215 Accordion photovoltaic portable power/215 Sistema fotovoltaico portátil tipo acordeão

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A equipe ATLAS, um grupo de estudantes de Engenharia de Recursos Ambientais da Cal Poly Humboldt , do semestre da primavera de 2022, projetou e construiu um sistema fotovoltaico que recarrega um carregador portátil que, por sua vez, carrega laptops e smartphones. Este projeto teve como objetivo fornecer informações para a construção de um produto de custo e qualidade intermediários, que não apenas concorra com o mercado atual de carregadores portáteis, mas que também permita a substituição de componentes, a utilização de energia renovável e a personalização de acordo com as necessidades do usuário.

Somos a equipe ATLAS, um grupo de estudantes de Engenharia de Recursos Ambientais da Cal Poly Humboldt, que participaram do curso de Introdução ao Design, ministrado por Lonny Grafman, no semestre da primavera de 2022. O projeto desenvolvido teve como objetivo inspirar os usuários da Appropedia a recriar e utilizar informações gratuitas, bem como a energia renovável e gratuita fornecida pelo sol. Criamos um sistema fotovoltaico que carrega um power bank do tipo "faça você mesmo" (DIY) para alimentar laptops e smartphones com qualidade e custo intermediários, oferecendo uma alternativa aos power banks disponíveis no mercado atualmente.

O objetivo do projeto era criar uma alternativa para quem compra um carregador portátil. As opções atuais de sistemas fotovoltaicos no mercado se resumem a carregadores portáteis de baixo custo e baixa qualidade, que utilizam pequenos painéis solares ou outras fontes de energia. Além disso, existem carregadores portáteis de alta qualidade e alto custo, capazes de carregar muito mais do que laptops e smartphones. A equipe desenvolveu uma solução para pessoas que enfrentam dificuldades com a disponibilidade de energia elétrica e não têm acesso a painéis solares de baixo custo. A solução consiste em um carregador portátil solar de custo e qualidade intermediários, que pode ser reproduzido por qualquer pessoa com acesso a painéis solares e componentes para a construção de um carregador portátil simples.

Ao analisar essa questão, a equipe ATLAS realizou entrevistas e desenvolveu uma compreensão do que os indivíduos desejam em um carregador solar portátil. Os principais fatores para o uso de carregadores portáteis pessoais foram a possibilidade de viajar para áreas remotas onde a eletricidade não está disponível, a eficiência no carregamento do carregador e a facilidade de transporte. Os indivíduos estariam dispostos a pagar um valor maior em relação ao produto mais barato do mercado por uma qualidade superior, mas não um valor significativamente maior. Abaixo, segue uma lista dos critérios que a equipe ATLAS elaborou, levando em consideração as opiniões de outras pessoas.

Critérios:

A primeira etapa de prototipagem da equipe ATLAS foi compreender as propriedades dos painéis solares, visto que nenhum dos membros possuía conhecimento prévio em eletrônica ou sistemas fotovoltaicos. Portanto, esse processo de aprendizado ajudou a equipe a visualizar circuitos paralelos e as propriedades de circuitos em série e em paralelo, considerando tensão e amperagem. Simplificando ainda mais: em um circuito paralelo, a tensão permanece constante e a amperagem aumenta; em um circuito em série, a tensão aumenta e a amperagem permanece constante. A amperagem de saída é desejada em um sistema fotovoltaico, pois determina a eficiência com que o sistema carregará a bateria externa.

• Galeria de exemplos
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  Figura 1: Um sistema de três painéis conectados em paralelo (Lindner, 2022).

A segunda etapa de prototipagem consistiu em criar um objeto físico que representasse a aparência desejada pelo projeto, para que a equipe ATLAS pudesse se preparar para futuros desafios de construção e também para que todos compreendessem o que era necessário para obter um produto final com aparência semelhante.

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  Figura 2: Um protótipo em papelão do design original do acordeão com as respectivas etiquetas.

Por fim, o último protótipo criado foi uma atualização da caixa sanfonada original de 5 painéis. O desenho CAD mostra um conjunto de painéis solares de 3 painéis que se dobra como uma sanfona, mas com um peso muito menor do que o modelo de 5 painéis.

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  Um projeto CAD elaborado por Lowell Lindner.

Por fim, o carregador portátil fotovoltaico, o Accordion Box. O produto final inclui um carregador portátil "faça você mesmo" e um painel solar dobrável, ambos com etiquetas separadas. O painel solar se conecta ao carregador portátil para recarregar, e o carregador pode ser desconectado após a carga para ser levado para qualquer lugar. O carregador portátil possui uma tomada CA e duas portas USB-A capazes de carregar laptops de 12V e smartphones de 5V.

A Figura 3 mostra, abaixo, os componentes que constituem o carregador portátil, primeiro visualizados no mapa de componentes e, em seguida, os componentes reais na Figura 4.

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  Figura 3: Mapa de todos os componentes utilizados no sistema de bateria externa.
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  Figura 4: Componentes reais do carregador portátil que carrega laptops e smartphones.

O conjunto de painéis solares, mostrado na Figura 5 abaixo, está conectado em paralelo. O circuito paralelo, como mencionado anteriormente, significa que a tensão permanecerá a mesma, mas a amperagem será somada. Além disso, isso significa que, se um painel estiver sombreado enquanto os outros estiverem expostos à luz solar, a corrente no circuito não será distribuída, ao contrário do que ocorre em circuitos em série.

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  Figura 5: Painéis de epóxi policristalino colados com cola e lona impermeável

Após a ligação dos painéis em paralelo, estes são envolvidos em lona impermeável para proteger a caixa de circuitos fixada na parte traseira de cada painel da umidade proveniente do ambiente externo.

A caixa sanfonada é facilmente reproduzível e requer conhecimento mínimo de componentes elétricos. As únicas habilidades necessárias para a reprodução são o uso de ferramentas como chaves de fenda, alicates de corte e solda. É recomendável que o usuário siga as instruções à risca para recriar a caixa sanfonada. Essas instruções podem ser encontradas no vídeo instrutivo da equipe. Outra fonte útil de informações para a recriação da caixa sanfonada é o vídeo do YouTube "Ultimate DIY 60,000 mAh Power Bank (222Wh)" (Kralyn, 2018).

Para usar o carregador solar portátil após a montagem, conecte inicialmente o adaptador macho dos painéis solares ao adaptador fêmea localizado na lateral da caixa de energia. As baterias do carregador solar serão carregadas durante esse processo. Posicione os painéis solares sob luz solar direta. Quando a carga estiver completa, indicada por um multímetro, o adaptador macho que conecta os painéis solares poderá ser desconectado. O carregador solar portátil agora é portátil e pode carregar laptops e smartphones ligando o interruptor. O interruptor indicará que está ligado por meio de uma luz vermelha.

• Galeria de exemplos
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  Caixa Sanfonada da Equipe ATLAS: Montada e Operacional
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  Caixa Sanfonada da Equipe ATLAS: Montada e Operacional

Uma boa maneira de demonstrar um processo é criando um vídeo que o explique. Consulte o modelo:Vídeo para obter informações sobre como adicionar e anotar vídeos.

É evidente que o custo total para replicar a Caixa Acordeão é de aproximadamente US$ 326. Este valor é significativamente menor do que o custo de pesquisa e desenvolvimento implementado anteriormente. Esse custo total atende aos critérios desejados e, além disso, incentiva as pessoas a replicarem um projeto semelhante que carregue laptops e smartphones usando energia solar para recarregar seus dispositivos a um custo razoável.

Para usar o carregador solar portátil após a montagem, siga estes passos: 1. Conecte o adaptador macho dos painéis solares ao adaptador fêmea localizado na lateral da caixa. As baterias do carregador solar serão carregadas durante esse período. 2. Posicione os painéis solares sob luz solar direta. Quando a carga estiver completa, indicada por um multímetro, o adaptador macho que conecta os painéis solares poderá ser desconectado. O carregador solar portátil agora é portátil e pode carregar laptops e smartphones ligando o interruptor. O interruptor indicará que está ligado por meio de uma luz vermelha.

O painel solar acoplado à Caixa Acordeão é flexível e dobrável, o que permite que o produto tenha uma área de superfície maior quando totalmente aberto; além disso, possibilita um carregamento mais rápido, mantendo-se consideravelmente portátil quando fechado. O usuário pode ajustar facilmente os painéis integrados para otimizar o ângulo de incidência da luz solar, aumentando assim os ângulos e a flexibilidade de captação da energia solar.

Considerando o custo de manutenção, os componentes dentro da caixa são facilmente substituíveis. A caixa que contém os componentes abre e fecha, permitindo o acesso do usuário para manutenção. Isso reduz completamente o custo de aquisição de um novo carregador portátil, prolongando sua vida útil e permitindo a personalização pelo usuário, se desejado.

A cada 10 semanas

Limpe a superfície dos painéis solares com uma toalha e um produto de limpeza.

Os painéis solares geralmente acumulam poeira e perdem eficiência quando as células solares são cobertas por essas partículas. Portanto, recomenda-se que, mensalmente, o usuário limpe a superfície dos painéis solares para manter sua máxima eficiência.

A cada 10 meses

Verifique se as baterias estão inchadas ou apresentando corrosão nos terminais.

Baterias LiPO danificadas podem apresentar inchaço ou corrosão nos terminais. Verifique a cada 10 meses se é necessário substituir a bateria.

A cada 10 anos

Verifique se as células do painel solar estão rachadas ou quebradas.

Células solares rachadas indicam que os painéis solares precisam ser substituídos. Corte o tecido da sanfona para acessar os fios do painel danificado (tome cuidado para não cortar os fios). Substitua o painel solar policristalino e os fios em paralelo com os demais; a substituição da tela é opcional.

Verifique se os componentes estão fornecendo a tensão e a amperagem corretas.

Componentes como conversores DC-DC Step Down, conversores DC-DC Boost e placas de balanceamento de baterias podem ter uma longa vida útil. Recomenda-se testar a tensão de saída para determinar a qualidade dos componentes. O uso de um multímetro pode ajudar a verificar o desempenho.

O Power Bank Fotovoltaico, também conhecido como Caixa Acordeão, demonstrou sucesso ao carregar laptops e smartphones após ser recarregado pela energia solar. O custo total de pesquisa e desenvolvimento foi de US$ 325,73, e o custo para reproduzi-lo é significativamente menor, em torno de US$ 113. O Power Bank é portátil e de fácil acesso para manutenção dos componentes. Os painéis solares são leves e dobráveis, o que facilita ainda mais o transporte.

Devido às restrições de tempo para a construção e o reforço deste produto, não foram obtidos resultados de testes suficientes para comprovar o atendimento aos critérios estabelecidos. Portanto, as próximas etapas do projeto incluirão a realização de mais testes para obtenção de resultados.

A falta de resultados de testes determina a falta de discussão.

Este projeto enfrentou muitos contratempos, incluindo atrasos nos pedidos de componentes, a compra de painéis monocristalinos pesados, a não utilização de conhecimentos mais simples e a falta de tempo para construir/testar o produto.

As lições mais difíceis deste projeto foram entender os fundamentos da física para compreender circuitos e quais componentes são necessários para construir um power bank caseiro; no entanto, o power bank poderia ter sido feito de forma muito mais simples. Usar componentes como um conversor DC-DC elevador e um redutor de tensão é considerado um projeto mais complexo, capaz de ajustar a voltagem para laptops que exigem mais energia, como laptops gamers, com uma construção mais elaborada.

Os painéis solares policristalinos são quase tão eficientes quanto os monocristalinos de alumínio. Para melhor portabilidade, opte por painéis policristalinos de epóxi.

Os próximos passos que a ATLAS prevê para a Accordion Box são: criar um design mais simples, maximizar a portabilidade com uma capa para bateria externa feita de materiais mais leves, como impressão 3D, e testar o produto em geral.

No futuro, o carregador portátil poderá ser fabricado de forma muito mais simples com materiais mais baratos, como os abaixo. O próprio carregador portátil pode ser feito com:

• um inversor de carro
• bateria de 12V
• fusível do carro
• Interruptor liga/desliga.
• fio de calibre 12
• cortadores de fio e voltímetro

O conhecimento necessário para construir esse sistema mais simples requer mais pesquisa.

Para continuar a montagem do regulador de tensão para carregar laptops de 12V-19,5V, primeiro remova o parafuso do regulador de tensão do conversor DC-DC Boost, conecte os fios do terminal negativo e os fios ao terminal positivo. O objeto semelhante a um parafuso no regulador pode ser ajustado pelo usuário com um botão giratório colado no parafuso, da mesma forma que se ajusta a tensão com um parafuso Phillips.

Não é necessário colar a lona para unir os painéis solares. Os cantos dos painéis podem ser cuidadosamente perfurados e fixados com abraçadeiras de nylon. A parte traseira dos painéis, onde fica a caixa de fios, deve ser levada em consideração em relação às condições ambientais externas. Mantenha os painéis longe da água.

Lições aprendidas ao montar a estrutura de lona sobre os painéis: certifique-se de que a fiação dos painéis esteja correta com um multímetro e tome cuidado para que a supercola não entre em contato com as células solares. Caso isso aconteça, remova-a rapidamente com uma toalha ou procure recursos para remover resíduos de cola.

Para solucionar problemas básicos, consulte a tabela de problemas e sugestões abaixo. Para problemas mais complexos, pesquise recursos na internet ou vídeos para obter uma solução mais completa.

A equipe ATLAS, um grupo de estudantes de Engenharia da Cal Poly Humboldt para o semestre da primavera de 2022, é composta por 3 pessoas:

• Tatiana Gamboa
• Lowell Lindner
• Anthony Eggink