dirección correcta. En este caso, quizá que la forma de la superficie no fuera perfecta hasta ayudaba
Gracias por compartirlo. Está muy bueno. Si tuviera patio o espacio para construir, me gustaría armar uno pequeño para accionar un motor térmico
Construirlo uno mismo y usar la energía gratis del sol definitivamente es divertido
Me puse especialmente feliz cuando comí mi primer gratinado solar
La verdad, solo estoy buscando una excusa para quedarme más tiempo en la cama cuando haga mal clima
Muy genial. Me pregunto si has visto el colector solar anidólico (anidolic solar collector). Según entiendo, en la práctica es más eficiente que los colectores basados en espejos o lentes, porque no requiere apuntado preciso y puede captar incluso luz solar indirecta
Si lo entendí bien, la característica clave es que no concentra en un foco sino que difunde la luz
Así que no estoy seguro de si aplicaría a mi proyecto
Tendría que investigar más para entender por completo cómo funciona exactamente. Gracias por la pista
¿Entiendo bien que el ángulo entre cada segmento de espejo y la placa trasera se fija una sola vez durante la fabricación y luego ya no cambia dinámicamente?
La ventaja de este enfoque es que, en vez de necesitar dos motores por espejo, solo hacen falta dos motores para todo el panel
La desventaja es que la luz solo se concentra durante unas pocas horas del día
Recuerdo algo parecido alrededor del año 2000 hecho con una antena satelital de Directv
Era muy simple. Volvían reflectante el paraboloide de la antena, perforaban un agujero en el plato y, a través de ese agujero, seguían con un sensor óptico el haz de luz proyectado sobre el techo. Luego, con unos cuantos motores e IC, movían la antena para seguir la posición del sol