L'EV ARC.

Aeroscreen fait ses preuves à l’Indy 500

Rendre viable un équipement tout électrique, mobile et tout-terrain est une proposition d’ingénierie complexe. L’un des éléments clés d’une telle approche consiste à trouver un moyen de recharger les batteries des véhicules. L’utilisation d’un générateur diesel n’a pas de sens lorsque l’un des objectifs primordiaux du concept tout électrique est de proposer une approche plus verte avec une empreinte carbone minimale.

Quand notre entreprise Envision solaire a décidé de relever le défi, en construisant ce que nous avons appelé le chargeur autonome de véhicule électrique renouvelable ou EV ARC 2020, nous avons identifié deux problèmes majeurs. Le premier était de s’assurer qu’il fonctionnerait dans tous les climats et conditions. Le second était de s’assurer qu’il fonctionnerait avec une efficacité maximale tout en restant simple et fiable.

Voici comment nous avons résolu ces problèmes.

Gestion thermique passive

Concevoir un chargeur mobile qui fonctionne sous tous les climats, du froid de l’hiver à New York à l’après-midi le plus chaud du désert du Nevada, n’est pas anodin. Il devrait fonctionner dans des conditions extrêmes et lorsqu’il n’y a pas de lumière du soleil pour alimenter les panneaux solaires. Cela signifiait qu’il faudrait également stocker de l’énergie à utiliser à tout moment, ce qui conduit à des batteries et à tous les équipements complexes nécessaires à leur gestion, ainsi qu’à l’électronique associée pour stocker, inverser et fournir de l’électricité utilisable aux véhicules et aux outils utilisés par nos clients.

Les batteries et l’électronique associée fonctionnent le plus efficacement et en toute sécurité dans une plage de températures spécifique que nous appelons la zone Goldilocks (ni trop chaude, ni trop froide, juste comme il faut). Heureusement, cette fourchette est large, à partir de 32 (0) et se terminant juste en dessous de 104 (40). En règle générale, le moyen de maintenir un objet à une température quelque peu constante est de le chauffer lorsqu’il fait trop froid et de le refroidir lorsqu’il fait trop chaud. Cependant, ces processus énergivores créeraient un tirage parasite inacceptable sur une source limitée de production électrique (énergie solaire). Utiliser toute l’énergie produite par le panneau solaire pour maintenir la zone Goldilocks la rendrait impraticable. Nous avons dû concevoir un produit capable de réguler passivement sa propre température.

L’EV ARC.Envision solaire

La deuxième loi de la thermodynamique et de l’entropie était à notre disposition. La question était de savoir comment les exploiter à notre avantage, quand c’était un avantage, et réduire leurs impacts lorsqu’ils travaillaient contre nous. La deuxième loi de la thermodynamique dit que les objets chauds se refroidissent constamment (abandonnant l’énergie thermique et se déplaçant vers un état d’entropie). Cette loi est la raison pour laquelle les glaçons fondent (lorsque la chaleur ambiante se déplace vers eux) et la soupe chaude se refroidit (donnant de la chaleur pour correspondre aux conditions ambiantes). Garder la soupe au chaud dans un environnement froid est simple; l’isolation fait l’affaire. Les thermos ne sont pas intelligents, mais ils sont bon pour ralentir la deuxième loi de la thermodynamique. Refroidir une soupe dans un environnement chaud est un peu plus compliqué, comme peut en témoigner tout enfant qui a soufflé de la soupe avec impatience de sa cuillère sur la table.

En fin de compte, nous avons combiné trois méthodes passives de refroidissement – convection, conduction et changement de phase – pour gérer les conditions chaudes. Pour le froid, nous avons réduit le flux d’air, ajouté de l’isolation et utilisé la chaleur générée par les opérations normales d’EV ARC. Dans l’ensemble, ces méthodes permettent au chargeur de fonctionner n’importe où aux États-Unis

Suivi solaire

Le défi suivant que nous avons dû surmonter était plus élémentaire et concernait les principes fondamentaux de l’énergie solaire. Cela revient à maximiser l’efficacité. Il y a deux façons de faire cela: agrandir les panneaux ou les rendre plus denses en termes de nombre de cellules productrices d’énergie par pouce. L’agrandissement des panneaux solaires n’a jamais été une option car l’EV ARC devait être mobile et tenir dans un seul espace de stationnement. Cela signifiait que nous devions augmenter d’une manière ou d’une autre la densité d’énergie, ou du moins la densité effective du panneau solaire.

L’heure de la journée avec la densité d’énergie la plus élevée est généralement vers midi (ou à peu près) lorsque le soleil est à son point le plus élevé dans le ciel. Cela permet aux photons d’atteindre le réseau aussi perpendiculairement que possible, maximisant sa production. Pour obtenir plus de «midi», nous avons dû ajouter le suivi solaire. Il maintient le réseau correctement orienté vers le soleil pendant la plus grande partie de la journée. Ceci, en effet, décale midi et prolonge la fenêtre d’efficacité maximale.

Il y avait déjà une grande variété de technologies de suivi sur le marché allant de l’extrême basique à l’extraordinairement avancé. Cependant, plus la technologie est avancée, plus elle devient complexe. Tout comme dans de nombreux domaines de l’ingénierie, la complexité augmente la probabilité de défaillance et l’augmentation des coûts.

Nous avons également découvert que les cellules photovoltaïques sont assez insensibles à la précision de pointage. En fait, vous obtenez la plupart des gains de production en maintenant les modules à moins de 20 degrés. de pointer directement vers le soleil. Toute précision accrue entraîne une augmentation significative de la complexité, des risques et des coûts, mais seulement une augmentation marginale de la production électrique.

L'EV ARC est autonome et tient dans un seul espace de stationnement.L’EV ARC est autonome et tient dans un seul espace de stationnement.Envision solaire

Nous avons rapidement opté pour une solution de suivi simple et très robuste qui fournirait presque tous les gains avec une probabilité d’échec bien moindre. Nos ingénieurs ont conçu des algorithmes de suivi simples mais suffisants pour contrôler le matériel le plus fiable dans un EnvisionTrak breveté tracker solaire.

EnvisionTrak incline la matrice pour la maintenir dirigée vers le soleil. Mais plutôt que de balancer ou de faire rouler le tableau, comme c’est courant avec la plupart des appareils de suivi, nous plions efficacement la colonne au sommet de laquelle se trouve le tableau. Ceci est vital pour le stationnement car, tandis que la colonne réoriente le réseau, elle maintient constamment l’alignement du réseau avec l’espace de stationnement, quel que soit l’endroit où le véhicule est dirigé.

Faire pivoter le réseau le ferait empiéter sur les espaces de stationnement adjacents, ou pire, sur les voies de circulation (ce qui est illégal s’il s’agit également d’une voie de feu). Le sous-système permet aux panneaux de générer 25% d’électricité en plus qu’un réseau fixe, et plus d’électricité signifie des kilomètres parcourus ou des heures de fonctionnement de l’équipement.

Besoins en énergie dans la construction

Lorsqu’il s’agit de passer aux équipements de construction électrifiés, la plus grande considération n’est pas la capacité de l’équipement, mais plutôt la façon de le charger.

En général, lorsqu’un projet de construction en est au stade où la saleté est déplacée, il n’y a pas d’électricité du réseau public sur le site, ou certainement pas assez pour alimenter les équipements de construction. L’utilisation de panneaux solaires stationnaires classiques pour charger l’équipement implique un autre projet de construction et exigerait plus de terrain ou empiéterait sur le chantier. Et la plupart des installations solaires ne fonctionnent que lorsqu’elles sont connectées au réseau et que le soleil brille. Il n’y a pas de charge la nuit ou par mauvais temps.

L’EV ARC nécessite peu d’espace (juste une place de parking) et aucune construction du tout. Il est livré sur site, prêt à fonctionner et est déplacé vers le chantier suivant dès qu’il n’est plus nécessaire au début. Parce qu’il produit et stocke toute sa propre électricité, il peut se recharger à tout moment, pas seulement lorsque le soleil brille.

Parce qu’EV ARC est mobile et voyagera et sera utilisé dans une grande variété d’endroits, il devait se conformer aux réglementations en matière d’équipement et aux codes structurels dans toutes les juridictions… essentiellement partout. Ainsi, le réseau ne pouvait pas être trop grand, même s’il avait besoin d’autant de photocellules que possible.

Créer un grand tableau à partir de sous-assemblages était impossible car cela ajoutait plus de complexité et des temps de configuration / retrait plus longs. Une solution consiste à plier la baie dans un emballage compact pour le transport. Mais les structures pliantes ne sont généralement pas suffisamment solides et rigides pour résister aux intempéries, en particulier au vent et à la neige lorsqu’elles sont dépliées.

Comme tout bon ingénieur le sait, la partie la plus faible de toute chaîne est son maillon le plus faible. Dans le cas des tableaux pliants, ce serait les charnières. Ils devaient être aussi structurellement solides que les autres structures du réseau.

L’équipe d’ingénierie a réalisé que la charnière n’avait besoin de sa plus haute intégrité structurelle que lorsque le réseau a été déployé. Ainsi, l’équipe a inventé une charnière qui est la plus stable en position verrouillée, ce qui signifie qu’elle est à son maximum quand il le faut. Lorsque le tableau est emballé pour le voyage, les charnières jouent un petit rôle car le tableau est pris en charge par d’autres éléments. Le réseau emballé pour le voyage peut être facilement déplié et verrouillé en place par un seul opérateur.

La plupart des panneaux solaires ont des espaces entre les panneaux qui laissent le vent passer librement à travers eux tout en exerçant peu de pression sur le panneau. Pour EV ARC, nous n’avons pas eu le luxe de consacrer une partie de la surface de la baie à des espaces; nous devions maximiser chaque centimètre carré tout en étant convaincus qu’il résisterait aux vents violents.

Le serrage, une technique couramment utilisée pour monter des modules dans des panneaux solaires, utilise des pinces à quatre endroits, mais cela crée une charge ponctuelle et peut diminuer l’intégrité structurelle de la matrice. Les pinces EV ARC couvrent toute la longueur de chaque module, créant efficacement une poutre. Le serrage breveté, baptisé Envisimount, fournit un support sur toute la longueur et augmente l’intégrité structurelle de la matrice. Le réseau a été officiellement nettoyé et évalué indépendamment pour résister à des vents allant jusqu’à 120 mph. Nous savons également qu’il a résisté à des vents de force ouragan de catégorie 5 de 185 km / h dans les Caraïbes.

Machines électriques de construction

Ce n’est un secret pour personne que, qu’elles soient électriques ou non, les machines lourdes nécessitent une énergie considérable pour fonctionner. Les machines à moteur diesel typiques consomment de 4 à 16 gallons de carburant par heure, selon le type de machine et la façon dont elle est utilisée.

La nouvelle génération d’équipements électriques est relativement petite et ne consomme que 10 à 12 kWh par heure de fonctionnement. Cela présente quelques problèmes, dont l’un est la nature intermittente du soleil en tant que source d’énergie. De toute évidence, il ne brille pas toujours, ce qui signifie que la lumière du soleil n’est pas toujours disponible pour charger l’équipement.

Cela présente le besoin d’un moyen d’alimenter l’équipement lorsque le soleil n’est pas au rendez-vous. Pour nous, l’intermédiaire est le stockage sur batterie que nous avons sur tous nos produits solaires. Le stockage de l’énergie solaire nous permet de tirer parti de chaque photon qui frappe le réseau.

EnvisionTrac déplace la baie de manière à ce qu'elle soit exposée au soleil pendant la majeure partie de la journée.EnvisionTrac déplace la baie de manière à ce qu’elle soit exposée au soleil pendant la majeure partie de la journée.Envision solaire

Il est rare qu’une machine de construction lourde fonctionne à pleine capacité pendant une journée entière de huit heures. Le cycle de service est généralement intermittent. Selon les chiffres standard de l’industrie, ces machines fonctionnent généralement à une fraction de leur pleine capacité pendant trois à quatre heures, y compris le temps d’inactivité. – Scénarios mondiaux. Tenter de fournir de l’énergie pendant huit heures de capacité maximale se traduirait par un surinvestissement important dans l’équipement de charge nécessaire pour un parc entièrement électrique.

L’un des avantages des machines électriques est qu’aucun carburant n’est brûlé pendant la marche au ralenti. Les machines d’équipement conventionnelles consomment jusqu’à 70% de leur gaz au ralenti, ce qui ne crée que de la chaleur, du bruit et des vapeurs nocives. Cependant, les machines électriques ne consomment de l’énergie de la batterie que lorsqu’elles fonctionnent.

Un petit chargeur électrique typique a une capacité de stockage de batterie d’environ 40 kWh (kilowattheures); une excavatrice de taille comparable a environ 20 kWh de stockage. Un ARC EV, qui se vend à environ 60000 $, peut stocker et générer suffisamment d’électricité pour entretenir un chargeur pendant tout un travail de construction, car l’équipement est rechargé à la fin de chaque quart de travail et repris au complet. En fait, les équipes de construction n’ont pas à attendre la fin du quart de travail. Ils peuvent le recharger chaque fois qu’il n’est pas utilisé.

Un chargeur ou une excavatrice tel que décrit qui est branché chaque fois qu’il n’est pas utilisé pendant le quart de travail peut toujours être prêt à travailler avec une charge complète ou à proximité. Trois ARC EV peuvent alimenter deux excavatrices et deux chargeurs. Si plus de capacité est nécessaire, davantage d’ARC EV seraient déployés.

Envision Solar travaille maintenant sur un dispositif de charge sans fil qui élimine le besoin de se brancher sur le chargeur.

Desmond Wheatley est président et chef de la direction d’Envision Solar.

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