Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 60.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHẠM VIỆT HÙNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

TS ĐINH VƯƠNG HÙNG

HUẾ - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các

số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Quốc Huy

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế đã truyền đạt kiến thức cho

tôi trong suốt khóa học

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt Hùng, người đã luôn theo sát bên tôi, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi cả về

kiến thức, vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình để tôi có thể hoàn thành luận văn

tốt nghiệp của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí – Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Huế, tháng 30 tháng 5 năm 2016

Học viên

Nguyễn Quốc Huy

TÓM TẮT

Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay theo hướng nắng, hoạt động hiệu quả với hiệu suất thu và giữ nhiệt của bếp được cải

thiện đáng kể Cụ thể:

Thứ nhất đã phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu tại khu vực để làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo

Thứ hai, đã thiết kế và chế tạo một mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp các ưu điểm của bếp parabol và bếp hộp truyền thống

Thứ ba, tính toán và thiết kế được bộ điều khiển với hai phương án hoạt động theo nguyên lý hẹn giờ và sử dụng cảm biến Trong đó, phương án hẹn giờ sử dụng rơ

le thời gian kết hợp với một động cơ điện 1 chiều với công suất 0,05 KW và số vòng

quay 96v/ph điều khiển bếp quay một góc 10˚ sau mỗi khoảng thời gian 30 phút

Phương án điều khiển bằng cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo

mạch Arduino và động cơ bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời Trên cơ sở

phân tích ưu nhược điểm của hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế

tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn giờ

Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động cơ khí, đó là sử dụng bộ truyền động

2 Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của bếp hộp cải tiến và hiệu quả của bếp ở hai trường hợp bếp tĩnh và bếp động Kết quả chỉ ra

rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt của bếp động cao hơn bếp tĩnh là 13%

Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động,

sẽ làm cơ sở khoa học cho sự phát triển của việc nghiên cứu các ứng dụng khai thác

năng lượng mặt trời

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 9

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 10

2.1 Mục tiêu chung 10

2.2 Mục tiêu cụ thể 10

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 12

1.1.2 Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời 16

1.1.3 Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 16

1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời 22

1.1.5 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị - Các định luật cơ bản về bức xạ 25

1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 28

1.2.1 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới 28

1.2.2 Nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu 29

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 31

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 31

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.3.1 Phương pháp phỏng vấn chuyên gia 31

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 31

2.3.3 Phương pháp tính toán, thiết kế 32

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 33

3.2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 36

3.2.1 Lựa chọn nguyên lý làm việc 36

3.2.2 Tính toán thiết kế bếp 38

3.3 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP 41

3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42

3.4.1 Mục đích và yêu cầu 42

3.4.2 Lựa chọn phương án điều khiển 42

3.5 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 49

3.6 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49

3.6.1 Bộ truyền đai 49

3.6.2 Bộ truyền xích 42

3.6.3 Bộ truyền trục vít 51

3.6.4 Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp 52

3.7 KHẢO NGHIỆM 53

3.7.1 Khảo nghiệm khả năng hoạt động của bếp hộp 53

3.7.2 Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả của bếp trước và sau khi lắp bảng điều khiển 56

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

4.1 KẾT LUẬN 59

4.2 KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Đặc trưng cơ chế nhiệt độ tại Thừa Thiên Huế 34

Bảng 3.2 Vài đặc trưng của độ ẩm – mây – nắng 35

Bảng 3.3 Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu 54

Bảng 3.4 Bảng biến thiên nhiệt độ của bếp tĩnh và bếp động trong hai ngày khảo nghiệm 56

Bảng 3.5 Bảng giá thành thiết bị 58

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời 12

Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời 13

Hình 1.3 Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng 15

Hình 1.4 Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời 17

Hình 1.5 Xe điện năng lượng mặt trời 18

Hình 1.6 Thiết bị vô trùng nước năng lượng mặt trời 18

Hình 1.7 Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro 19

Hình 1.8 Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời 19

Hình 1.9 Mẫu máy nay năng lượng mặt trời 20

Hình 1.10 Đèn giao thông năng lượng mặt trời 20

Hình 1.11 Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella 21

Hình 1.12 Sạc pin bằng năng lượng mặt trời 21

Hình 1.13 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới 23

Hình 1.14 Số giờ nắng trung bình mỗi tháng và trong năm 2002-2003 tại Việt Nam 24 Hình 1.15 Hàm số phân bố E0λ theo λ và T 25

Hình 1.16 Định luật dịch chuyển Wien 26

Hình 1.17 Hiệu ứng lồng kính 28

Hình 3.1 Đồ thị so sánh nhiệt độ trong các tháng của Huế 33

Hình 3.2 Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp năng lượng mặt trời 37

Hình 3.3 Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp năng lượng mặt trời 38

Hình 3.4 Hình 3D bếp hộp năng lượng mặt trời 38

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mặt thu nhiệt và thời gian 40

Hình 3.6 Bếp hộp năng lượng mặt trời hình hộp 41

Hình 3.7 Áp to mát 1 pha 35

Hình 3.8 Máy biến áp 43

Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo máy biến áp 43

Hình 3.10 Rơ le trung gian 44

Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian 44

Hình 3.12 Rơ le thời gian 45

Hình 3.13 Sơ đồ nối dây của rơ le thời gian 45

Hình 3.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng với 4 điốt 46

Hình 3.15 Sơ đồ mạch cơ bản 47

Hình 3.16 Sơ đồ mạch bán kỳ dương 47

Hình 3.17 Sơ đồ mạch bán kỳ âm 48

Hình 3.18 Bảng hệ thống điều khiển tự động 48

Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện của bảng điều khiển 49

Hình 3.20 Bộ truyền đai 50

Hình 3.21 Bộ truyền xích 50

Hình 3.22 Bộ truyền trục vít 51

Hình 3.23 Đồ thị biến thiên nhiệt độ của bếp 54

Hình 3.24 Khảo nghiệm bếp 55

Hình 3.25 Cơm sau khi nấu 55

Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình của bếp tĩnh và bếp động 57

Hình 3.27 Khảo nghiệm bếp động 57

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong đó, nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ,

khí thiên nhiên… đóng vai trò chủ chốt hiện nay Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng

nguồn năng lượng truyền thống này quá mức đã và đang gây ô nhiễm môi trường

nghiêm trọng Đồng thời, với một trữ lượng có hạn, nguồn năng lượng truyền thống có

khả năng dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm nữa đang khiến cho nhân loại đứng trước

nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng Vì vậy, các nguồn năng lượng tái tạo như

năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển,

năng lượng địa nhiệt… đang là những nguồn năng lượng triển vọng, được coi là nguồn

năng lượng của tương lai, sẽ đáp ứng tốt các nhu cầu về năng lượng, tiết kiệm điện

năng và góp phần bảo vệ môi trường

Trong số những nguồn năng lượng tái tạo nêu trên, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có trữ lượng lớn và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu

hiện nay Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng chính dần

thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã

hội là chiến lược phát triển năng lượng có ý nghĩa cao về mặt kinh tế xã hội, an ninh

quốc phòng

Hơn thế nữa, Việt Nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến, tổng

số giờ nắng trong năm lớn Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng/năm và

với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m2 Vì thế, việc triển khai ứng dụng các thiết

bị sử dụng năng lượng mặt trời là rất triển vọng Năng lượng mặt trời được coi là một

giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày

Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay còn rất hạn chế do nhiều

nguyên nhân như công nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu quá cao… Đặc biệt,

hiệu suất của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ các nhu cầu dân sinh

hiện nay còn rất thấp Các thiết bị này chỉ tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, các hệ

thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập Hiệu suất của các loại thiết bị sử dụng bằng năng

lượng mặt trời nói chung và bếp năng lượng mặt trời nói riêng còn hạn chế do nhiều

nguyên nhân Một trong số đó là việc hiệu suất thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

phụ thuộc nhiều về góc tới của chùm bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ

nhiệt hoặc ánh sáng của thiết bị do vị trí của mặt trời thay đổi liên tục trong ngày

Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều dạng nhưng có thể chia ra hai nhóm theo hai nguyên tắc là hội tụ (bếp parabol) và bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình

hộp) Nhìn chung, hai loại bếp đều có nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, có hiệu

suất thấp hoặc bất tiện cho người sử dụng Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu và

tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu

điểm đó Theo đánh giá chung, bếp này có nhiều bất cập như chế tạo phức tạp, bếp chỉ

hoạt động tốt khi cường độ bức xạ cao, người sử dụng gặp phải các vấn đề sức khỏe về

da và mắt do ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào cơ thể Trong khi đó, bếp hộp hoạt

động như một bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt

trời truyền vào vật dụng đun nấu Vật dụng đun nấu được tăng cường và duy trì nhiệt

nhờ nhiệt trong môi trường không khí giữ kín trong hộp bếp Bếp hộp được khuyến

cáo cáo sử dụng nhiều hơn bếp parabol do có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, bếp

vẫn hoạt động tốt khi cường độ bức xạ của ánh nắng mặt trời không cao, không gây

các ảnh hưởng về sức khỏe cho người sử dụng.… Thực tế sử dụng cho thấy, hiệu suất

của bếp được cải thiện đáng kể khi người sử dụng quay bếp theo sự di chuyển của mặt

8 đến 10 giờ và từ 14 đến 16 giờ khi mà góc tới của ánh nắng mặt trời hợp với bề mặt

hấp thụ nhiệt của bếp là lớn nhất so với trường hợp thường đặt bếp cố địch và mặt bếp

thẳng góc với mặt trời tại thời điểm giữa trưa Điều này đồng nghĩa với việc tại hai

khoảng thời gian nêu trên, hiệu suất bếp là rất thấp

Vì vậy, nhằm tăng hiệu suất của bếp, giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, giải phóng người sử dụng do phải lệ thuộc vào giám sát bếp, sử dụng bếp thì nhu

cầu về một loại bếp tự động xoay theo hướng nắng có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng

là một nhu cầu chính đáng Điều này đặc biệt ý nghĩa với người dân nghèo tại vùng

đệm các khu bảo tồn sinh thái, rừng các loại khỏi nguy cơ cháy rừng, tàn phá rừng do

người dân vào rừng chặt gỗ làm chất đốt, đun nấu gây ra Xuất phát từ nhu cầu thực

tiễn nêu trên, tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ

thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời”

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh theo hướng nắng mặt trời có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, hiệu suất sử dụng cao

2.2 Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu góc tới phát tia bức xạ của mặt trời theo từng thời điểm trong ngày tại khu vực thực hiện thí nghiệm

Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề ra Thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả

Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng và thay thế, giá thành thấp

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

3.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả tính toán, thiết kế và khảo nghiệm các thông số kỹ thuật sẽ làm cơ sở khoa học cho nghiên cứu phát triển liên quan trong khai thác năng lượng mặt trời

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả xây dựng một mẫu bếp hoàn chỉnh, tự động hóa với giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, dễ thay thế, hoạt động hiệu quả phù hợp với điều kiện giờ nắng và đối

tượng sử dụng trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế Từ đó, tạo điều kiện phổ biến rộng

rãi và khuyến khích người dân sử dụng mẫu bếp nhằm tiết kiệm chi phí chất đốt, bảo

vệ môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm

các khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp

suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của trái đất Đây là điều kiện lý tưởng cho các

phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng phân

hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các

nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp

hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng Bức xạ điện từ này, với

phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng

khác nhau Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục

trong vài tỷ năm nữa

Cấu trúc mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng

lồ (Hình 1.1) Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán

triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn

gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này

gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C),

Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng

6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các

hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K

Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời