Imprimante 3D mobile à énergie solaire V2.0

Guide de construction

Le guide de construction complet et tous les autres fichiers liés au projet sont disponibles en téléchargement dans le référentiel du projet .

Publications connexes

Debbie L. King, Adegboyega Babasola, Joseph Rozario et Joshua M. Pearce, « Imprimantes 3D mobiles open source à énergie solaire pour la fabrication distribuée dans les communautés hors réseau », Défis de durabilité 2 (1), 18-27 (2014). accès libre
- DOI : http://dx.doi.org/10.12924/cis2014.02010018
- Fichiers imprimés http://www.thingverse.com/thing:74671

Aperçu du projet

Il s'agit d'un projet commun entre :

Projet créé et supervisé par :

Adegboyega Babasola, chercheur principal du SEARC
Dr Joshua Pearce , professeur à Michigan Tech

Assistant de recherche étudiant du projet :

Debbie Roi

Projet(s) lié(s) :

Objectif

Pour améliorer la conception de l' imprimante 3D mobile à énergie solaire d'origine . Construisez une station de recharge plus petite et plus portable, fonctionnant uniquement à l'énergie renouvelable pour une imprimante 3D utilisant une technologie open source appropriée .Mise à jour : 23 juillet 2012. Deux modèles distincts seront conçus.

Le modèle A sera un modèle à très faible consommation, utilisant un RepRap compatible SD. Ce sera un petit modèle léger ; mais ne pourra imprimer que les parties qui ont été stockées sur la carte SD.
Modèle B - sera capable de concevoir de nouvelles pièces sur le terrain.

Figue. Logo 1-RepRap

Fond de RepRap

La RepRap est une imprimante 3D à faible coût, conçue par le Dr Adrian Bowyer. Il fonctionne sur un logiciel open source. Et s'auto-reproduit. Plus d'informations sur le RepRap peuvent être trouvées sur le RepRap à l'adresse : RepRap.org/wiki

Conception du modèle

Tâches

~~Proposer un design~~
Choisissez les composants
- ~~Imprimante~~
- ~~Ordinateur~~
- ~~Panneaux~~
- ~~Batteries~~
- ~~Contrôleur de charge~~
- ~~Onduleur (si nécessaire)~~
~~Tester des composants individuels~~
Conception de construction
Conception des tests

Choisir les composants

La première étape de la planification impliquera la recherche de tous les composants possibles qui composeront la ou les conceptions.

Imprimante

Le choix de l'imprimante déterminera la taille, la consommation d'énergie et le degré de personnalisation disponible. Un certain nombre de modèles RepRap différents seront pris en compte. Un Mendel, exécutant l'électronique Gen6, est déjà disponible pour tester les circuits de puissance. Les circuits RAMPS seront également explorés. RAMPS est fabriqué avec de l'électronique Arduino open source et est très personnalisable. D’autres modèles seront envisagés, les critères étant :

Basse consommation énergétique
de petite taille, ou pliable ou facilement démontable
personnalisable (open-source, lecteur de carte SD disponible, broches d'E/S inutilisées intégrées)
prix
disponibilité
qualité d'impression

Un modèle d'imprimante particulier qui se démarque est la FoldaRap . Il a été conçu pour être plié dans une très petite taille afin d’être complètement portable. Il s'agit d'une conception open source, avec des instructions de construction complètes publiées par Emmanuel, le créateur et membre de la communauté RepRap. Le FoldaRap pourrait être un candidat idéal pour le projet.Mise à jour : 23 juillet 2012. Le FoldaRap a été choisi pour le modèle B.

Modules photovoltaïques

Il a été décidé que ce modèle fonctionnerait à l'énergie solaire. Toutes les technologies photovoltaïques actuelles seront examinées afin de déterminer la solution appropriée à ce projet. Le principal facteur pour décider quel module choisir sera la portabilité. La taille et le poids des panneaux recouverts de verre courants les rendent peu viables pour les applications portables. Des modules à couches minces seront très probablement utilisés. Tous les composants de consommation électrique doivent être choisis pour que la puissance requise soit déterminée.

Batteries

Dans le chariot solaire mobile d'origine, 4 batteries au plomb scellées à décharge profonde étaient utilisées. Ils avaient un poids combiné de 400 livres et un volume de plus de 64 000 cm ³ . Ceci, ainsi que les deux panneaux volumineux, expliquaient la taille extrême du chariot. Dans cette refonte, la petite taille et le poids de la batterie seront cruciaux. Les batteries au lithium constituent un choix évident par rapport aux SLA. Alors que les batteries Li-ion n’ont qu’env. Capacité énergétique 6 % plus élevée en volume, leur densité énergétique est beaucoup plus faible, ce qui rend les Li-ions beaucoup plus légers. Les batteries Li-ion sont également plus stables et donc plus faciles à transporter. Le type spécifique de batterie Li-ion, LiFePo4 ou autre type de batterie lithium-polymère reste à déterminer.

Alternative à un ordinateur portable

Une grande partie de cette conception consistera à réduire la consommation électrique du RepRap et des appareils nécessaires à son fonctionnement. Faire fonctionner l’imprimante à partir d’un ordinateur portable moyen fait plus que doubler les wattheures nécessaires.

Possible Solution	Prix	Pouvoir Consommation	TOI	Avantages	Les inconvénients
~~Tarte aux framboises~~ *	35 $	3w	Linux	Très bon marché, large support communautaire en ligne, logiciel RepRap disponible sur Linux	Délais de livraison longs, on ne sait pas si les vitesses de traitement sont suffisantes pour exécuter le logiciel de découpage
APC8750	49 $	13w	Android 2.3	Meilleur processeur que Raspberry Pi, bon prix	Aucun logiciel disponible ne devrait écrire un nouveau programme, Pas encore disponible, Consommation d'énergie élevée
Efika MX Smarttop	140 $	5w	Linux	Fonctionne sous Linux, La plus grande puissance de traitement des options de mini PC, Déjà enfermé dans le boîtier	Coût plus élevé, a été récemment interrompu
Smartbook MX efficace	199 $	0w	Linux	Fonctionne sous Linux, Autonomie de la batterie jusqu'à 7 heures, donc aucune consommation d'énergie supplémentaire, Wifi et 3G pour télécharger de nouvelles conceptions, coût le plus bas pour une fonctionnalité maximale.	Coût plus élevé
Contrôle via téléphone portable via Bluetooth	29 $ (avec cellule existante)	0w	Android	Les téléphones portables répandus, facteur cool	Le logiciel actuel doit être amélioré, il ne peut imprimer que les conceptions déjà en main.
Utilisez uniquement un emplacement pour carte SD	35 $	0w	N / A	consommation ultra faible	ne peut imprimer que des designs déjà en main, pas de design communautaire
Tablette	150-500 $	0w	Varie	Aucun système de consommation d'énergie supplémentaire, facilement disponible,	Coût plus élevé, on ne sait pas s'il peut exécuter un logiciel
OLPC	100-200 $	15w	Linux	Grande communauté d'utilisateurs, déjà répandue dans les pays en développement	Dépense, difficulté à faire fonctionner certains logiciels voir notes
Construire un micro PC avec système d'exploitation	Inconnu	?	N'importe lequel	Peut construire pour une consommation d'énergie très faible, Réduire les coûts en n'utilisant pas de composants inutiles, Créera un nouveau PC Open source, à faible consommation d'énergie et à faible coût.	Plus de temps pour construire, de nombreuses inconnues

* Voir la mise à jour des progrès, 2 août ^2012. Un moniteur basse consommation serait nécessaire en conjonction avec les trois premières options. Il existe de nombreux modèles différents disponibles à des prix aussi bas que 20 $. Différents moniteurs seraient choisis pour chaque ordinateur, en fonction des configurations d'E/S disponibles.

Contrôleur de charge

Il s'agit d'un circuit contrôleur de charge conçu pour charger 4 batteries Li-ion de 14,8 V à partir de 5 panneaux photovoltaïques de 20 W. La sortie peut faire fonctionner n'importe quel appareil pouvant fonctionner avec 12-16,8 V CC et consommant moins de 20 A. Schéma complet du circuit de puissance. Liste de pièces correspondante trouvée dans la nomenclature. Cliquez sur l'image pour une vue en taille réelle.

Conceptions CAO

Fig. 6 - Modèle valise, vue avant droite

Fig. 7 - Modèle valise, vue avant gauche

Cette version a été conçue pour tenir dans une valise de voyage standard. Cela augmente sa capacité à être transporté vers les endroits éloignés où il sera le plus utile. Alors que l'idée initiale était de le mettre dans une valise à main, il a été décidé qu'avec l'état actuel de la sécurité à l'aéroport, la probabilité d'être autorisé à le transporter avec vous dans un avion était faible. Une valise de taille standard a donc été choisie. Les figures 6 et 7 montrent la conception prévue. Les panneaux solaires semi-flexibles et le reprap pliable s'intègrent facilement dans une valise standard de 24 à 26 pouces avec suffisamment d'espace pour le boîtier de combinaison qui abritera tous les composants électriques et les batteries. Dans la conception, les panneaux sont représentés découverts, en réalité, ils seront emballés dans une toile solide sur laquelle ils seront montés. La toile servira de protection pendant le transport. Elle les maintiendra également tous ensemble et servira de dessus de table pour l'appareil de montage de panneaux de fortune qui être utilisé pour aligner les panneaux sur le terrain.

Nomenclature

Pour ouvrir le fichier Excel d'origine et avoir accès aux hyperliens cliquables, cliquez sur Fichier:BOM V2.xls

Mises à jour des progrès

²⁴ juillet 2012 :

Le FoldaRap a été commandé dans le cadre de la campagne de financement participatif du fabricant . En attente de confirmation du constructeur sur la consommation électrique avant de commander les autres composants.

Je recherche actuellement des contrôleurs de charge DIY (avec MPPT) et des onduleurs.

² août 2012 :

Raspberry Pi testé pour sa viabilité. La carte testée était très problématique et ne pouvait pas fournir suffisamment d'énergie pour faire fonctionner les périphériques (c'est-à-dire : souris, clavier.) Le cristal de quartz oscillant ne fonctionnait pas correctement. Très probablement, je viens de recevoir un citron, mais d'après la lecture des forums, ce n'était pas le seul. Pour cette raison, la lenteur des délais de commande et la probabilité qu'ils n'exécutent pas de toute façon le logiciel nécessaire, le Raspberry Pi ne sera pas utilisé pour ce projet.

Quelques circuits de contrôleur MPPT à haut rendement différents ont été trouvés. Nous attendons toujours les chiffres de consommation d'énergie pour que le FoldaRap commence à ajuster le circuit pour répondre aux besoins d'alimentation spécifiques.

Explorer la possibilité de concevoir un ordinateur simple pour exécuter le logiciel hôte RepRap, puis comparer les prix à l'achat d'un SBC (ordinateur monocarte).

7 août ²⁰¹² :

Après avoir étudié de nombreux SBC et constaté que le coût moyen était d'environ 150 $ pour les spécifications nécessaires, il a été décidé de choisir le Efika Smartbook de Genesi. Cet ordinateur portable coûte 50 $ de plus, possède les spécifications nécessaires, mais ne tirerait aucune énergie du circuit, car il possède sa propre autonomie de batterie d'environ 7 heures. Et ne nécessiterait pas l’achat d’un présentoir. Genesi est une entreprise dont l'unique objectif est de créer des solutions informatiques à faible consommation et à faible coût, destinées aux pays en développement.

9 août ²⁰¹² :

Batteries et panneaux commandés. Toujours incertain de la consommation électrique de FoldaRap, un circuit d'alimentation a donc été choisi qui peut faire fonctionner une imprimante de 60 W pendant 6,5 heures, ou jusqu'à une imprimante de 90 W pendant 4,3 heures. Encore beaucoup plus long que la moyenne d’impression de 2h.

16 août ²⁰¹² :

Les panneaux et l'ordinateur portable sont arrivés aujourd'hui. Les tests préliminaires montrent que les deux fonctionnent comme prévu.

21 août ²⁰¹² :

Les batteries sont arrivées la semaine dernière. Leur démontage a révélé un bon BMS embarqué. Il faudra maintenant décider si notre système peut simplement communiquer avec le BMS actuel, ou s'il sera mis au rebut et le contrôleur sera utilisé pour contrôler les batteries. Voir Tests de batterie pour plus de détails.

Il a été décidé de baser la conception de notre contrôleur de charge sur les conceptions open source actuellement disponibles. Les deux contrôleurs considérés sont le contrôleur de charge gratuit et le chargeur solaire Arduino Peak Power Tracker . La version Arduino est une conception beaucoup plus simple et serait donc plus facile à modifier pour les exigences spécifiques de ce projet.

24 août ²⁰¹² :

Logiciel d'impression et de découpage installé sur smartbook. Le contrôle d’une autre imprimante 3D via l’ordinateur a réussi. De plus, le découpage (transformation d'un fichier CAO 3D en langage Gcode imprimable) a été plus réussi que prévu, il n'a fallu que 2,5 minutes pour découper un objet imprimable assez grand. Jusqu'à présent, le smartbook répond et dépasse les attentes.

29 octobre ²⁰¹² :

Connecteur de batterie construit, batteries testées, circuit de contrôleur conçu et pièces commandées. J'attends toujours l'imprimante.

Essai

Tests sur panneau

Test du premier panneau :

	Spécifié	Mesuré
COV	20,6 V	21,02 V
Icc	1,38A	1,04A

Également testé sous une charge de 20,5 ohms et obtenu 18,09 V. Fera des tests supplémentaires avec un plus grand choix de résistances de puissance. Le courant de court-circuit (Isc) n'était pas aussi élevé que prévu, mais le panneau n'était pas orienté de manière optimale vers le soleil. Un autre test sera effectué pour jauger Isc. Les panneaux sont très légers, ils seront facilement transportables. Ils semblent assez durables ; et ils se plient à 30° comme annoncé (Voir Fig. 10.)

Fig. 8 - Voc test
Fig. 9 - Sous une charge de 20 ohms
Fig. 10 - Test de pliage à 30°

Tests de livres intelligents

Le Genesi Efika MX Smartbook est livré avec sa propre distribution Linux unique. Il se charge assez rapidement et se connecte automatiquement au réseau sans fil non sécurisé le plus proche. La vitesse n'est pas la meilleure, mais aussi bonne que prévu pour son matériel. Il est extrêmement léger et présente des dimensions globales très réduites, même par rapport à un netbook de 13,5 pouces (voir Fig. 11.) Sa consommation électrique est inférieure aux 12 W annoncés. Démarrage : 7 à 8 W en veille (avec connexion sans fil activée) : 6-7W En veille (avec connexion sans fil désactivée) : 5-6W Lecture d'un film (sans fil désactivé) : 6w En veille : 1W

Fig. 11 - Comparaison des tailles de Smartbook

Tests de batterie

Les batteries Li-ion 14,8 V 6 600 mAh sont testées et produisent 14,6 V. Les batteries sont livrées avec leur propre système de gestion de batterie (BMS), qui contrôle la façon dont elles sont chargées, surveille les niveaux des cellules pour éviter une surcharge ou une décharge excessive et surveille la température avec une thermistance. Il est conçu pour communiquer avec son modèle d'ordinateur portable spécifique via une sortie à 7 broches (voir Fig. 12 et 13).

Fig. 12 - Brochage du connecteur de batterie Conformément à la Fig. 12, il a été testé que A et B sont connectés et constituent la borne négative, tandis que F et G sont connectés et constituent la borne positive. Selon le site Web du produit, la batterie utilise SMBus pour la communication. SMBus est une communication à deux fils, vaguement basée sur la communication ^I2C . Il serait préférable de construire un contrôleur qui communique avec le BMS actuel fourni avec les batteries, car il est déjà adapté aux cellules spécifiques, ce qui permettra de gagner du temps dans la programmation et d'éviter des problèmes potentiels et des dommages aux cellules en cas de codage incorrect. La charge des Li-ions est différente de celle des batteries au plomb scellées (SLA) trouvées dans les grands projets solaires. Alors que les SLA peuvent être chargés en appliquant simplement un petit courant d'entretien constant jusqu'à ce qu'ils soient pleins, les Li-ions ont jusqu'à 3 étapes de charge différentes, en fonction de leur degré de décharge. Cela nécessitait un BMS plus complexe, ce qui constitue une autre raison pour laquelle il serait idéal de maintenir le BMS actuel en place.

Pour se connecter aux bornes de la batterie, les languettes de connexion rapide mâles ont été doublées et fixées autour du fil avec de petites attaches (voir figures 17 et 18.) Pendant la phase de test, les connecteurs ont simplement été insérés dans les bornes de la batterie, mais une fois intégrés dans le circuit, avec la protection de circuit appropriée en place, les connecteurs peuvent ensuite être soudés aux bornes de la batterie. Les batteries ont été testées chargées avec une alimentation 17 V à courant élevé. 17 V ont été utilisés pour simuler la tension du panneau. Il a été constaté que le BMS embarqué était capable de réguler correctement le flux de courant, sans charger trop rapidement, ce qui pourrait réduire la durée de vie de la batterie. Cela signifiait qu'aucun circuit supplémentaire n'était nécessaire dans le circuit du contrôleur pour réguler le courant fourni aux batteries. De plus, la tension de sortie des panneaux correspond déjà à la tension d'entrée attendue des batteries, ce qui signifie que la seule régulation de tension nécessaire serait celle des batteries vers l'imprimante.

Fig. 13 - Connecteur batterie ordinateur portable
Fig. 14 - Boîtier de batterie
Fig. 15 - Batterie à l'intérieur
Fig. 16 - Système de gestion de batterie
Fig. 17 - Connecteurs de batterie
Fig. 18 - Configuration du test de batterie

Voir également

Données de page
Auteurs	Debbie Roi
Licence	CC-BY-SA-3.0
Organisations	RECHERCHE
Langue	anglais (fr)
En rapport	0 sous-pages , 7 pages lien ici
Impact	1 519 pages vues
Créé	10 juillet 2012 par Debbie King
Modifié	28 février 2024 par Felipe Schenone
Citer comme	Debbie King (2012-2024). "Imprimante 3D mobile à énergie solaire V2.0" . Appropédie . Récupéré le 22 mars 2024 .
Requêtes API	basique , sémantique , html , fichiers , plus