ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế chế tạo mô hình dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục
ĐỀ TÀI: Thiết kế chế tạo mô hình dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục
MỤC LỤC
MỤC LỤC.. 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 5
LỜI NÓI ĐẦU.. 6
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU.. 8
1.1. Đặt vấn đề.8
1.1.1. Năng lượng mặt trời dưới góc nhìn khoa học.8
1.1.2. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam.10
1.1.3. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời.14
1.1.4. Lí do chọn đề tài.18
1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.19
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.19
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu.19
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu.20
1.4. Ý nghĩa của đề tài.20
1.4.1. Ý nghĩa khoa học.20
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn.20
CHƯƠNG II. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ.. 21
2.1. Phân tích, lựa chọn dàn pin tự xoay.21
2.1.1. Nguyên tắc xoay.21
2.1.2. Các kết cấu xoay.21
2.2. Máy tham khảo.26
2.3. Khảo sát nhu cầu sử dụng điện tại các hộ gia đình khu vực TP Hải Phòng.29
2.3.1. Sơ lược về vấn đề sử dụng điện tại hộ tiêu thụ. 29
2.3.2. Tính toán công suất sử dụng điện cho hộ gia đình.30
2.4. Xây dựng hệ thống máy mới.31
2.4.1 Sơ đồ động học.31
2.4.2. Nguyên lí hoạt động.31
2.5. Các dạng Pin năng lượng mặt trời.32
2.5.1 Khái niệm.32
2.5.2 Các loại pin mặt trời hiện nay. 33
CHƯƠNG III.THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG DÀN PIN MẶT TRỜI
TỰ XOAY 2 TRỤC.. 40
3.1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục.40
3.2. Các bộ phận cơ bản của một hệ thống điện gió quy mô nhỏ .40
3.2.1. Dàn pin.41
3.2.2. Bộ điều khiển sạc bình ắc quy.41
3.2.3. Bộ phận xả điện.41
3.2.4. Hệ thống bình ắc quy.42
3.2.5. Hệ thống hiển thị.42
3.2.6. Tủ điện 1 chiều.42
3.2.7. Bộ chuyển đổi điện DC ra AC.42
3.2.8. Máy phát điện dự phòng.42
3.2.9. Bảng điện xoay chiều. 42
3.2.10. Hệ thống nối với mạng điện lưới.43
3.3. Bài toán ma trận chuyển vị dàn xoay.43
3.3.1. Giải ma trận chuyển vị góc xoay. 43
3.3.2. Bài toán vị trí kết cấu dàn xoay. 47
3.3.3. Bài toán động học của dàn xoay.49
- 4. Tính toán kết cấu khung dàn.49
3.4.1. Tải trọng tác dụng lên dàn tự xoay.49
3.4.2. Tải trọng gió.50
3.4.3. Áp lực gió, trọng lượng của pin và khung dàn.51
3.4.4. Tính toán khối lượng cho dàn 300W.52
3.5. Tính toán động lực học cơ cấu xoay dàn.58
3.5.1. Mômen xoay dàn pin.58
3.5.2. Tính toán lực đẩy dàn theo hướng Đông Tây.60
3.6. Tính toán cụm dẫn động xoay Bắc Nam.61
3.6.1. Chọn động cơ.61
3.6.2. Phân phối tỷ số truyền.65
3.6.3. Thiết kế bộ truyền trục vít – bánh vít.66
3.6.4. Thiết kế trục.72
3.6.5. Thiết kế gối đỡ trục:88
3.6.6. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc, bôi trơn. 93
3.7. Thiết kế cụm dẫn động xoay Đông Tây.98
3.7.1 Chọn động cơ.98
3.7.2. Tính toán bộ truyền đai răng. 98
3.7.3. Tính toán, thiết kế kết cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi.101
3.8. Thiết kế mạch điều khiển dàn pin tự xoay.105
3.8.1. Mục đích điều khiển.105
3.8.2. Thành phần cơ cấu điều khiển.105
3.8.3. Nguyên lý hoạt động:105
3.8.4. Bản vẽ mạch điều khiển dàn pin.109
3.9. Lựa chọn và tính toán pin.109
3.9.1. Khảo sát tính năng của một số mô đun pin trên thị trường.109
3.9.2. Lựa chọn và bố trí kết cấu dàn pin.112
3.10. Tính toán , so sánh hiệu quả kinh tế.113
CHƯƠNG IV. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG.. 116
4.1. Lựa chọn giá trị kết cấu và thông số dàn pin thực nghiệm.116
4.2. Chế tạo, lắp ráp mô đun cơ khí.117
4.3. Mô đun điều khiển.121
4.4. Vận hành thử nghiệm.. 122
4.4.1. Thử nghiệm độ ổn định.122
4.4.2. Thử nghiệm trong phòng.122
4.4.3. Thử nghiệm ngoài trời123
4.5. Vận hành dàn pin. 123
4.6. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế và vận hành. 124
4.7. Đánh giá hiệu năng và khuyến nghị công suất khởi điểm dàn tự xoay. 124
4.8. Kết luận. 125
CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ126
PHỤ LỤC.. 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - tập I, II
PGS. TS. Trịnh Chất - TS. Lê Văn Uyển
NXB GD, Hà Nội - 2004
[2]. Thiết kế chi tiết máy
Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm
NXBGD, Hà Nội - 2004
[3]. Tự động hoá thiết kế cơ khí
PGS. TS. Trịnh Chất - TS. Trịnh Đồng Tính
NXB KHKT, Hà Nội - 2005
[4]. Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy
Trịnh Chất
NXB KHKT, Hà Nội - 2001
[5]. Dung sai và lắp ghép
PGS. TS. Ninh Đức Tốn
NXB GD, Hà Nội - 2001
[6]. Tập bản vẽ chi tiết máy
Nguyễn Bá Dương - Nguyễn Văn Lẫm - Hoàng Văn Ngọc
Lê Đắc Phong
NXB Đại Học và Trung Học Chuyên Nghiệp, Hà Nội - 1978
[7]. Thiết kế cơ khí với AutoCAD Mechanical (Mechanical Desktop)
TS. Nguyễn Hữu Lộc
NXB TP Hồ Chí Minh - 2003
[9]. Tiêu chuẩn TCVN 2737 - 1995
[10]. Tạp chí, báo cáo khoa học công nghệ ...
Nguồn tham khảo Internet.
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế, xã hội ngày càng tăng mạnh. Năng lượng đang trở thành một vấn đề bức thiết toàn cầu.Nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng. Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới, xanh sạch và có thể tái tạo được,…thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như Anh, Mỹ, Pháp và các quốc gia đang phát triển như Việt Nam …Việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng. Mặt khác,Việt Nam là một quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông và từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, cách đường xích đạo không xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận được rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này.Những năm gần đây, khai thác năng lượng mặt trời đang được nhà nước quan tâm. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và được sự đồng ý của Giáo viên hướng dẫn, nhóm tác giả thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục ” với mong muốn khi đề tài được ứng dụng trong thực tế sẽ tạo ra những thiết bị hữu ích cỡ nhỏ phát điện trong các gia đình. Và làm cơ sở để tạo nên những trạm điện mặt trời trong tương lai.
Nội dung đề tài của nhóm tác giả gồm có 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu.
- Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế.
- Chương 3: Thiết kế hệ dẫn động dàn pin tự xoay hai trục.
- Chương 4: Thực nghiệm chế tạo, đánh giá hệ thống.
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
Đây là một đề tài khá mới và khó đối với nhóm tác giả, tài liệu chuyên khảo về vấn đề này còn rất hạn chế, các tài liệu giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ khí chưa đề cập đến các vấn đề khi tính toán thiết kế. Tuy nhiên trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp được sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Đình Tân và các thầy cô trong khoa Điện - Cơ, đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đến nay đã hoàn thành. Song do hiểu biết về lý thuyết chuyên đề và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi sai sót. Nhóm tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để nhóm tác giả có thể hiểu biết sâu hơn về đề tài này, cũng như hoàn thiện được phương pháp tính toán thiết kế.
Hải Phòng, ngày ... tháng ... năm 2014
Nhóm sinh viên thực hiện:
Vũ Văn Phú
Vũ Công Đàm
Đỗ Mạnh Hùng
Nguyễn Văn Hùng
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề.
1.1.1. Năng lượng mặt trời dưới góc nhìn khoa học.
Thế kỷ 21 được khởi đầu bằng hàng loạt biến động lớn lao, loài người đang đứng trước nhiều vận hội mới và thách thức mới. Năng lượng, một động lực quan trọng trong quá trình phát triển của thế giới, đang nổi lên là một trong những thách thức lớn nhất của thế kỷ 21.
|
Hình 1.1. Nhà máy điện hạt nhân tại Đức |
Hình 1.2.Thảm họa nhà máy điện hạt nhân Fukushima (Nhật Bản) |
Năng lượng là yếu tố quan trọng nhất bảo đảm phát triển kinh tế, nâng cao đời sống nên nước ta đã tập trung xây dựng hàng loạt nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện như: Thác Bà, Hoà Bình, Trị An, Ialy, Uông Bí, Phả Lại, Cao Ngạn, Ninh Bình, Phú Mỹ... Nhưng kể cả khi nhà máy Thuỷ điện Sơn La lớn nhất Đông Nam Á đi vào hoạt động, cũng không thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công nghiệp hoá, hiện đại hoá nước nhà. Chờ đến năm 2020, Việt Nam trở thành nước công nghiệp, nhu cầu năng lượng tăng gấp 4 lần, (năm 2006 sản xuất 60,6 tỷ kWh với công suất 12352 MW, dự kiến năm 2020 là 294,012 tỷ kWh với tổng công suất 48642 MW). Lúc đó dù có thêm nhà máy điện nguyên tử đầu tiên 4000 MW nữa, nước ta vẫn có nguy cơ thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng cho sản xuất, kinh doanh, phát triển kinh tế... (dự kiến thiếu 4000 MW mua của Lào 2000 MW, Campuchia 1000 MW, Trung Quốc 1000 MW). Lúc đó dầu mỏ, than đá bắt đầu cạn kiệt, giá dầu có thể lên đến 150 USD/thùng ( theo Cơ quan Thông tin Năng Lượng Mỹ (EIA). Trong tương lai sẽ vẫn cần những nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như dầu mỏ, khí đốt, nhiên liệu hạt nhân ... để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Tuy nhiên vì những nguồn năng lượng đó là hữu hạn và vì chúng ảnh hưởng xấu đến môi trường nên ngay từ bây giờ một vần đế ngày càng cấp bách đã được đặt ra là nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, cũng như tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là những nguồn năng lượng vô hạn, tái sinh được. Vì vậy ngay từ bây giờ, chúng ta nên đề ra đường lối chiến lược đầu tư lớn khai thác năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió…
|
Hình 1.3. Nhà máy nhiệt điện Belchatow ở Ba Lan. |
Hình 1.4. Nhà máy thủy điện Sơn La
|
Cùng với những nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng mặt trời đang đem đến cho loài người chìa khoá để giải quyết bài toán nan giải về năng lượng. Trên thế giới đã chứng kiến rất nhiều thành công của điện mặt trời. Khác với các hệ thống điện mặt trời cỡ lớn thì hệ thống năng lượng mặt trời cỡ nhỏ là một trong những hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng trong hộ gia đình mang lại hiệu quả kinh tế nhất. Với một hệ thống riêng biệt sẽ giảm được chi phí cao cho đường dây điện dài đến những vùng hẻo lánh, miền núi chưa có điện, giao thông khó khăn, không bị cúp điện và không gây ô nhiễm.
Cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới. Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng dễ lưu trữ, dễ phân phối, truyền tải và tiện dụng nhất. Vấn đề khó khăn đặt ra là giá thành các tấm pin mặt trời thường rất đắt. Do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng.
Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin luôn có xu hướng hứng trọn ánh nắng mặt trời.
Hệ thống xoay tự động là một hệ thống luôn giữ cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng hiệu suất của dàn pin
Mặc dù có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, phép xoay dàn năng lượng đều được phân tách thành hai chuyển động xoay độc lập: xoay theo góc phương vị và xoay theo góc vĩ độ. Nói theo góc độ cơ khí, có thể thực hiện xoay dàn năng lượng quanh 2 trục vuông góc với nhau.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất cao hơn 40% so với dàn cố định . Các dàn xoay quanh 1 trục theo hướng Bắc – Nam, mặc dù có hiệu suất thấp hơn khoảng 10% so với dàn quay 2 trục, nhưng lại có kết cấu đơn giản hơn hẳn. Công suất cần thiết để xoay dàn thường chiếm khoảng 10 đến 30% công suất điện thu được từ dàn pin mặt trời. Điều này cho phép có thể xem xét đầu tư cho bài toán thiết kế, chế tạo các hệ thống dẫn động và điều khiển dàn tự xoay.
1.1.2. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam.
Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam. Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng / ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng/ngày ở các tỉnh miền Bắc. Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ, trong khi ở miền Trung và miền Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm.
Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:
-Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800 - 2100 giờ nắng. Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều.
-Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000 - 2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng.
Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chêng lệch đáng kể về bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc. Trong đó:
vVùng Tây Bắc:
- Nhiều nắng vào các tháng 8. Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10. Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều. Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng/ngày và trung bình trong năm là 3,489 /ngày.
- Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng. Mây phủ và mưa nhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1. Cường độ bức xạ trung bình thấp (< 3,489 kWh// ngày).
vVùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ:
- Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5. Còn ở Bắc Trung bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4.
- Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ khoảng từ tháng 5, ở Bắc Trung Bộ tù tháng 4. Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2. 3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7.
vVùng Trung Bộ:
- Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8 - 10h/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ 5 - 6 h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh//ngày (có ngày đạt 5,815 kWh//ngày).
vVùng phía Nam:
- Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng. Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh//ngày. Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh//ngày trong thời gian 8 tháng/năm.
Dưới đây là một số bảng thống kê dữ liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền và các địa phương ở nước ta.
|
Vùng |
Giờ nắng trong năm |
Cường độ BXMT (kWh/, ngày) |
Ứng dụng |
|
Đông Bắc |
1600 – 1750 |
3,3 – 4,1 |
Trung bình |
|
Tây Bắc |
1750 – 1800 |
4,1 – 4,9 |
Trung bình |
|
Bắc Trung Bộ |
1700 – 2000 |
4,6 – 5,2 |
Tốt |
|
Tây Nguyên và Nam Trung Bộ |
2000 – 2600 |
4,9 – 5,7 |
Rất tốt |
|
Nam Bộ |
2200 – 2500 |
4,3 – 4,9 |
Rất tốt |
|
Trung bình cả nước |
1700 – 2500 |
4,6 |
Tốt |
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta.
|
TT |
Địa phương |
Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm (đơn vị: MJ/.ngày) |
|||||
|
1, 7 |
2, 8 |
3, 9 |
4, 10 |
5, 11 |
6, 12 |
||
|
1 |
Cao Bằng |
8,21 18,81 |
8,72 19,11 |
10,43 17,60 |
12,70 13,57 |
16,81 11,27 |
17,56 9,37 |
|
2 |
Móng Cái |
18,81 17,56 |
19,11 18,23 |
17,60 16,10 |
13,57 15,75 |
11,27 12,91 |
9,37 10,35 |
|
3 |
Sơn La |
11,23 11,23 |
12,65 12,65 |
14,45 14,25 |
16,84 16,84 |
17,89 17,89 |
17,47 17,47 |
|
4 |
Láng (Hà Nội) |
8,76 20,11 |
8,63 18,23 |
9,09 17,22 |
12,44 15,04 |
18,94 12,40 |
19,11 10,66 |
|
5 |
Vinh |
8,88 21,79 |
8,13 16,39 |
9,34 15,92 |
14,50 13,16 |
20,03 10,22 |
19,78 9,01 |
|
6 |
Đà Nẵng |
12,44 22,84 |
14,87 20,78 |
18,02 17,93 |
20,28 14,29 |
22,17 10,43 |
21,04 8,47 |
|
7 |
Cần Thơ |
17,51 16,68 |
20,07 15,29 |
20,95 16,38 |
20,88 15,54 |
16,72 15,25 |
15,00 16,38 |
|
8 |
Đà Lạt |
16,68 18,94 |
15,29 16,51 |
16,38 15,00 |
15,54 14,87 |
15,25 15,75 |
16,38 10,07 |
Bảng 1.2. Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta, (đơn vị:.ngày).
Như vậy lượng tổng xạ nhận được ở mỗi vùng miền cũng khác nhau ở mỗi tháng. Ta nhận thấy rằng các tháng nhận được nhiều nắng hơn là tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Nếu sử dụng bình năng lượng mặt trời vào các tháng này sẽ cho hiệu suất rất cao.
Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/.năm, do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống.
Tuy nhiên, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng 2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản xuất từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009%. Việt Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khai thác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác. Trong trung và dài hạn, nguồn năng lượng lấy từ mặt trời sẽ được quan tâm nhiều hơn cả do những ưu việt về độ ổn định, tính dễ khai thác và cấu trúc đơn giản của hệ thống.
1.1.3. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời.
Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau nhưng có 2 kiểu khai thác chính là cố định và tự xoay.
a) Pin năng lượng cố định:
vChuyển trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng.
Hình 1.5 là xe chạy bằng năng lượng mặt trời do nhóm sinh viên trường Đại Học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM. Xe có thể chở sáu người, tốc độ không quá 40km/h, có hệ thống thu hồi năng lượng khi hãm phanh được tích hợp ngay trên động cơ bánh xe. Xe có thể hoạt động liên tục 1,7 giờ với vận tốc 25 – 35km/h. Trong ngày nắng tốt xe chạy được 30 – 40km mà không cần dùng nguồn điện nạp phụ từ bên ngoài. Tổng chi phí chế tạo xe là 98,6 triệu đồng. Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng.
Hình 1.5. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời
vKhai thác trực tiếp năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng.
Hình 1.6 là máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, khi ánh sang chiếu vào bộ phận thu nhiệt, các ống thủy tinh chân không với tính năng hấp thụ nhiệt cao, tỉ lệ phát xạ thấp sẽ hấp thụ bức xạ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành nhiệt năng. Lượng nhiệt này làm nóng lượng nước có trong các ống thủy tinh chân không. Nhược điểm của máy là phải phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt động khi có ánh nắng mặt trời.
Hình 1.6. Bình nước nóng năng lượng mặt trời
b) Pin năng lượng tự xoay.
Phương pháp sử dụng: chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Đây là một kiểu khai thác năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay. Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
v Dàn pin mặt trời.
Hình 1.7 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha và nhà máy này cung cấp một lượng điện đủ cho 8000 hộ dân. Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc ban đầu.
Hình 1.7. Nhà máy điện năng lượng mặt trời Gemasolar tại Tây Ban Nha
v Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời.
Hình 1.8 là một chiếc du thuyền hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, tổng diện tích của các tấm pin lắp trên thuyền là 356 m2 và có thể tích điện để thuyền vận hành trong 72 giờ mà không cần ánh sáng mặt trời.
Hình 1.8. Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời
Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng, tích trữ trong các bình ắc-quy hoặc hòa vào lưới điện, được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Do đó chủ động trọng việc cung cấp năng lượng. Hiện nay, các nhà chế tạo đã sản xuất ra được các tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng trắng (không có ánh nắng mặt trời vẫn sản xuất được điện năng), không lệ thuộc vào ánh sáng mặt trời.
1.1.4. Lí do chọn đề tài.
Hiện nay đã có nhiều dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng đến nay chưa có một tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí , tự động hóa nào cho các hệ thống này được công bố. Kết cấu, kích thước chế tạo của các dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế và được sự đồng ý của Giáo viên hướng dẫn, nhóm sinh viên chúng tôi thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục ” với mong muốn khi đề tài được ứng dụng trong thực tế sẽ tạo ra những thiết bị hữu ích cỡ nhỏ phát điện trong các gia đình. Và làm cơ sở để tạo nên những trạm điện mặt trời trong tương lai.
Quan tâm đến vấn đề này, có một số vấn đề cần được giải quyết như:
- Các công thức tổng quát tính toán công suất cần thiết để xoay dàn, tốc độ xoay dàn, tỉ số truyền?
- Cách đánh giá về giá thành đầu tư và hiệu quả năng lượng của dàn tự xoay so với dàn cố định?
Đề tài này được thực hiện nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên đồng thời ứng dụng các công thức để thiết kế một hệ thống dàn tự xoay công suất trên 300 W theo hướng tia sáng. Kết quả tính toán và mô hình thử nghiệm này có thể được dùng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.
Hình 1.9. Dàn pin mặt trời tự xoay theo hướng mặt trời.
Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán dàn năng lượng mặt trời tự xoay, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm trên mô hình dàn thực có công suất trên 40 W.
Các mục tiêu cụ thể là:
- Phát triển các công thức lý thuyết để tính toán các thông số chế tạo cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí;
- Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay. Từ đó đưa ra các khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay;
- Áp dụng các công thức để thử nghiệm chế tạo mô hình dàn tự xoay có công suất trên 40W.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu.
- Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay;
- Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo góc điều khiển.
- Mô hình thực tế.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu.
a) Nghiên cứu lý thuyết:
Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán về sức bền, chi tiết máy, bài toán vị trí, động học, động lực học…để thiết lập công thức tính toán chung cho hệ dẫn động của hệ thống dàn xoay.
b) Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt Nam theo các mùa.
+ Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả dàn pin tự xoay so với dàn cố định.
+ Chế tạo mô hình thực nghiệm cho dàn tự xoay.
1.4. Ý nghĩa của đề tài.
1.4.1. Ý nghĩa khoa học.
- Xây dựng cơ sở khoa học về việc chế tạo dàn năng lượng tự xoay.
- Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng dàn năng lượng tự xoay vào sinh hoạt nói riêng cũng như góp phần cải thiện môi trường, đẩy mạnh nguồn tài nguyên mới nói chung.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn.
- Việc sử dụng thiết bị năng lượng mặt trời vào sinh hoạt hàng ngày có ý nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
- Mở một hướng đi mới trong công cuộc khai thác các tài nguyên thiên nhiên sẵn có để phục vụ con người.
CHƯƠNG II. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
2.1.Phân tích, lựa chọn dàn pin tự xoay.
2.1.1. Nguyên tắc xoay.
Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó. Năng lượng hấp thụ giảm dần theo cosin của góc phương vị , hình 2.1 thể hiện vấn đề đó.
Hình 2.1. Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến
mặt phẳng nằm ngang.
Nguyên tắc xoay của dàn pin là luôn luôn hướng dàn pin vào mặt trời sao cho góc được tạo bởi giữa phương của tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới trên hình vẽ) là nhỏ nhất. Dựa vào nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế các kiểu dàn tự xoay.
............................
Hình 4.6. Mô hình dàn pin tự xoay 2 trục công suất 40W hoàn chỉnh.
Hình 4.7. Dàn pin ở các tư thế khác.
4.1. Mô đun điều khiển.
Mạch điều khiển là phần quan trọng của dàn pin, sơ đồ mạch được thiết kế dựa trên phần mềm khi đã biết nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Hình 4.8. Bản vẽ mạch điều khiển dàn pin công suất 40W
4.2. Vận hành thử nghiệm
4.2.1. Thử nghiệm độ ổn định.
Khi vận hành bằng tay, dàn pin hoạt động bình thường, ổn định, bộ truyền động hoạt động êm, mức độ rung động rất nhỏ.
Khi thử nghiệm ở chế độ tự động, kết quả cho thấy, dàn hoạt động bình thường, sử dụng bóng đèn sợi đốt 60W để làm nguồn sáng và khi đặt ở ngoài trời.
4.2.2. Thử nghiệm trong phòng.
Mô hình được thử nghiệm trong phòng vào ban ngày. Điều kiện thử nghiệm nhiệt độ trong phòng khoảng 260C, không có gió, có ánh sáng bóng đèn huỳnh quang. Sử dụng bóng đèn sợi đốt có công suất 60W để thay thế cho ánh sáng mặt trời, khoảng cách tối đa để các cảm biến nhận được tín hiệu vào khoảng 0,6m, vận tốc di chuyển bóng đèn khoảng 1 vòng/phút . Với các điều kiện thử nghiệm trên, dàn hoạt động bình thường, êm, dàn quay không ồn, các công tắc hành tình làm việc tốt.
4.4.3.Thử nghiệm ngoài trời
Khi đặt dàn pin ngoài trời, do cường độ ánh sáng mặt trời lớn hơn rất nhiều so với cường độ ánh sáng của bóng đèn 60W. Vì vậy, phải điều chỉnh tín hiệu thu được của các cảm biến về mức thấp nhất. Nếu không điều chỉnh, hai cảm biến đều nhận tính hiệu (mức 1).
Thời điểm thử nghiệm là 13 giờ chiều, địa điểm thử nghiệm tại nhà riêng ở xóm Trại – xã Trung Hà – Huyện Thủy Nguyên – TP Hải Phòng. Điều kiện thử nghiệm là trời quang nắng, nhiệt độ ngoài trời là 320C. Qúa trình thử nghiệm cho kết quả dàn hoạt động ổn định, truyền động vít me rất êm, cảm biến nhận tín hiệu tốt, bộ điều khiển hoạt động bình thường.
Hình 4.9. Thử nghiệm dàn pin ngoài trời, ánh sáng yếu, nhiều mây.
4.5. Vận hành dàn pin
Để dàn pin hoạt động ổn định, cách vận hành được thực hiện theo trình tự các như sau:
- Kiểm tra tất cả các thiết bị, khung dàn đều ở trạng thái bình thường.
- Cấp nguồn 24 VDC cho động cơ và mạch điều khiển.
- Bật công tắc để cấp nguồn cho mạch điều khiển và động cơ. Khi thấy đèn báo hiệu có điện (bóng đèn báo hiệu có màu đỏ), khi đó bộ điều khiển đã cấp nguồn.
- Bật nút điều khiển để dàn hoạt động.
- Phải quan sát dàn trong khoảng thời gian hoạt động ban đầu để kiểm tra độ ổn định.
- Nếu dàn không hoạt động thì phải gọi người có chuyên môn đến khắc phục và sửa chữa.
4.6. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế và vận hành
- Dàn pin đã được vận hành thử nghiệm ở cả chế độ điều khiển bằng tay lẫn tự động, trong điều kiện ánh sáng môi trường ở trong phòng và điều kiện ngoài trời.
- Khi tính toán thiết kế các vị trí, khoảng cách cho cơ cấu xoay, cần chú ý điều kiện thực tế miền với và độ ổn định về sức bền của bộ Vít me bi.
- Bộ điều khiển dễ bị hỏng khi đặt trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, có nhiệt độ cao. Nên có hộp che chắn, nếu có thể, đặt bộ điều khiển trong phòng có điều hòa nhiệt độ.
- Khi xoay dàn động cơ có thể bị nắng hoặc nước mưa thấm vào, vì vậy cần phải có biện pháp cách nhiệt và che chắn tốt.
- Ổ lăn phải được bôi trơn định kì.
- Toàn bộ dàn pin được sơn phủ hoặc mạ kẽm để chống rỉ.
- Các vị trí có ứng suất lớn, cần gia cố thêm các ke tăng lực.
- Các mối hàn, mối ghép ren,… phải đạt tiêu chuẩn.
4.7. Đánh giá hiệu năng và khuyến nghị công suất khởi điểm dàn tự xoay
Dựa vào quá trình chạy thử nghiệm, nhóm tác giả có một số nhận xét như sau:
- Khối lượng dàn càng tăng thì công suất tiêu thụ của động cơ điện càng lớn;
- Công suất hoạt động bình ổn của động cơ điện 24V chỉ dao động trong khoảng 19W đến 30W. So với công suất phát điện của dàn (từ 110W đến 176W, ứng với các khối lượng dàn từ 11,5kg đến 20 kg), rõ ràng công suất tiêu thụ cho phần xoay dàn chỉ chiểm một tỉ lệ rất nhỏ (từ 16% đến 17,3%). Như vậy, với các dàn có công suất trên 100W (như số liệu thực nghiệm của đề tài), dàn tự xoay hoàn toàn có khả năng tự cung cấp năng lượng để xoay dàn.
- Tuy nhiên, việc quyết định có đầu tư triển khai dàn tự xoay hay không còn phải quan tâm đến khía cạnh hiệu quả kinh tế. Dàn tự xoay đòi hỏi phải có phần chi phí cho việc chế tạo, mua sắm động cơ, trục , ổ lăn, vít me ... Giá trị kinh tế thu được từ chênh lệch năng lượng điện có được do dàn xoay mang lại so với dàn cố định sau khoảng thời gian thu hồi vốn phải bù lại được cho chi phí nói trên. Lời giải cho vấn đề này cần có các đầu tư nghiên cứu tiếp theo.
4.8. Kết luận
Chương này đã trình bày cách xác định các thông số kết cấu, chọn công suất động cơ động và chế tạo dàn tự xoay 40W. Kết quả vận hành thử nghiệm hoạt động của dàn cho thấy, hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện ánh sáng khác nhau. Mô hình đã thiết kế có thể dùng để tham khảo cho các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay có công suất khác, đồng thời đưa ra khuyến nghị mức khởi điểm cho việc đầu tư dàn tự xoay trong thực tế.
CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau 15 tuần nghiên cứu thực tế và tham khảo tài liệu cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Đình Tân, nhóm chúngtác giả đã hoàn thành đề tài được giao.
Phần lý thuyết, nhóm tác giả đã khái quát được tiềm năng năng lượng mặt trời, các phương án sử dụng năng lượng năng lượng mặt trời và cơ sở lý thuyết động lực học, chuyển vị góc xoayđể xây dựng kết cấu, nghiên cứu phương pháp điều khiển theo hướng ánh sáng.
Phần khảo sát, nhóm tác giả đã tìm hiểu và giới thiệu các phương án khác nhau về thiết kế cụm dẫn động chính của dàn pin tự xoay, qua đó đưa ra phương án thích hợp đối với dàn tự xoay cần thiết kế, chế tạo.
Phần thiết kế, chế tạo, nhóm tác giả trình bày quy trình tính toán thiết kế hai cụm dẫn động xoay chính Đông Tây và Bắc Nam, lựa chọn mô đun pin phù hợp, thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp từ đó xây dựng quy trình chế tạo dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục công suất 40W.
Dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay 2 trục do nhóm tác giả thiết kế, chế tạo là loại dàn tự xoay cỡ nhỏ, nó có nhiều ưu điểm như: kết cấu tinh gọn, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành chế tạo thấp, dải chịu nhiệt và thu nhận tín hiệu ánh sáng là khá phù hợp không chỉ tại địa điểm khảo sát mà còn phù hợp với nhiều vùng, miền khác nên dàn tự xoay này rất có khả năng phổ biến, có thể chế tạo hàng loạt với số lượng lớn để đem ra phục vụ nhu cầu của thị trường hiện nay. Nhược điểm của dàn tự xoay này là chưa khắc phục được thời gian hệ thống dừng hoạt động theo thời gian thực, chi phí bảo trì cũng khá lớn.
Tuy nhiên, với thời gian 15 tuần không phải là thời gian đủ để nghiên cứu tường tận mọi vấn đề của đề tài này và kiến thức chuyên ngành có hạn nên chắc chắn sẽ không tráng khỏi những sai sót. Vì vậy rất mong nhận sự góp ý của quí thầy cô và các bạn để nhóm tác giả có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn.
