TOM TAT ROBOT VE SINH TAM PIN NANG LUONG MAT TROI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

🕯✡🕮🕮✡🕯

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT

VỆ SINH TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: Ths Lê Thanh Tùng

SVTH: MSSV

Phạm Nhật Minh 18146174 Bạch Quang Phước 18146192 Trần Anh Vũ 18146259

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt đồng thời năng lượng do nguồn nhiên liệu này sinh ra tác nhân tác động trực tiếp đến môi trường tự nhiên, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, Trong đó, Ngành công nghiệp Năng Lượng Mặt Trời đang là xu hướng phát triển ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Công nghệ khai thác nguồn năng lượng này ngày càng đa dạng và dần trở thành nguồn năng lượng hàng ngày trong cuộc sống

Mục tiêu đề tài của nhóm hướng đến việc thiết kế và chế tạo robot có khả năng vệ sinh những tấm pin quang điện Robot vệ sinh bề mặt các tấm pin theo trình tự có giám sát, hạn chế sự tham gia của con người vào quá trình vệ sinh Đồng thời, nhóm nhận thấy những rủi ro, nguy hiểm và tốn nhân công khi vệ sinh hệ thống tấm pin năng lượng, kèm với đó là năng suất sau quá trình vệ sinh không đạt mong đợi Hiện nay, một số nhà đầu tư không chỉ quan tâm đến sản lượng mà còn quan tâm đến chất lượng của hệ thống pin quang điện, và nhu cầu

vệ sinh hệ thống pin quang điện là một trong những nhu cầu được nhà đầu tư quan tâm Từ nhu cầu thực tế, chúng em quyết định thực hiện luận văn tốt nghiệp

với đề tài “Thiết kế và chế tạo robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời”

Trong quá trình thực hiện Đồ án, ngoài sự nổ lực của từng thành viên trong nhóm là sự hỗ trợ, giúp đỡ vô cùng nhiệt tình của các thầy/cô để chúng em hoàn thành tốt khóa luận này Tuy nhiên do kiến thức và khả năng còn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm của các thầy/cô và các bạn sinh viên

o Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời

o Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Thông số kỹ thuật ban đầu của robot: Tốc độ đạt 0.2 m/s; di chuyển trên bề mặt nghiên ≤ 200, tổng trọng lượng ≤ 35 kg

o Nội dung chính của đồ án:

Tìm hiểu thông tin tình hình năng lượng xanh hiện nay nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng

Phân tích các phương án thiết kế robot từ những robot hiện tại trên thế giới Tính toán, thiết kế cơ khí

Thiết kế bộ điều khiển và phân tích thuật toán

Tiến hành thu thập thông tin thực tế từ công ty Tona Syntegra Solar

o Các sản phẩm dự kiến

Mô hình robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời

PHẦN MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài này hướng đến nhu cầu cải thiện công suất của hệ thống pin mặt trời bằng cách giải quyết vấn đề bám bẩn và tích tụ bụi trên bề mặt của tấm pin dẫn đến giảm hiệu suất năng lượng của tổng thể hệ thống Các hệ thống pin năng lượng thường được thiết kế đảm bảo độ bền kết cấu, cùng với đó là vị trí lắp đặt phải đảm bảo nhận được tối đa nguồn bức xạ để tạo năng lượng tốt nhất

1 2 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

Quá trình thực hiện đề tài là cơ hội để ứng dụng những kiến thức, kỹ năng

đã được học để giải quyết các vấn đề và các yêu cầu đặt ra Nhiệm vụ của đề tài

là thiết kế được một thiết bị công nghệ giải quyết được yêu cầu vệ sinh của các tấm pin mặt trời Thông số kỹ thuật đặt ra: tốc độ tối đa 0.2 m/s, di chuyển trên

bề mặt nghiêng ≈ 20°, khối lượng ≤ 35kg

1 3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu tình hình điện mặt trời và robot vệ sinh pin mặt trời

- Tính toán thiết kế, tính toán cơ cấu chuyển động và vệ sinh của robot

- Chọn động cơ và tính toán thiết kế bộ điều khiển

- Kiểm nghiệm và so sánh với những robot thực tế

Robot so sánh với robot vệ sinh cho hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời thực tế tại các dự án của Công ty Tona Syntega Solar

1 5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sau khi tìm hiểu, tham khảo các robot vệ sinh hiện có trên thị trường dựa trên yêu cầu thực tế, mục tiêu ban đầu Quy trình thực hiện đề tài như sau:

- Lựa chọn một hệ thống truyền động tối ưu Xác định các khả năng khác nhau trong việc làm sạch tấm pin mặt trời

- Sử dụng phần mềm để thiết kế, mô hình hoá và tính toán kích thước các

bộ phận Tham khảo ý kiến của GVHD dựa trên các phương án được lựa chọn, sau đó tối ưu hóa mô hình để đạt được mục tiêu ban đầu

- Thiết kế sơ đồ điện sơ bộ cho hệ thống

- Viết chương trình điều khiển cơ bản cho robot hoạt động

- Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc silic

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng và có cấu trúc đa tinh thể

Tuy nhiên, ngày này người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si)

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG PIN MẶT TRỜI

Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

1.3 CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HIỆN NAY

Năm 2020, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về Cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam (ngày 06 tháng 4 năm 2020), trong đó chủ yếu tập trung vào việc quy định biểu giá điện FIT cho dự án điện mặt trời mặt đất (7,09 UScent/ kWh (tương đương 1.644 VND)), điện mặt trời nổi (7.69 US cent (tương đương 1.783 VND)) và hệ thống điện mặt trời mái nhà (8.38 UScent/ kWh (tương đương 1.943 VND)) Ngoài ra, Thông tư 18/2020/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu cho dự án điện mặt trời (ngày 17 tháng 7 năm 2020) không chỉ sửa đổi khung luật định hợp đồng mua bán điện (PPA) đối với dự án điện mặt trời mà còn có các điều khoản để kích thích đầu tư vào dự án điện mặt trời được nối lưới Điều này dẫn đến một làn

sóng đầu tư mới vào các dự án điện mặt trời, công suất lắp đặt vượt quá kỳ vọng: đến hết năm 2020, các dự án điện mặt trời nối lưới đạt tổng công suất lắp đặt

gần 9.000 MWp (Trích theo “Sổ tay Quản lý rủi ro về Kỹ thuật và Vận hành

của các dự án điện mặt trời mặt đất tại Việt Nam”)

CHƯƠNG 2: NHỮNG RỦI RO CỦA HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 NHẬN DẠNG RỦI RO

Các dự án điện mặt trời phân bố đều ở khắp các tỉnh thành trong cả nước, thế nên tùy vào môi trường và quy mô cũng như thiết kế để xác định rủi ro Dù vậy, nhóm tìm hiểu và phân loại các loại hình rủi ro sau:

- Kỹ thuật: chất lượng tấm quang điện, kết cấu hệ thống, việc lắp đặt hệ thống, sản lượng năng lượng ,

- Tài chính: thường được các nhà đầu tư và đơn vị thi công quan tâm

- Vận hành: gồm nhiều yếu tố như kỹ thuật, nhân công, an toàn lao động,

2.2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO

Sau khi xác định rủi ro, điều quan trọng là phân tích và đánh giá mức độ của rủi ro đối với từng dự án bao gồm cả nguyên nhân/ yếu tố phát sinh, mức độ ảnh hướng, thời gian bảo trì, chi phí liên quan,

CHƯƠNG 3:VẤN ĐỀ VỆ SINH TẤM PIN VÀ GIẢI PHÁP 3.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ VẤN ĐỀ VỆ SINH

Vấn đề bám bẩn trên bề mặt tấm pin gây ảnh hưởng trong quá trình tính toán và đánh giá sản lượng điện năng do hệ pin mặt trời tạo ra Yếu tố bám bẩn gây tổn thất sản lượng một phần do nhà thiết kế và chủ đầu tư không quan tâm đến các vấn đề môi trường, điều kiện khí hậu tại địa phương nơi dự kiến khởi công dự án dẫn đến tổn thất về sản lượng cao hơn so với dự kiến

Như vậy, trong quá trình vận hành, nhà đầu tư hay nhóm vận hành cần quan sát trực quan theo từng dự án Điển hình ở các khu vực phía Nam có mùa khô và mùa mưa rõ rệt khiến cho những tháng mùa khô vấn đề bám bẩn sẽ ảnh hưởng lớn đến sản lượng

Tiếp theo, vấn đề vệ sinh định kì hệ thống pin mặt trời cần vệ sinh định

kì và có phương pháp vệ sinh cụ thể nhằm giảm thiểu tổn hao do vấn đề bám bẩn

3.2 MỨC ĐỘ TỔN THẤT VÀ BÁM BẨN

Thứ tự phổ biến về mức độ tổn thất do bám bẩn có thể được ước tính từ 3-8% diện tích bề mặt pin nhưng có thể lên tới 30-40% đối với những nơi chịu ảnh hưởng bởi gió, cát và khí hậu Nếu thiệt hại nhẹ thì sản lượng điện tạo ra giảm gây tổn thất về kinh tế cho vấn đề kinh doanh điện năng đối với những chủ đầu tư có nhu cầu bán điện cho Tổng Cục Điện Lực Việt Nam (EVN) Nhưng nếu thiệt hại do bám bẩn nặng dẫn đến các lớp bụi được bám cứng như phân chim để lâu ngày, lên rêu, rất khó để làm sạch sẽ là một tổn thất lớn không chỉ

về sản lượng mà còn về chi phí để vệ sinh, thời gian vệ sinh

Những ngày mưa là một vấn đề hai mặt vì lượng mưa vừa đủ và không chịu ảnh hưởng bởi không khí sẽ có khả năng làm sạch bề mặt, nhưng lượng mưa thường không đủ và luôn hòa trong không khí những cặn bẩn nhỏ tích tụ

sẽ thành những mảng bám khó vệ sinh Ngoài ra, một số loại cát, bụi mịn và phân chim bám trên tấm pin, cho dù lượng mưa nhiều vẫn rất khó để làm sạch

bề mặt

3.3 GIẢI PHÁP VỆ SINH

Vệ sinh là một trong những hoạt động cần thiết trong cuộc sống hàng ngày của con người nói chung và làm sạch các tấm pin nói riêng, làm sạch để làm cho các thiết bị hoạt động tốt hơn và vẻ bề ngoài trở nên gần như mới Tuy nhiên việc vệ sinh các tấm pin mặt trời không phải lúc nào cũng đơn giản Do

có các tấm pin được đặt ở những nơi cao và khó tiếp cận, nên có thể khó làm sạch chúng bằng tay và cần có thời gian để làm điều đó một cách an toàn Thứ hai, làm sạch bảng chỉ một lần một năm có thể không có tác động đáng kể đến năng suất năng lượng hàng năm vì lý do đơn giản là bụi bẩn tích tụ lại trong một khoảng thời gian ngắn làm cho sự khác biệt không đáng kể TVì vậy mục đích của báo cáo này là phát triển robot làm sạch để phục vụ làm sạch bảng năng lượng mặt trời, quá trình robot làm sạch này có thể trở nên chính xác và nhanh chóng hơn, do đó làm tăng sản lượng điện của nhà máy cũng như các hộ dân sử dụng pin mặt trời

Các bước làm sạch thủ công cho bề mặt tấm pin như sau:

Bước 1: Làm sạch sơ bộ trên tấm bin, các lớp cát bề mặt và phân chim

được đánh sơ cho bề mặt hết vết bẩn bám cứng Dùng chổi hoặc các dụng cụ máy chổi quét để làm

Bước 2: Dùng khăn mềm ướt hoặc nước lau qua để giảm lớp bụi cũng

như nước có thể rửa trôi lớp bụi, hoặc có thể dùng hoá chất để làm mềm bụi, loại phân chim (nếu có)

Bước 3: Dùng cần gạt bằng lớp cao su gạt cho sạch nước và bụi bẩn còn

sót lại trên bề mặt, những vệt nước còn sót lại ngoài rìa hoặc khung dùng khăn mềm khô lau cho sạch

3.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở NƯỚC NGOÀI

Nhiều nước trên thế giới hiện nay đang phát triển robot rất mạnh mẽ ở nhiều ngành công nghiệp trong đó có công nghiệp làm sạch pin mặt trời

Những robot hiện nay đã được nghiên cứu và phát triễn như Solar brush UAV Robot, Robot GEKKO Solar, Robot HyCLEANER,

3.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở TRONG NƯỚC

Với thị trường thế giới đang ngày càng phát triển các công cụ và robot làm sạch, do đó các công ty trong nước cũng bắt đầu nghiên cứu các giải pháp làm sạch cho tấm pin, nhưng mức độ nghiên cứu robot trong nước chưa nhiều

và phổ biến Các công ty chỉ phân phối các con robot của nước ngoài về để bán cũng như làm sạch trong dịch vụ Công ty VUPHONG SOLAR và Chí Thành Telecom chế tạo thành công robot làm sạch tấm pin và đưa vào áp dụng làm sạch trong công nghiệp và là những công ty đi đầu trong dịch vụ vệ sinh hệ thống tấm pin năng lượng

3.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH ĐƯỢC THỰC HIỆN

− Phương pháp cơ học;

− Dùng thiết bị máy móc để làm sạch;

− Loại bỏ bụi bằng cách sử dụng phim Nano;

− Loại bỏ bụi bằng phương pháp tĩnh điện;

PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT VỆ SINH

TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

Do thiết bị đi trên mặt phẳng không có địa hình phức tạp, cần độ ma sát lớn, vận tốc chạy không cần quá nhanh, điều khiển và cơ cấu không quá phức tạp, đồng thời đảm bảo khả năng vệ sinh bề mặt tốt nhất

Ngoài ra, khi thiết kế mô hình cần tiết kiệm chi phí những vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Vậy phương án di chuyển tự do bằng bánh đai và chổi lau được đặt nằm ngang theo hướng di chuyển của robot là phương án tốt nhất đảm bảo tính linh hoạt và khả năng phát triển từ lý thuyết ra thực tế cao

1.2 PHÂN TÍCH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÁNH ĐAI

Robot chạy bằng bánh đai phức tạp hơn các loại robot khác ở bộ phận đai

và cố định bánh đai Có thể tăng tốc tức thời mà không bị trượt bánh Thường các loại đai có sẵn trên thị trường nhiều nhưng khi việc chế tạo robot phải phù hợp với từng loại đai khác nhau nên khó khăn trong việc mua đai Vật liệu làm đai dẻo nên uốn dễ dàng Bộ phận dây đai khi di chuyển luôn đòi hỏi dây đai phải có độ căng, độ bám vào bánh đai nếu không sẽ bị rời khỏi bánh đai Đối với bánh độc lập thì điều này không xảy ra Nhờ có cấu tạo bằng đai nên khi chạy robot không có hiện tượng trượt trơn Khả năng bám bề mặt tốt do ma sát bám bề mặt lớn

1.3 PHÂN TÍCH CHỌN DÂY ĐAI

Đai có rất nhiều loại đai khác nhau dùng để dẫn động như đai dẹt, đai thang, đai chêm và đai răng nhưng trong số đó để dẫn động và dẫn hướng di chuyển thì nên dùng đai răng

- Đai răng: Do có các răng trên đai bám ăn khớp vào các bánh răng tạo

ra ma sát khá lớn, nên không bị trượt khi truyền động di chuyển, lực căng đai không phải quá lớn để tạo ma sát cho bánh dẫn Để đai không bị trượt khỏi bánh khi quay ta thiết kế tạo một đường ở giữa đai nhô lên

- Đai thang: Dây đai dày nên cần lực căng lớn bề mặt nhỏ, ma sát không

lớn nên khi truyền động dễ bị trơn trượt

- Đai dẹt: Dùng cho truyền động có kết cấu chặt chẽ, đường truyền nhanh

Ma sát nhỏ truyền động dễ xảy ra hiện tượng trượt, ngay cả khi robot xoay

Để dễ dàng sử dụng cũng như hiệu quả khi làm việc ta nên chọn đai răng,

kèm với thiết kế có đường lồi ở giữa do đó khi ăn khớp không bị trơn trượt và

quay xe không bị lệch dây đai, phổ biến trên thị trường, do có các răng nên việc

trượt giữa đai và bánh đai không xảy ra, lực căng không lớn, đai mềm

1.4 PHÂN TÍCH - CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO BÁNH XE

1.4.1 Truyền động không thông qua bộ truyền ngoài

Là truyền động từ động cơ có hộp giảm tốc truyền trực tiếp vào tải

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản khi gắn vào động cơ không cần truyền động

Có thể tối ưu công suất ít hao phí

Nhược điểm: Quá tải dễ nhanh hỏng động cơ Chọn thông số vòng quay

theo các hộp số đi kèm với đông cơ Gắn trực tiếp trục vào bánh xe nguy cơ

hỏng trục khó thay thế

1.4.2 Truyền động bằng đai

Hình 1 1 Truyền động đai

Là truyền động từ động cơ qua bánh xe thông qua bộ truyền đai Bộ truyền

đai thường dùng truyền tải trọng từ nhỏ đến trung bình Tải trọng cực đại có thể

đến 50 kW Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc nhỏ đến trung bình, vận tốc

thường dùng không nên quá 20 m/s, vận tốc lớn nhất có thể đạt là 30 m/s

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản giá thành rẻ Do quá trình trượt giữa dây đai

và bánh đai nên khi quá tải đột ngột cũng không gây ra hư hỏng cho các chi tiết