Show HN: 自作の自動化太陽光集光器
(github.com/remipch)- Solar Concentratorは、方向調整可能なミラーパネル、固定ターゲット、電子制御装置で構成される自作の自動化太陽光集光器で、現在は48枚の集光ミラーで合計1m²の面積を使用している
- 2024年6月26日、オーブン内部にアルミホイルを追加して断熱を改善したところ、オーブン温度が30分後に210°Cまで上昇した
- この装置は電力を3.8W消費しながら、最大約1000Wの熱を生成でき、安価で入手しやすい標準部品と材料で製作可能
- 現在のバージョンには安全レイヤーがなく、自動追尾の前に手動でパネルの向きを合わせる必要があり、1枚のパネルしか制御できず、曇天時には動作しない
- 次のステップは任意の数のパネルを制御して数kWの出力を得ることで、大量の液体加熱、淡水化・殺菌、調理・殺菌、材料の溶融、集光型太陽光発電の出力向上に活用できる
プロジェクト構成と動作
- Solar Concentratorは自作の自動化太陽光集光器プロジェクト
- 現在の構成は3つの部分に分かれる
- 方向調整可能なミラーパネル: 現在48枚の集光ミラー、合計1m²
- 固定ターゲット: 現在は黒い金属板と強化ガラスを備えたシンプルなコンクリート製オーブン
- スーパーバイザー（supervisor）: ターゲットを測定し、モーター指令を計算して送信する電子制御装置
- 2024年7月8日の動作動画は2部構成
- 前半は組み立て工程を10倍速で示す
- 後半は約7時間にわたる自動太陽追尾を600倍速で示す
性能と製作方針
- 2024年6月26日、オーブン内部にアルミホイルを追加して断熱を改善したところ、オーブン温度が30分後に210°Cまで上昇した
- 主な特徴は以下の通り
- 電力を3.8W消費しながら、最大約1000Wの熱を生成可能
- 標準的で安価、入手しやすい部品と材料を使用
- 高精度な加工は不要で、一般的な工具で手作り可能
- 組み立てと分解が容易
- 理解と改造が容易
- オープンソースとして公開
安全上の警告と現在の制限
- このプロジェクトは周囲の人や動物に永久失明、皮膚のやけど、物体の発火を引き起こす可能性がある
- 電源が切れていても、太陽光は小さな1つの領域に48倍に集中する
- 焦点は予測しにくい経路に沿って移動し続ける
- 現状では装置を継続的に監視する必要があり、異常が発生したらミラーを素早く覆う必要がある
- 現在のバージョンの制限は以下の通り
- 安全レイヤーが実装されていない
- 自動で太陽を追尾する前に、パネルの向きを合わせる初期の手動ステップが必要
- 1枚のパネルのみ制御可能
- 曇天時には動作しない
- さまざまな低消費電力モードを実装すれば、消費電力を大幅に削減できる
使用部品と再利用製品
- 一部の製品は本来の用途とは異なる形で活用されている
- オーブンの強化ガラスはIkeaの棚板から取ったもの
- ミラーは装飾用バスルームミラーを使用
- モーターは安価な模型用エンジンを使用
技術構成
- プロジェクト構造は技術構成を反映している
- 主な下位構成は以下の通り
- Mechanics: 太陽光パネルに使われた部品の3Dモデル
- Electronics: カスタムのスーパーバイザーボードの回路図とレイアウト
- Simulator: 与えられたハードウェア構成でターゲットが受ける理論上の電力を評価
- Supervisor controller: Espressif ESP32 frameworkベースのESP32-CAMファームウェア
- Supervisor component: スーパーバイザーの上位ロジックを定義
- Sun tracker: 太陽光をターゲット領域の中央に維持するためのモーター指令を計算
- Target detector: 画像からターゲット位置を検出
- Web interface: ユーザーがスーパーバイザーとやり取りできるようにする
- Motors component: ESP32アプリケーションでモーターを制御
- Image component: 一般的な画像処理機能を提供
- Motors controller: モーター制御用のArduino Pro Miniファームウェア
次の目標とライセンス
- 次のステップは任意の数のパネルを制御して数kWの出力を得ること
- 想定される活用例は以下の通り
- 大量の液体を素早く沸騰させる
- 大量の水を淡水化または殺菌する
- 大量の食品を調理または殺菌する
- プラスチック、金属、ガラスを溶かす
- 集光型太陽光発電で太陽光パネルの出力を高める
- ライセンスは構成によって分かれる
- ソフトウェアはGNU GPL v3
- 電子・機械ハードウェア設計はCERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocalで配布される
1件のコメント
Hacker News のコメント
素晴らしい仕事です。非結像光学（nonimaging optics）、つまり太陽集光器で高い集光比や誤差許容幅を得るための光学を研究しています。
閉ループ制御を実装している点が良いです。大規模なヘリオスタットフィールドでも、最近の重要なテーマです。従来のヘリオスタットはほとんどが開ループ制御なので、機械構造、アクチュエータ、運動学モデルに非常に厳しい要求が課され、その結果、高価で高剛性の装置が必要になります。
そのため、追尾精度を閉ループ制御で確保する、より安価なヘリオスタットへ移行する流れがあります。数千枚の鏡の焦点が重なる状況ではさらに難しくなりますが、ターゲット周辺のカメラがヘリオスタットフィールドを見返す方式のようなアプローチが開発中で、Heliogen もこの方式を扱っています。
1日のうち数時間しか光が集中しないという難しさにも触れていますが、大型ヘリオスタットフィールドでも同じ問題で、活発な研究分野です。University of Arizona の Roger Angel 教授のグループは、1日の間に能動的に変形して最適形状を維持するヘリオスタットを開発しており、オーストラリアの Heliosystems は、重力によって受動的に変形し、可能な限り正しい形状を維持するヘリオスタットを作っています。
このプロジェクトのように単一のヘリオスタットだけを使うなら、ターゲットを通る単一軸の極軸合わせ追尾軸上に置く Scheffler 反射板も検討できます。そうすれば、1日の間は単一軸追尾だけで済み、季節ごとの調整は一部手動で可能です。
集中した太陽光の本質的な危険性を強調している点も好ましいです。追尾がうまくいかず、物に火がついたという話はかなりあります。
いわば、ソフトウェアの「賢さ」が機械的な「荒さ」を補う構造です。
もう一つの初期アイデアは、複数の向き調整可能なパネルと、ターゲットを見るカメラ1台でマルチパネルを構成することでした。実際には簡単ではなく、結局は単一パネルとして完成させて公開する方向に戻りました。
それでも、カメラを数台追加してマルチパネルを実現するアイデアはあり、近いうちに取り組んでみたいと思っています。参考資料も時間をかけて見てみます。
鏡の形状調整に真空を使っている会社もあります。見つけてここに投稿してみます。
このプロジェクトは完成品ではなく、進行中の概念実証なので、本質的な危険性を強調したかったのです。
高さ5mのプリズムの片面に沿ってパネルを取り付ける場合、パネル傾斜角の季節調整をどう実装できるでしょうか。
調整式または膨張式のバラストが最も単純に見えます。
素晴らしいプロジェクトです。特に電力比較が良かったです。1m²から1kWのエネルギーが得られるなんて、誰が考えたでしょうか。
似た方向の質問ですが、タービンエンジンを駆動する溶融塩反応器を太陽集光器で加熱する方式は可能でしょうか？ それでも裏庭で作れる程度の比較的小さな規模で。
上の説明は記憶に基づく理解で、実際に言いたかったのはこちらです: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
少し掘り下げてみたところ、太陽集光を使った小規模発電について、結局こういうものを見つけました。
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)
太陽光パネルの半ば実用的な代替になり得るかもしれません。ただ、太陽光パネルと補助ハードウェアは非常に汎用化されているので、コスト面では今はかなり高くつきそうです。
高温のオイルで動く大型の Stirling エンジンもあります。ピストン径が大きければ、小さな温度差だけでもかなり大きなトルクを生み出せます。オイルは既存の太陽熱温水器のように集光なしでも加熱できますし、集光を加えても悪いことはありません。
ただし、小規模発電方式として実用的かどうかはよく分かりません。高い熱力学効率には大きな温度差が必要で、太陽光パネルは大量生産され、効率も上がり続けているからです。
個人的には、小規模な集光太陽熱は、調理、淡水化、鋳造のように直接熱が必要な用途で最も有用だと思います。こうした場合には、太陽光発電は効率が低く、寿命もより短いです。
プロジェクトを始めた時点では太陽光発電より経済性が高いと思っていましたが、学年が終わるころにはすでに太陽光パネルの価格が半分に下がっていました。ドイツと中国が太陽光補助金競争をしていた時期でした。
今となっては、太陽集光発電は太陽光パネルに比べて非常に高価になりそうです。
エンジンは部品交換なしで何年も回り続けるものではありません。
集光された太陽光は見た目よりずっと強力です。小さな持ち手付きの虫眼鏡で太陽光を小さな点に集め、紙や小さな木片を燃やした経験はたいていの人にあるはずです。
子どものころ、古いプロジェクターのようなものから出てきた直径2フィートほどのフレネルレンズがありましたが、アスファルトにほぼ即座に火をつけることができました。実用的ではないでしょうが、太陽光で鋼鉄の溶接もできそうです。
https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
理論上、レンズと光ファイバーを作れるなら、日光が十分にある場所ならどこでも、太陽エネルギーで動作する構造物を3Dプリントできます。火星現地で、加熱されたシリカゲルの循環を利用した水回収器付きの小さなボトルガーデンを3Dプリントするところを想像できます。大気圧は依然として低いでしょうが、より暖かく湿った環境になるはずです。
https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
1分25秒あたりからが見どころです。
ここには太陽熱収集に関する興味深い実験がたくさんあります: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos
いくつかのプロジェクトは、小さな正方形ミラーの格子構造という同じアイデアに沿っています。
ただ、そちらはミラーを地面に置く方式を選んでいて、その点はより単純です。代わりにターゲットを焦点位置へ動かす必要があり、そこはあまり単純ではありません。
良いインスピレーション源なので、動画を見てみます。
濡れた砂で直径1m以上の大きな曲面の塊を作れば、その上でガラス繊維の放物面を成形し、固まったあとに放物面の内側をクロムメッキしたり、塗装したり、別の方法で仕上げたりできます。
そうすれば、現在の48倍という制限よりも太陽光をさらに集中できます。
ただ、用途によっては20cm x 20cmの正方形の焦点のほうがよい場合もあります。
何かを調理するなら、熱をベーキングシート全体に広げたほうが均一に火を通すのに向いています。
どうやって正しい方向に固定していたのかはよく分かりません。この場合は、表面形状が完璧でないことがむしろ良かったのかもしれません。
共有ありがとうございます。本当に素晴らしいです。庭か作業スペースがあれば、小さな熱機関を動かすように1つ組み立ててみたいです。
自分で作って、太陽から来る無料のエネルギーを使うのは確かに楽しいです。
初めての太陽熱グラタンを食べたときは特にうれしかったです。
実は、天気の悪い日にベッドでもう少し寝ている言い訳を探しているところです。
とても素晴らしいです。**非結像集光器（anidolic solar collector）**を調べたことがあるか気になります。私の理解では、ミラーやレンズベースの集光器より実際には効率的です。精密な照準が不要で、間接光も集められるからです。
正しく理解しているなら、重要な特徴は焦点に集めるのではなく、光を拡散する点です。
そのため、自分のプロジェクトに適用できるかはよく分かりません。
正確にどう動作するのかを完全に理解するには、もう少し掘り下げる必要があります。ヒントありがとうございます。
各ミラー片と背板の間の角度は、製作中に一度固定され、その後は動的には変わらない、という理解で合っていますか？
この方式の利点は、ミラーごとにモーターが2つ必要になる代わりに、パネル全体でモーター2つだけで済むことです。
欠点は、1日のうち数時間しか光が集中しないことです。
2000年ごろ、DirecTVの衛星放送用ディッシュで作った似たものを覚えています。
とても単純でした。衛星ディッシュの放物面を鏡のようにし、ディッシュに穴を開けて、その穴を通って屋根に映る光の筋を光センサーで追跡するものでした。いくつかのモーターとICで太陽の位置に合わせてディッシュを動かす方式でした。