Radiant Enterprisesが設計したソーラーDIYエアフィルターは、停電時に使用できる、アクセスしやすく複製可能なエアフィルターの設計を作成することを目的としたプロジェクトであり、2022年春学期にCal Poly Humboldtで設計されました。このプロジェクトの動機は、緊急事態に役立ち、より大規模に影響を与えるデザインを作成することでした。完全な技術設計ドキュメントは、こちらでご覧いただけます。
コンテンツ
背景
Appropedia は、何千人ものユーザーが持続可能な設計ソリューションを投稿し、他の人がそれを再現できるウェブサイトです。Appropedia の主な方針の 1 つは、「健全な原則と適切な技術、独自の研究、プロジェクト情報を活用して、持続可能性、貧困削減、国際開発における共同ソリューションを開発し、共有すること」です。[1]これまで Appropedia には、停電につながる緊急事態でも機能する空気ろ過システムの設計は存在しませんでした。財団のエグゼクティブ ディレクターである Emilio Velis はこの問題に注目し、私たちのチームである Radiant Enterprises にこの問題に取り組むよう依頼しました。Emilio はエンジニアであり、適切な技術を実装することでコミュニティの問題解決を支援するという情熱が、Appropedia での彼の仕事の原動力の 1 つです。Radiant Enterprises は、Cal Poly Humboldt の環境工学科の学生 3 人で構成されています。私たちのメンバーであるHudson Mierau、Joe Rosenquist、Kyle Wolfe は、ENGR215 デザイン入門コースの設計課題に取り組むために、2022 年春にこのチームを結成しました。私たちのプロジェクトは、Bikash Pradhan、Nicole Salas、Amin YounesがCal Poly Humboldtのエンジニアリング535、開発技術のために開発したDIYエアフィルタープロジェクトによって築かれた基盤の上に構築されています。 [2]無停電電源に接続した場合のエアフィルター設計のパフォーマンスに関するより詳細な情報が必要な方には、Appropediaページと設計ドキュメントを読むことをお勧めします。
問題の説明と基準
Radiant Enterprises のデザイン プロジェクトの目的は、複製可能な太陽光発電式空気ろ過ユニットを作成することです。主な目的は、このデザインを構築するための手順を Appropedia ページから簡単にアクセスできるようにすることでした。使用される材料は、世界中で合理的に入手可能であるか、または他の同様の材料で代用できます。製品自体には、長寿命効率を目指した太陽光充電式バッテリーと充電インジケーターが含まれている必要があります。ソーラー DIY エア フィルターは、自然災害から生じる空気の質の問題に対処することを優先する必要がありますが、COVID-19 の原因となる病原体を減らすために屋内の空気をろ過するために再利用される可能性があります。
基準は、クライアントの承認を得てチームによって作成されました。以下に、定義と 1 ～ 10 の重要度を記載した基準を示します。1 は最も重要度が低く、10 はほぼ必須です。
設計基準
| 基準 | 重さ | 説明 |
|---|---|---|
| 料金 | 9 | 設計の初期構築に費やされた金額。 |
| 電力効率 | 8 | 装置が 1kWh あたりに空気から除去できる粒子状物質の量。 |
| 組み立ての容易さ | 7 | 特定のスキル レベルの人が機能的なデザインを組み立てるのにかかる時間。材料の入手可能性 (地元の店舗での入手可能性、配送時間、オンライン マーケットプレイスでの入手可能性など) も考慮されます。 |
| 濾過効率 | 7 | 粒子状物質が空気から除去される速度（この場合はPM 2.5）。測定基準はクリーンエア供給率（CADR）です。 |
| 自主性の時間 | 6 | 太陽光照射に依存せずに設計が何時間稼働できるか（つまり、バッテリーを 1 回充電するだけで設計が何時間稼働できるか） |
| 騒音レベル | 3 | 設計がアクティブなときに発生する騒音レベル（デシベル（dB）単位） |
プロトタイピング
ファン機能プロトタイプ
最初のプロトタイプ作成では、設計のファンとフィルターのユニットを組み立てて、組み立てがどれだけ簡単かを確認することにしました。このプロトタイプのもう 1 つの目的は、ファン自体の消費電力をテストすることでした。この設計は最終製品に適していることがわかったので、ファン シュラウドというもう 1 つの変更を加えて、プロジェクトの残りの部分でも引き続き使用しました。ファン シュラウドは、ファンの角での逆流を減らすことで、消費電力を増やすことなく、正味の方向性空気流を増加させます。[3]使用するファンのモデルによっては、ファン シュラウドによって空気流効率が 38～47% 増加します。[4] Lasko ファンには、最適なサイズであると判断された 15 インチ径のカットアウト シュラウドを使用しました。ファン シュラウドのサイズを決定するためのガイドについては、こちらを参照してください。
DIYエアフィルターの試作品
左から右へ: DIY エアフィルターの低速、中速、高速での消費電力 (ワット単位)。
![上から下へ：DIYエアフィルター[1]、インバーター[2]、充電コントローラー[3]、ソーラーパネル[4]、バッテリー[5]を備えた電気部品レイアウトの大まかなプロトタイプ](/w/images/thumb/5/54/Component_Layout_Prototype.png/120px-Component_Layout_Prototype.png)
上から下へ：DIYエアフィルター[1]、インバーター[2]、充電コントローラー[3]、ソーラーパネル[4]、バッテリー[5]を備えた電気部品レイアウトの大まかなプロトタイプ
![上から下へ：DIYエアフィルター[1]、インバーター[2]、充電コントローラー[3]、ソーラーパネル[4]、バッテリー[5]を備えた電気部品レイアウトの大まかなプロトタイプ](/File:Component_Layout_Prototype.png)
電気部品レイアウトプロトタイプ
次に、電気部品の組み立てのプロトタイプを作成したいと考えました。これは、各電気部品を表すために、小箱、布、テープなどの廃材やその他のさまざまな材料を使用して行われました。適切な手順があれば、この配線は誰でも比較的簡単に再現できることがわかりました。
最終製品の説明
最終的なデザインは、シンプルに「ソーラー DIY エア フィルター」と名付けられました。これは 2 つの装置で構成されます。1 つはファンとフィルターがエア フィルターに組み合わされたもので、もう 1 つは電気部品を収納したものです。ソーラー パネル、バッテリー、充電コントローラー、インバーターなどの電気部品は屋外に保管され、延長コードが建物内のエア フィルター装置に電力を供給します。電気器具のタイマーが取り付けられており、ファンが一定の間隔でオン/オフされるため、部屋のフィルターが常にきれいになり、エネルギーも節約されます。
太陽電池モジュール設計部分の電気部品のCAD
室内空気ろ過設計部分の3D CAD
太陽光発電モジュール設計部分の3D CAD
結果
設計の成功度を測るために、2 つのテストを実施しました。最初のテストでは、バッテリーから供給される電力のみで稼働するシステムの自律動作時間を測定しました。バッテリーが 13.0 V で完全に充電された状態で開始し、ファンは最低速度で稼働し、機器タイマーのデューティ サイクルは 1/4 (1 分オン、3 分オフ) に設定されました。これらの条件下では、システムは 11.5 V の低電圧切断で切断されるまで 27.6 時間動作しました。
2 番目のテストでは、ソーラー パネルを使用して無負荷で充電時間を測定しました。8 時間、散発的に日が差したり雲がかかったりした時間で、バッテリーの電圧は 0.8 V 上昇し、さらに 24 時間、システムに自律的に電力を供給するのに十分なエネルギーが供給されました。この充電時間中に負荷が接続されていた場合、システムは連続して動作し、太陽がなくてもさらに 16 時間持続するのに十分なバッテリーの充電が残っていた可能性があります。これらの結果から、この設計は理論的には中断することなく連続して動作できるはずです。ただし、充電期間中の太陽光の量は、システムの状態に影響を与える可能性のある最大の変数であるため、天候により日中に太陽光がほとんど当たらない時間帯があると、エア フィルターの動作が停止する可能性があります。
フィルターの濾過効率は直接測定されていませんが、カリフォルニア州立工科大学フンボルト校シャッツエネルギー研究センターのピーター・アルストーン博士、エリザベス・オデル、マルコム・モンチャー、タニヤ・ガルシアが作成したExcelモデルを使用して、フィルターを稼働させた状態での室内空気質をシミュレートしました。 [5]使用したパラメータは次のとおりです。 部屋の大きさは220平方フィート、天井の高さは8フィート（1760立方フィート）で、主寝室の大きさです。 屋外の空気中のPM2.5濃度は1立方メートルあたり250マイクログラムで、米国環境保護庁によって非常に不健康であると評価されています。[6]空気浸入交換率は、比較的密閉された部屋を表す、1時間あたり0.8回の空気交換に設定されました。 使用したエアフィルターの流量は300 CFMで、これは1/4デューティサイクルでファンを低速（1200 CFM）にした場合の平均流量を表しています。 MERV 13 フィルターは理論上、煙粒子状物質サイズの粒子の 90% 以上を濾過するはずですが、DIY フィルターは空気の速度が低いため、効率は 48% から 67% に低下します。[7]これらのパラメータにより、平均室内空気 PM2.5 濃度は 1 立方メートルあたり 32 マイクログラムとなり、下のグラフに視覚的に示されています。この濃度は中程度の AQI に相当し、米国 EPA による次の推奨事項に関連付けられています。「異常に敏感な人は、長時間または激しい運動を減らすことを検討してください。」[6]
工事
材料
設計に使用されるコンポーネント
| 成分 | 部品数 |
|---|---|
| 55 Ah ディープサイクル AGM 12 V 鉛蓄電池 | 1 |
| リング端子 | 2 |
| 14 AWG ワイヤ (20 フィート) | 1 |
| 14 AWG バット端子 | 1 |
| 20 A ATCヒューズ | 1 |
| ATCヒューズホルダー | 1 |
| トリクル充電器 | 1 |
| 100Wソーラーパネル | 1 |
| ソーラーパネル MC4 コネクタセット | 1 |
| 20A ソーラー充電コントローラー | 1 |
| 150Wインバータ | 1 |
| 延長コード | 1 |
| デジタル家電タイマー | 1 |
| ボックスファン | 1 |
| 20x20x1インチ MERV-13 エアフィルター | 2 |
| ゴリラテープロール | 1 |
| ファンとフィルターの箱から出た段ボール | 3 |
この設計の組み立てには、ワイヤーストリッパー/カッター/圧着工具、選択した本体の材料を切断するために必要な工具 (私たちの場合、段ボール用のはさみまたはカッター)、ヤード尺またはその他の測定ツール/直線定規、鉛筆またはペンなど、いくつかの工具も必要です。マルチメーターは、電気部品のセットアップ中に接続のトラブルシューティングを行うのに役立ちます。
組み立て手順
この設計の DIY エア フィルター部分の作り方については、ビデオ ガイドと書面による説明の両方で以下に説明します。詳細な手順については、DIY エア フィルター プロジェクトを参照してください。
ファンを下向き（空気を吹き出す部分が下向き）にして平らな面に置きます。1 つのフィルターの下端をファンの下端に合わせ、フィルターの側面をファンの右側に合わせます。フィルターを固定するために 2 枚の仮テープを貼りますが、必要に応じて剥がせます。このフィルターを持ち上げて、2 つ目のフィルターでも同じ手順を繰り返し、底部をファンの底部に、側面をファンの左側に合わせます。
両方のフィルターを上に回転させて、テープを貼っていない側をファンの中央近くに合わせます。この接合部を別の2枚の仮テープでテープで留めます。
ファンとフィルターのコンボを大きなボール紙の上に慎重に置き、フィルターの底部をなぞります。ボール紙はファンの下には広げる必要がないため、フィルターの輪郭をなぞるだけで十分です。フィルターの最前端までなぞって、そこで止めます。ファンとフィルターを慎重に動かし、直線定規を使用してなぞった端点をつなぎます。この部分はユニットの底部を密閉するのに使用します。この部分を切り取り、上部に使用する同じコピーをなぞって切り取ります。どちらの場合も、後でいつでも小さくできるので、必要と思われる部分よりも大きめに切り取ってください。
ファンを慎重に逆さまにして、底部の段ボールを取り付けられるようにします。段ボールの三角形の 3 つの辺すべてを、フィルターとファンの端にできるだけ合わせます。フィルターやファンの端からはみ出している部分がある場合は、はみ出した部分を慎重に切り取ります。次に、写真のように、この部分をフィルターに取り付けます。最初にテープを小さく切ってすべてを固定し、次に長めのテープを 1 本または 2 本貼ります。テープで密閉する場合は常に、フィルターの効率を最大化するために、密閉部分をできるだけ気密にすることをお勧めします。また、図の上部付近では、ファンの背面に取り付けられているファン コードが、ファンと段ボールのベースの間に通されていることにも注意してください。これは後で適切に密閉されます。
ファンを裏返すと、同じように段ボールの上部をファンの上部に取り付けることができます。この部分は、フィルターの端とファンの背面に揃う必要があります。フィルターはファンよりも短いため、段ボールはファンの高さより低くなりますが、問題ありません。これは後で密閉します。今のところ、段ボールの上部を 2 つのフィルターで密閉し、2 つのフィルターの接合部を適切に密閉します。
ファンの丸い形がフィルターの四角い端に当たるため、ユニットの各コーナーのシールに隙間ができます。この隙間をシールするには、ユニットを裏返しにして段ボールの切れ端の上に置き、曲線に沿ってなぞります。トレースと段ボールの端の間に十分な厚みがあり、コーナーが完全にシールされることを確認します (数インチあれば十分です。必要と思われる厚みよりも常に多めに残し、後で合わせられるように切り詰めてください)。画像にこのトレースを示します。この部分を切り取り、他の 3 つのコーナー用に同様の部分を 3 つトレースします。
埋める隙間にぴったり合うように切り詰めたら、ファンの角にぴったり合うはずです。エアフィルターは斜めになっているため、段ボールは後ろのエアフィルターと面一にならないことに注意してください。後ろのフィルターが突き出ている幅に近くなるように、この端を切り詰めます。
この部品はテープで固定します。テープを複数枚使用して、できるだけ気密性を高めます。湾曲したエッジをテープで固定するのは 1 枚のテープでは難しいためです。他の 3 つのコーナー ピースでもこの手順を繰り返します。この手順が完了したら、ユニット全体を調べて、2 つのコンポーネント間の接続がすべて密閉されていることを確認します。これには、ファンと段ボールの上部/下部、およびファンの左側と右側と各フィルター間の接続が含まれます。密閉に亀裂が生じた場合は、追加のテープで密閉します。
シュラウドは、ボックス ファンの梱包から残っている段ボールを使用して組み立てることができます。ボックス ファンのブランドに基づいて切り抜き直径を測り (Lasko の場合は直径 15 インチ、Utilitech の場合は 14.5 インチ)、ファンの表面を完全に覆うのに十分なスペースを両側に残します。中心に印を付け、中心から半径までを測ってガイドラインを作成します。
コンパスが利用できる場合は、それを使用して中心からガイドラインまで円形のマークを作成します。コンパスがない場合は、ひもやワイヤーなどの柔軟な素材を中心マークにピンで留め、その端のペンをガイドラインに当てて、中心を中心に回転させます。
円形のマークを参考に、ナイフまたはハサミの先で円周を慎重に切り込み、穴を開けます。
この切り込みを入れた段ボールは、ミシン目に沿って簡単に切ることができます。中央の円形部分を取り除き、ボックスファンの表面に合わせて端を切り取ります。
最後に、シュラウドを段ボールの端に沿ってボックスファンにテープで貼り付けます。
太陽光発電システムの電気部品の配線方法については、ビデオ ガイドと書面による説明の両方で以下に記載されています。
組み立てのこの部分は、前の部分よりもエラーが発生しやすいため、指示に注意深く従ってください。指示は次のとおりです。14 ゲージのワイヤを 2 フィート切断し、端を被覆を剥がします。
図のように、20 アンペアのヒューズをヒューズ ホルダーに挿入します。ヒューズ ホルダーのワイヤーはすでに剥がされていることに注意してください。後で追加のワイヤーを剥がす必要がある場合があります。
これらのワイヤをワイヤ コネクタで接続します。理想的には、ヒューズはバッテリーにできるだけ近い位置にある必要があります。したがって、ヒューズ ホルダーの端が明らかに長い場合は、その端をワイヤに接続します。次に、図のように、リング コネクタをヒューズ ホルダーの短い端に圧着します。
14 ゲージのワイヤをもう 2 フィートほど切り取り、両端の被覆を剥がします。一方の端に 2 つ目のリング端子を取り付けます。次に、図 18 に示すように、これらのワイヤをバッテリーに接続します。ヒューズ付きのワイヤはバッテリーのプラス端子に接続し、ヒューズなしのワイヤはマイナス端子に接続します。これらのワイヤの端同士が触れたり、ワイヤ間または端子間の導電性物質に触れたりしないように注意してください。触れるとバッテリーがショートして、ユーザーが負傷したり、火災の原因になったりする可能性があります。
充電コントローラのプラスとマイナスのバッテリー ポートを見つけます。プラスのワイヤをプラス端子に接続し、マイナスのワイヤをマイナス端子に接続します。これが正しく行われ、バッテリーが充電されている場合は、図のように充電コントローラがオンになります。
パネルを充電コントローラに接続するには、両端で適切なサイズのワイヤのペアを剥がし（各方向に 14 AWG の 3 フィートを使用）、オスとメスの MC4 コネクタを見つけます。コネクタ キット内で、コネクタ ピンを見つけます。2 つのピンのうち大きい方がメスのピンで、オスの MC4 コネクタにフィットします。2 つのピンのうち小さい方がオスのピンで、メスの MC4 コネクタにフィットします。画像は、MC4 コネクタとそれに対応するピンを示しています。
ピンを被覆を剥いたワイヤーに差し込み、端を圧着します。この作業は、ラチェット式圧着工具がないと少し難しい場合があります。接続が十分に固定され、引っ張っても抵抗がなくなり、ワイヤーから滑り落ちなくなるまで、下部の外側の端をゆっくりと作業します。すべての接続と同様に、続行する前に導電性を確認してください。
上部のネジを外して MC4 コネクタを分解します。圧着ワイヤとピンをネジを外したコネクタの上部に通し、ピンを MC4 コネクタの下部に挿入します。ピンと MC4 コネクタ間の接続が確立されると、カチッという音が聞こえます。コネクタの上部をネジで締めます。
MC4 コネクタに接続されたワイヤは、ソーラー パネルの MC4 コネクタに接続できます。オスとメス、メスとオスです。パネルのコネクタがプラスで、マイナスであることに注意してください。パネルのオスの MC4 コネクタは通常プラスです。ワイヤの被覆を剥がした端 (MC4 接続の反対側) を、充電コントローラの対応するプラス端子とマイナス端子に接続します。
インバーターには、クリップ コネクタ付きとオスのシガレット ライター プラグ付きの 2 セットのワイヤーが付属している可能性があります。どちらの端にもリング ターミナルがあります。設計に実装するワイヤーに応じて、シガレット プラグまたはクリップのいずれかをワイヤーから切り取ります (ここではシガレット プラグを切り取ることにしました)。これを行うには、シガレット プラグを開き、スプリング、ヒューズ、アース端子などのコンポーネントからワイヤーを取り外します。
ワイヤーを少し離し、各ワイヤーを充電コントローラの負荷端子に接続できる長さだけ剥がします。どのワイヤーがどのリングにつながっているかを記録し、充電コントローラのプラス端子に接続されたワイヤーがインバータのプラス端子に接続され、充電コントローラのマイナス端子がインバータのマイナス端子に接続されていることを確認します。ここまでの配線がすべて正しく行われていれば、インバータの電源がオンになります。
材料費
費用表
| 成分 | ユニットあたりのコスト（$） | 額 | 合計（$） |
|---|---|---|---|
| 55 Ah ディープサイクル AGM 12 V 鉛蓄電池 | 124.76 | 1 | 124.76 |
| リング端子（2個パック） | 4.29 | 1 | 4.29 |
| 14 AWG ワイヤー | 0.96 | 20フィート | 19.20 |
| 14 AWG バット端子 | 0.10 | 1 | 0.10 |
| 20 A ATCヒューズ（10個パック） | 8.59 | 1 | 8.59 |
| ATCヒューズホルダー | 5.36 | 1 | 5.36 |
| トリクル充電器 | 10.84 | 1 | 10.84 |
| 100Wソーラーパネル | 93.30 | 1 | 93.30 |
| MC4 ソーラーパネルコネクタ (6 個パック) | 9.75 | 1 | 9.75 |
| 20 A ソーラー充電コントローラー | 16.26 | 1 | 16.26 |
| 150Wインバータ | 16.26 | 1 | 16.26 |
| 延長コード | 〜 | 〜 | 〜 |
| デジタル家電タイマー | 15.45 | 1 | 15.45 |
| 20インチ ボックスファン | 35.79 | 1 | 35.79 |
| 20x20x1" Merv 13 炉フィルター | 26.97 | 2 | 53.95 |
| 段ボール | 0 | 該当なし | 0 |
| 総費用（$） | 413.9 | ||
手術
太陽光発電システムのセットアップ方法と DIY エアフィルターの操作方法については、ビデオ ガイドと書面による説明の両方で以下に記載されています。
使用
フィルター処理する建物に電気が通っている間は、エアフィルターユニットを壁に差し込むだけで、常時作動させることができます。また、電気が通っている間は、12 V バッテリーをトリクル充電器に接続し、壁のコンセントに差し込んでおきます。電気が通っていない場合は、ソーラーパネルやその他の電気部品を使用してエアフィルターユニットに電力を供給します。以下は、このユニットをソーラー電源でセットアップして作動させる手順です。
パネルが日中に十分な日光を浴びる屋外の場所を見つけます。パネルが太陽に対して最も垂直になる最適な角度を決定します。これは、設置されている緯度と季節によって異なります。パネルを夏季に使用するために北緯 30 度に設置すると仮定すると、パネルを南に 15 度の角度で向けると、夏の間、最適なエネルギー生産が得られます。どの緯度 X 度でも、最適な夏の角度は (X - 15) 度になります。北半球のパネルは南を向き、南半球のパネルは南を向きます。方程式 sin(θ)×P=H を使用して、長さ P のソーラー パネルを目的の角度 θ に一致させるために必要な高さ H を計算できます。
残りのコンポーネントは、近くに注意して配置する必要があります。バッテリー、充電コントローラー、インバーターは、コンテナに入れてソーラーパネルの下に保管することをお勧めします。延長コードをインバーターに差し込み、ひび割れたドアや窓から目的の建物に配線します。ひび割れたドアや窓を予備の布、ぼろ布、ダクトテープでできる限り密閉し、粒子状物質が建物内に入らないようにします。ソーラーパネルの設置場所によっては、複数の延長コードや長い延長コードが必要になる場合があります。
延長コードをエアフィルターユニットの設置場所まで伸ばします。器具のタイマーを延長コードに差し込み、延長コードをフィルター装置に差し込みます。タイマーを希望のデューティサイクルで動作するように設定します (テストでは 1/4 サイクル、1 分オン、3 分オフを使用)。こうすることで、デバイスは粒子状物質の濃度を危険レベル未満に保つために必要な時間だけ効率的に動作します。パラメータに対して適切なデューティサイクルを決定するには、Alstone らが開発したこの Excel モデルを使用します。 [5]部屋のサイズと、1 時間あたりの侵入空気交換回数として 0.5 ～ 1.0 の値を入力します。0.5 はほぼ完全に密閉された部屋を表し、1.0 は非常に密閉度の低い空間を表します。次に、フィルター効率を 50% に設定します。平均室内空気濃度が望ましいレベルになるまで、濾過流量を変えます。このモデルの流量を特定の設定でのファンの流量で割ると、デューティサイクルが得られます。これは、エアフィルターの機器タイマーに設定するデューティ サイクルです。
メンテナンス
フィルターの交換頻度は、デバイスの使用頻度、ファンの速度、DIYエアフィルターがろ過する空気の質によって異なります。ほとんどのフィルターメーカーは、この設計のFiltrete 2200 MERV 13フィルター（Filtrete 2022）の製造元である3Mを含め、3か月ごとにフィルターを交換することを推奨しています。ただし、これはフィルターが高風量HVAC環境で継続的に使用されることを前提としています。空気質の専門家の中には、フィルターボックスファンユニットを複数使用すれば、5～6か月[8]、さらには1年までと、はるかに長持ちすると考える人もいます。[9]フィルターが粒子状物質で詰まった場合は、新しいフィルターと交換する必要があり、5か月から1年ごとに53.95ドルの費用がかかります。
次のステップ
実施される変更
いくつかの理由により、この設計の特定のコンポーネントをより効果的な代替品と交換することが望ましい場合があります。このセクションでは、設計の特定のコンポーネントを変更するために何が必要かについて詳しく説明します。
バッテリーストレージのアップグレード
バッテリーストレージをアップグレードする最も簡単な方法は、複数の鉛蓄電池を購入し、それらを並列に動作させることです。バッテリーを並列に動作させると、合計ストレージ容量が増加します。たとえば、2 つ目の 55 Ah バッテリーを購入して並列に動作させると、合計 110 Ah になります。鉛蓄電池は 50% までしか放電できないため、使用できるのは 55 Ah のみになりますが、それでも現在のバッテリー容量は 2 倍になります。
あるいは、鉛蓄電池を、より放電深度の高い電池に交換することもできます。たとえば、35 Ah のリン酸鉄リチウム (LiPO4) 電池 1 個で少なくとも 80% 放電できるため、選択した鉛蓄電池の使用可能な容量 27.5 Ah と比較して、1 個の電池で少なくとも 28 Ah を利用できます。リン酸鉄リチウム電池には複数の利点がありますが、最大の利点はその重量です。LiPO4 はエネルギー密度がはるかに高いため、同等の容量の電池を 1/5 の重量で使用できます。LiPO4 電池はサイクル寿命が 10 倍になるため、電池交換にかかるメンテナンス コストも少なくて済みます。[10] LiPO4 電池を使用することの欠点は、現在の設計で使用されている充電コントローラとは異なる充電コントローラが必要になることです。これは、私たちの充電コントローラは鉛蓄電池でのみ使用できると評価されているためです。
太陽光発電出力のアップグレード
ソーラーパネルからのエネルギー出力は、2 つの方法で簡単にアップグレードできます。より大きなパネルを購入するか、バッテリーと同様に複数のパネルを並列に実行することです。これによる複雑さは、再び充電コントローラに関係します。当社の充電コントローラの定格は 20A で、一般的な安全係数 1.25 で割ると、16A の PV アレイをこの充電コントローラで安全に動作させることができます。当社の 100W パネルの定格出力は短絡電流 6.5A で、この安全値の範囲内ですが、この値を超える PV アレイには、適切なサイズの充電コントローラが必要です。より強力なパネルを購入する場合は、メーカー指定の短絡電流を確認し、複数のパネルを並列に実行している場合は、それらの合計短絡電流を合計します。これに安全係数 1.25 を掛け、この値を使用して、このレベルの電流を処理できる充電コントローラを調べます。また、この設計で使用されているパネル以外のパネルの開回路電圧も必ず確認し、充電コントローラーの電圧定格を超えないようにしてください。
コルシ・ローゼンタールデザイン
私たちが検討した設計の 1 つは、Corsi-Rosenthal 設計[11]に準拠したものでした。この設計では、フィルター本体に 2 つの追加のエアフィルターが含まれていました。この設計では、すでに効率的なエアフィルターの予算がオーバーになるため、最終的なソリューションでは採用しませんでした。この設計はすでに存在しており、私たちが設計したフィルターをこの設計に置き換えるだけで済みます。
設計すべき変更
このデザインを作成する際に、他にもいくつかの変更点を念頭に置いていましたが、時間と予算の制約により、それらを十分に検討することはできませんでした。以下では、これらのアイデアについて簡単に説明します。
電気部品を内部に保管
適切なサイズのワイヤーを使用すれば、バッテリー、充電コントローラー、インバーターを内部に収納できます。これにより、屋外にいる子供がコンポーネントをおもちゃと間違えたり、日光にさらされて損傷したり、前庭に放置して盗難に遭ったりするリスクが軽減されます。これには、パネルと充電コントローラー間の 14 AWG ワイヤーを、パネルから充電コントローラーまでの距離に応じて、より太いゲージに交換することが含まれます。長い太いワイヤーを購入する予算がなかったため、このコンセプトを最後まで実行することはできませんでしたが、独自の設計を作成する場合は、この変更を加えることをお勧めします。
To Catch the Sunに掲載されているような電流容量表を使用すると、この厚さを判断できます。[12]ソーラーパネルから充電コントローラーまでの距離を測り、その距離を 2 倍にして往復の長さを決定します。この表は往復の長さが最大 90 フィートまで考慮されていますが、オンラインで入手できる他の表ではさらに長い距離も考慮されています。次に、パネルの定格電力 (100 ワット) をパネルの開放電圧 (21.6 ボルト) で割ります。この計算によると、パネルの出力は約 4.6 アンペアです。5 アンペアに切り上げると、サイズを決める最小電流が決まり、10 アンペアに切り上げると、パネルが過剰に発電した場合の安全性が確保されます。
ただし、この変更を行う際に考慮すべき点の 1 つは、太いワイヤーが当社の充電コントローラーのポートに収まらないことです。潜在的な解決策としては、充電コントローラーへの接続部分のワイヤーの太さを薄くすることが考えられますが、当社はこれをテストしておらず、安全かどうかは確認できません。太いワイヤー用に設計された別の充電コントローラーを購入することもできますが、コストが増加する可能性があります。
空気の質の監視
設計開発中に直面した課題の 1 つは、安全な空気の質を維持するために必要なときだけフィルターが作動するように電力を制御する方法でした。私たちはこの問題に、デジタル家電タイマーを使用して取り組み、設定された条件下でフィルターが健全な空気の質を維持するために必要な作動時間を計算しました。
私たちが考えた別の解決策は、空気質モニターと Arduino マイクロコントローラーを使用して、室内の空気質が一定のしきい値に達したときにファンをオンにすることです。この設計は、マイクロコントローラーに馴染みのない幅広いユーザーにとってアクセスしにくいという結論に達しました。フィルターの使用を空気質に直接結び付けることが望ましい場合は、この設計をさらに繰り返して、この方法をさらに検討する必要があります。
2022年6月更新
このデザインは、SolidProfessor が主催する 2022 年春の 3D CAD コンテストで優勝しました。
参考文献
- ↑ Aaron Antrim、Kathy Nativi、Chris Watkins、Lonny Grafman、Emilio Velis、Sofía Aparicio (2006)。「Appropedia:About」。Appropedia。2022年4月21日閲覧。
- ↑ Bikash Pradhan、Nicole Salas、Amin Younes (2021)。「535 FiltAirs DIY エアフィルター」。Appropedia。2022年4月18日閲覧。
- ↑ Jim Rosenthal (2020)。「Corsi-Rosenthal Box Air Cleanerの効率を向上させる方法」。Tex-Air Filters。2022年5月7日閲覧。
- ↑ 「シュラウドの作り方」。Clean Air Crew。2022年5月7日閲覧。
- ↑ジャンプアップ:5.0 5.1 Peter Alstone、Elizabeth Odell、Malcolm Moncheur、Tanya Garcia。「空気質「ボックスモデル」スプレッドシート」。Schatz Energy Research Center。2022年5月6日閲覧。
- ↑ジャンプアップ:6.0 6.1 AirNow.gov. 「AQI Calculator」。米国環境保護庁。2022 年 5 月 6 日に閲覧。
- ↑ Rachael Dal Porto、Monet N. Kunz、Theresa Pistochini、Richard L. Corsi、およびChristopher D. Cappa (2022)。「DIYボックスファンエアフィルターの性能特性評価」エアロゾルサイエンスアンドテクノロジー、2022年5月6日閲覧。
- ↑ カリフォルニア大学デービス校 (2022)。「The Corsi-Rosenthal Box: DIY Box Fan Air Filter for COVID-19 and Wildfire Smoke」。西部農業健康安全センター。2022年4月20日閲覧。
- ↑ ダニー・エルフストロム (2021)。「フィルターはどのくらいの頻度で交換すべきでしょうか？ フィルターがろ過する空気（森林火災の煙など）と稼働時間によって異なります。この単一フィルター設計では、3か月に1回をお勧めします。4つまたは5つのフィルターで作られたコルシ・ローゼンタールボックスは、丸1年持つかもしれません」。Twitter。2022年4月20日閲覧。
- ↑ Eco-Worthy (2022). 「LiFePO4 12V 10Ah 20Ah 30Ah リン酸鉄リチウム電池」. Eco-Worthy. 2022年5月5日閲覧。
- ↑ Clean Air Crew (2021). 「DIY ボックスファンエアフィルター – Corsi-Rosenthal ボックス」。CleanAirCrew.org。2022 年 5 月 5 日閲覧。
- ↑ ロニー・グラフマン、ジョシュア・M・ピアース（2020年）。「太陽をつかむために」。ハンボルト州立大学出版局。2022年5月6日閲覧。