Trong giai đoạn cuối thế kỷ XVIII đầuthế kỷ XIX, cuộc cách mạng công nghiệp đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóngcủa các máy móc sử dụng năng lượng hơi nước, nhưng vân còn nhiều hạn ch
Tổng quan về động cơ điện
Sự ra đời của động cơ điện
Trước thế kỷ XIX, năng lượng chủ yếu được khai thác từ các nguồn cơ học như gió, nước, sức người và động vật Cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, cuộc cách mạng công nghiệp đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của máy móc sử dụng năng lượng hơi nước, mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế về hiệu suất và ứng dụng.
Nghiên cứu về điện và từ đã dẫn đến sự phát triển của động cơ điện, bắt đầu từ năm 1740 với phát minh của nhà khoa học và nhà sư An Scotland Năm 1820, Hans Christian Oersted đã có những nghiên cứu quan trọng về dòng điện và từ trường, cùng với định luật cảm ứng điện từ của Michael Faraday và Joseph Henry vào năm 1831, tạo nền tảng cho động cơ điện Michael Faraday chế tạo thiết bị chuyển động thẳng đầu tiên vào năm 1821, và năm 1834, Thomas Davenport sản xuất động cơ điện chạy bằng pin đầu tiên tại Vermont, đánh dấu một bước tiến lớn Năm 1886, William Sturgeon phát minh ra động cơ điện một chiều đầu tiên, nhưng động cơ một chiều thực tế đầu tiên có thể chạy với tốc độ không đổi đã được Frank Julian Sprague phát minh, mở đường cho ứng dụng động cơ điện trong công nghiệp Cuối những năm 1880, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy và gia đình, nhờ vào những cải tiến của các nhà khoa học như anh em Siemens và Zesnobe Gramme Năm 1887, Nikola Tesla phát minh ra động cơ cảm ứng AC và được cấp bằng sáng chế một năm sau đó, nhưng chưa phù hợp với giao thông đường bộ Đến năm 1982, động cơ cảm ứng thực tế đầu tiên được thiết kế, cùng với rotor cuộn dây thanh quay, làm cho thiết bị trở nên thích hợp cho các ứng dụng ô tô.
Năm 1891, General Electric bắt đầu phát triển động cơ cảm ứng ba pha và ký thỏa thuận cấp phép chéo với Westinghouse vào năm 1896 để sử dụng thiết kế roto cuộn dây thanh quay Đến những năm 2000, động cơ điện AC và DC đã trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp toàn cầu, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như xe lăn, thang máy và các giải pháp truyền động hiệu quả cho các ứng dụng đầy thách thức Nếu không có động cơ điện, thế giới sẽ rất khác biệt.
Hình 1 Nikola Tesla - Người phát minh ra động cơ cảm ứng AC xoay chiều.
Khái niệm, cấu tạo
1.2.1 Khái niệm Động cơ điện là một thiết bị biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua tương tác từ trường Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiêp và dân dụng nhờ vào hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt và tính bền bỉ.
Cấu tạo của động cơ điện phân thành 2 phần riêng biệt là: stator và roto
Lõi thép là bộ phận dẫn từ quan trọng của thiết bị, có hình dạng trụ rỗng được làm từ lá thép kỹ thuật điện với độ dày từ 0.35 đến 0.5 mm Lõi thép được dập theo kiểu hình vành khăn, có lớp sơn bao phủ và được thiết kế với các rãnh bên trong để lắp đặt dây quấn, sau đó ghép lại để hoàn thiện.
Dây quấn stator thường được làm từ nhôm hoặc đồng, được đặt trong rãnh lõi thép Ngoài hai bộ phận chính, stator còn có các bộ phận phụ bao bọc lõi thép, hay còn gọi là vỏ máy, được làm bằng gang hoặc nhôm để giữ chặt lõi thép Phía dưới có chân đế chắc chắn, kết nối với bệ máy Hai đầu của stator được lắp đồng chất với vật liệu vỏ máy, trong đó có bạc đạn (ổ đỡ) hỗ trợ trục quay của rotor.
Lõi thép là một thành phần quan trọng trong động cơ điện, có hình dạng trụ tròn và được chế tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình đĩa và ép chặt Bề mặt của lõi thép có các đường rãnh để lắp dây quấn hoặc thanh dẫn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Khi kết hợp với trục quay, lõi thép sẽ được gắn chặt vào vị trí ổ đỡ stator, đảm bảo sự vận hành ổn định và hiệu quả của thiết bị.
Rotor có hai loại chính: dây quấn và lồng sóc Rotor lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của rotor, tạo thành các thanh nhôm ngắn mạch ở hai đầu và có thêm cánh quạt để làm mát khi rotor quay Trong khi đó, rotor dây quấn tương tự như stator nhưng có mô men quay lớn hơn, cấu trúc phức tạp và chi phí cao hơn Dây quấn được hình thành từ hai vòng ngắn mạch và các thanh nhôm giống như lồng, từ đó tên gọi rotor lồng sóc ra đời Các rãnh trên rotor được dập xiên với trục nhằm giảm rung lắc và cải thiện đặc tính khởi động.
Hình 2 Động cơ điện có hai phần chính: stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay).
Phân loại, nguyên lý
Phân loại động cơ điện dựa trên hai tiêu chí cơ bản: Dòng điện và hoạt động thực tế.
+ Phân loại theo dòng điện Động cơ điện một chiều
Động cơ điện DC là loại động cơ hoạt động dựa trên dòng điện một chiều, với stator là phần đứng yên sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Rotor, phần quay của động cơ, được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện, giúp điều khiển chuyển động hiệu quả.
Hình 3 Cấu tạo của động cơ một chiều DC Động cơ điện một pha
Loại dây quấn stator này chỉ có một cuộn dây pha và sử dụng nguồn cấp gồm một dây nguội, một dây pha cùng với một tụ điện để làm lệch pha Tuy nhiên, do chỉ có một cuộn dây pha, từ trường sinh ra là từ trường một pha, khiến thiết bị không thể tự khởi động Để khắc phục điều này, người dùng cần áp dụng nhiều phương pháp khác nhau Động cơ điện một pha hiện được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống, như trong máy bơm nước, máy nén khí, tời kéo và các dụng cụ cầm tay.
Hình 4 Động cơ điện 1 pha Động cơ điện ba pha
Khi dòng điện xoay chiều ba pha đi qua dây quấn stator, nó tạo ra một từ trường quay (RMF) hay còn gọi là Rotating Magnetic Field Từ trường này kích thích dòng điện trong các thanh dẫn của rotor lồng sóc, dẫn đến việc rotor quay.
Hình 5 Động cơ điện 3 pha
Động cơ đồng bộ là loại động cơ đặc biệt, trong đó rotor quay với tốc độ đồng nhất với từ trường của stato Động cơ này được phân chia thành hai loại chính.
+ Kích từ độc lập Sử dụng nguyên tắc tương tự như động cơ từ.
Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, sử dụng một nam châm vĩnh cửu để kích từ trực tiếp Với rotor quay chậm hơn và sự trượt giữa tốc độ quay của từ trường, động cơ này thể hiện rõ bản chất không đồng bộ trong quá trình hoạt động Rotor được thiết kế theo kiểu lồng sóc và có cuộn dây được đấu nối trực tiếp vào từng cuộn, giúp giảm áp lực từ dòng khởi động của motor.
Hình 6 Bảng phân loại động cơ điện
Hầu hết các động cơ điện hiện nay hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, tuy nhiên, vẫn tồn tại một số loại động cơ khác trên thị trường sử dụng hiệu ứng áp điện hoặc lực tĩnh điện.
Dòng điện được dẫn qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt non gọi là stator, tạo ra lực từ tác động lên rotor Cạnh bên cực dương chịu lực hướng lên, trong khi cạnh bên cực âm chịu lực hướng xuống Cơ chế này dựa trên nguyên lý bàn tay trái đã được học ở cấp hai.
Khi rotor chịu tác động của lực từ, nó sẽ quay và cần duy trì chuyển động này lâu dài Để thực hiện điều này, bộ cổ góp điện được sử dụng trong động cơ điện để chuyển mạch dòng điện theo chu kỳ làm việc Khi đó, mặt của cuộn dây sẽ song song với các đường sức từ, khiến rotor không còn chịu lực từ và quay theo quán tính.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện bắt đầu ở pha 1, khi từ trường của rotor cùng cực với stator, tạo ra lực đẩy và khiến rotor quay Tiếp theo, rotor tiếp tục quay ở pha 2 Đến pha 3, bộ phận điều chỉnh điện sẽ đổi cực, đảm bảo từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, sau đó quay trở lại pha 1, giúp động cơ hoạt động liên tục.
Những yêu cầu về việc thiết kế
Để thiết kế một động cơ điện, cần có sự tính toán chính xác, cẩn thận, lên bản vẽ tỷ mỉ nhằm đảm bảo các yêu cầu sau.
Động cơ điện được thiết kế với độ bền cơ học cao, giúp hạn chế rung lắc trong quá trình hoạt động Điều này đảm bảo rằng các chi tiết bên trong không bị hư hỏng do tác động của lực từ phụ tải, bao gồm lực xoắn lên trục và roto, lực cắt then, lực điện từ, cũng như lực ly tâm của các phần tử dẫn điện trong roto và lực điện từ lên dây quấn stato.
Để đảm bảo độ bền cho động cơ điện, cần tránh hiện tượng chạm chập giữa các vòng dây, giữa các pha và giữa cuộn dây với vỏ Cuộn dây phải có khả năng chịu được dòng điện ở chế độ định mức hoặc quá tải trong thời gian cho phép, đồng thời lõi thép không được phát nóng quá mức do dòng fucoo.
Để đảm bảo độ bền nhiệt của động cơ điện, cần chú ý đến việc phát nhiệt trong quá trình hoạt động, do ma sát tại ổ lăn, dòng điện fucoo trong lõi thép và điện trở của cuộn dây Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm tuổi thọ của vật liệu cách điện, dẫn đến mất khả năng cách điện và nguy cơ cháy cuộn dây.
Để đảm bảo độ bền cho động cơ, cần chú ý đến tác động của môi trường như độ ẩm, bụi và hóa chất Những yếu tố này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động và tuổi thọ của động cơ, dẫn đến tình trạng kẹt, rò rỉ và ăn mòn điện.
Ứng dụng
Động cơ điện được ứng dụng phổ biến trong đời sống và ngành công nghiệp nhờ vào hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt và thiết kế gọn gàng.
1.5.1 Ứng dụng trong công nghiệp
Động cơ điện là trái tim của nền công nghiệp, nuôi sống toàn bộ hệ thống sản xuất Theo Ngân hàng Thế giới, tỷ trọng ngành công nghiệp trong GDP của Trung Quốc, Mỹ và Việt Nam lần lượt khoảng 37%, 19% và 34% Sự khác biệt này chủ yếu do năm lý do chính: đầu tiên, Mỹ có ngành dịch vụ phát triển mạnh, chiếm tỷ trọng lớn trong GDP, với các lĩnh vực như tài chính, bảo hiểm và công nghệ thông tin Thứ hai, có sự chuyển dịch từ nền kinh tế công nghiệp sang kinh tế tri thức và dịch vụ Thứ ba, ngành công nghiệp Mỹ áp dụng nhiều công nghệ cao và tự động hóa, tăng năng suất nhưng giảm nhu cầu lao động Thứ tư, nhiều công ty Mỹ đã chuyển sản xuất sang các nước có chi phí lao động thấp hơn, làm giảm tỷ trọng công nghiệp trong nước Cuối cùng, Mỹ đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển (R&D) trong các lĩnh vực công nghệ cao, y tế và năng lượng, những lĩnh vực này thường được phân loại là dịch vụ và công nghệ hơn là công nghiệp Ứng dụng của động cơ điện trong ngành công nghiệp rất đa dạng và quan trọng.
Truyền động cơ khí đóng vai trò quan trọng trong các máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy mài và máy khoan, đồng thời là yếu tố chính trong các băng chuyền và hệ thống băng tải tại nhà máy.
+ Tự động hóa và robot Động cơ điện điều khiển các robot công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất tự động.
Máy móc nặng là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, thường được sử dụng trong các thiết bị năng như cần cẩu, máy xúc và máy đào Chúng cũng đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống nâng hạ như thang máy và cẩu trục, giúp tăng cường hiệu quả công việc và đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển hàng hóa.
1.5.2 Ứng dụng trong gia đình Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong gia đình, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và tiện nghi cuộc sống hàng ngày như thay vì dành hàng tá thời gian, sức lao động để giặt đống quần áo tốn nước, mà chưa chắc đã sạch và khô nhanh thì đã có những chiếc máy giặt thông minh đảm bảo cho quần áo chúng ta luôn sạch sẽ thơm tho, thoáng mát, tiết kiệm nước chỉ bằng một nút bấm Tất nhiên trái tim của máy giặt chính là động cơ điện thông minh Tương tự với máy hút bụi, quạt điện, cũng giúp cuộc sống tiện nghi hơn Ngoài ra động cơ điện sử dụng trong dụng cụ cầm tay như máy khoan, máy cắt, máy mài, cũng tiện nghi và hiệu quả hơn cách làm truyền thống Còn đối với nhà bếp thì động cơ điện xuất hiện ở máy pha cà phê, máy xay, máy ép trái cây,… Ông lớn trong ngành gia dụng có thể kể đến như Xiaomi, Samsung, LG,…
1.5.3 Ứng dụng trong giao thông vận tải
Công nghệ đang được áp dụng rộng rãi trong giao thông vận tải nhờ vào những lợi ích vượt trội về môi trường, hiệu quả năng lượng và chi phí vận hành Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu trong lĩnh vực này.
Ô tô điện đang trở thành xu hướng với sự phát triển mạnh mẽ từ các hãng như Tesla, Nissan và BMW, cung cấp nhiều mẫu xe có hiệu suất vận hành ấn tượng và phạm vi di chuyển rộng Những chiếc ô tô này sử dụng pin Lithium-ion cùng với hệ thống quản lý pin tiên tiến, giúp tối ưu hóa hiệu suất và mang lại trải nghiệm lái xe tốt nhất.
Xe máy điện đang ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các thành phố lớn và khu vực giao thông đông đúc, với những mẫu xe nổi bật từ các thương hiệu như VinFast và Zero Motorcycles.
Xe bus điện đang được triển khai tại nhiều thành phố trên thế giới nhằm giảm ô nhiễm không khí và tiếng ồn Các hãng như BYD và New Flyer đang dẫn đầu trong việc sản xuất và phát triển loại phương tiện này.
Ô nhiễm không khí đang gia tăng đáng kể, đặc biệt tại các đô thị lớn, với ô nhiễm giao thông là nguyên nhân chính Các chuyên gia cho biết, hoạt động giao thông gây ra gần 85% khí cacbon monoxit thải ra hàng ngày, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, thậm chí có thể dẫn đến nhiễm độc cấp Ví dụ, vào ngày 6/3/2024, Hà Nội ghi nhận chỉ số chất lượng không khí AQI lên đến 227/500, khiến thành phố trở thành nơi ô nhiễm nhất thế giới, với bầu trời mù mịt và người dân cảm thấy khó thở Thêm vào đó, việc khai thác và sử dụng nguyên liệu hóa thạch như xăng và dầu cũng góp phần làm trầm trọng thêm tình trạng này.
Việc khai thác tài nguyên quá mức dẫn đến cạn kiệt nguồn lực, do đó, cần thiết phải tìm kiếm và chuyển đổi sang nguyên liệu thân thiện với môi trường Xe điện, bao gồm ô tô điện, xe buýt và xe máy điện, đang được coi là giải pháp hiệu quả và bền vững để bảo vệ thiên nhiên và môi trường.
Hình 8 Hà Nội mỗi buổi sáng.
Cuộc đua xe điện ở các nước trên toàn thế giới
Với sự phát triển vượt trội của xe điện, nhiều quốc gia trên thế giới đang triển khai các chiến lược nhằm giảm dần việc sử dụng phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng dầu Cụ thể, tại các nước châu Á, xu hướng này ngày càng trở nên rõ rệt.
Nhật Bản là một trong những quốc gia tiên phong trong việc chuyển đổi từ xe ô tô sử dụng xăng sang xe ô tô lai điện hoặc xe điện Mục tiêu của nước này là đạt được sự trung hòa carbon vào năm 2050.
+ Hàn Quốc Mục tiêu tới năm 2030 sẽ có tổng 7,85 triệu xe thân thiện với môi trường Và tới năm 2050 có thể trung hòa CO2.
Tại những nước Châu Âu
+ Pháp Cam kết vào năm 2040 sẽ loại bỏ hoàn toàn xe chạy dầu và xăng.
+ Anh Dự kiến tới năm 2030, Anh sẽ cấm bán toàn bộ các loại xe tải và xe ô tô chạy bằng nguyên liệu đốt chạy
Tại khu vực Đông Nam Á
+ Thái Lan Mục tiêu trở thành trung tâm sản xuất các loại xe điện hàng đầu ASEAN.
Indonesia đặt mục tiêu đến năm 2025, sản phẩm xe điện sẽ chiếm khoảng 20% tổng số lượng xe sản xuất, bao gồm 711.000 xe hybrid, 2.200 ô tô điện và 2,1 triệu xe máy điện.
Việt Nam đang triển khai kế hoạch cấm xe máy tại nội đô Hà Nội sau năm 2030 nhằm giảm ô nhiễm không khí Chính phủ sẽ ưu tiên nguồn lực cho việc phát triển xe điện, đặc biệt là thương hiệu VinFast, với mục tiêu biến VinFast thành thương hiệu quốc dân và khẳng định chất lượng hàng Việt Nam.
Xu thế thị trường xe điện ở Việt Nam
Con số biết nói
Phân tích quy mô và thị phần động cơ điện – dự báo xu hướng tăng trưởng (2024- 2029).
Hình 9 Biểu đồ hình cột về quy mô thị trường
Quy mô thị trường (2024) USD 136.95 tỷ
Quy mô thị trường (2029) USD 191.82 tỷ
Thị trường tăng nhanh nhất Châu á Thái Bình Dương
Thị trường lớn nhất Châu á Thái Bình Dương
Những người chơi chính Bosch, ABB, ARC, PDS, JOHNSON ELECTRIC,TOSHIBA,…
Thị trường động cơ điện dự kiến đạt 136.95 tỷ đô la vào năm 2024 và sẽ tăng lên 191.82 tỷ đô la vào năm 2029, với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm (CAGR) 6.97% trong giai đoạn từ 2024 đến 2029.
Trong trung hạn, việc gia tăng sử dụng động cơ điện trong khu dân cư, xe điện và tự động hóa trong các quy trình công nghiệp sẽ thúc đẩy sự phát triển của thị trường động cơ điện.
Mặc dù tuổi thọ của tài sản và sự biến động giá nguyên liệu thô có thể cản trở sự phát triển của thị trường, nhưng sự tiến bộ trong công nghệ động cơ điện mang lại nhiều cơ hội mới Các công nghệ mới nổi như động cơ hướng trục và bánh xe đang trở nên phổ biến, cung cấp lợi ích như tăng công suất, mật độ mô-men xoắn và thiết kế bánh kếp lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương dự kiến sẽ chiếm ưu thế trong thị trường trong giai đoạn tới nhờ vào những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực công nghiệp.
Xu hướng thị trường động cơ điện chính là phân khúc ô tô
Phân khúc ô tô dự kiến sẽ trải qua sự tăng trưởng mạnh mẽ trong giai đoạn tới, nhờ vào xu hướng chuyển đổi sang xe điện, mang lại nguồn vận chuyển sạch hơn.
Nhu cầu về động cơ điện đang gia tăng mạnh mẽ nhờ vào sự tăng trưởng doanh số bán xe điện trên toàn cầu, đặc biệt tại Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Châu Âu Các chính phủ đã đưa ra nhiều ưu đãi để khuyến khích việc sử dụng phương tiện di chuyển bằng điện, đồng thời nâng cao nhận thức về môi trường trong cộng đồng người tiêu dùng Bên cạnh đó, sự gia tăng giá nhiên liệu và chi phí vận hành thấp hơn của xe điện so với xe động cơ đốt trong truyền thống (ICE) cũng là những yếu tố thúc đẩy sự chuyển mình này.
Liên minh Châu Âu đã công bố lệnh cấm bán xe chạy bằng động cơ đốt trong (ICE) mới từ năm 2035, trong khi nhiều quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp và Vương Quốc Anh cũng đặt mục tiêu loại bỏ hoàn toàn ngành công nghiệp xe chạy bằng xăng và dầu diesel trước năm 2040 Để thúc đẩy doanh số bán xe điện, các chính phủ đang áp dụng nhiều sáng kiến, bao gồm cung cấp trợ cấp và khuyến khích các nhà sản xuất lắp đặt nhà máy sản xuất pin và động cơ trong nước Tại Đức, số lượng ô tô điện mới đăng ký đã tăng mạnh, với 470.559 xe được đăng ký trong năm 2022, đánh dấu mức tăng trưởng 32,19% so với năm trước, cho thấy nhu cầu về động cơ điện dự kiến sẽ gia tăng trong tương lai.
Hình 10 Số ô tô điện đăng ký mới ở Đức qua mỗi năm tăng theo cấp số nhân. Châu Á – Thái Bình Dương dự kiến sẽ thống trị tăng trưởng thị trường
Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương đang trở thành trung tâm hàng đầu cho ngành công nghiệp động cơ điện và dự kiến sẽ duy trì vị thế này trong những năm tới nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của ngành Các lĩnh vực như ô tô, hóa chất, phân bón và hóa dầu đang trải qua sự tăng trưởng ổn định, mở ra nhiều cơ hội lớn cho các nhà sản xuất động cơ điện toàn cầu.
Trung Quốc đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất toàn cầu, dẫn đầu trong ngành công nghiệp thép, hóa chất, điện và xi măng Quốc gia này cũng nằm trong số những nước hàng đầu về hóa dầu và lọc dầu, với nhiều dự án công nghiệp mới đang được triển khai để nâng cao danh mục công nghiệp quốc gia.
Gần đây, chính phủ Trung Quốc đã phê duyệt các dự án lọc dầu mới với sự tham gia của các công ty nước ngoài, trong đó có liên doanh do Aramco dẫn đầu, quyết định đầu tư vào một tổ hợp hóa dầu lớn tại thành phố Panjin, dự kiến đi vào hoạt động vào năm 2024 với công suất 300.000 BPD Đồng thời, Ấn Độ, quốc gia sản xuất thép thô lớn thứ hai thế giới, cũng đang mở rộng quy mô sản xuất, với kế hoạch của Tập đoàn thép Nippon (NSC) thành lập nhà máy thép lớn nhất thế giới tại Odisha, dự kiến đầu tư khoảng 1.02 vạn INR, bên cạnh sự hiện diện của Arcelor Mittal do LN Mittal lãnh đạo.
Vào tháng 1 năm 2023, AMNS Ấn Độ, một liên doanh giữa Nippon Steel và Arcelor Mittal, đã được chính phủ Odisha bàn giao một nhà máy thép trị giá 4,68 tỷ USD, với công suất sản xuất hàng năm dự kiến đạt khoảng 7 triệu tấn.
Những phát triển như vậy có thể sẽ tác động mạnh mẽ đến thị trường động cơ điện trong những năm tới
Tìm hiểu về pin mặt trời
1.7.1 Lịch sử của pin mặt trời
Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1893 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel khi ông 19 tuổi Mặc dù Willoughby đã đề cập đến phát minh này trong một bài báo vào ngày 20 tháng 2 năm 1873, nhưng phải đến năm 1883, Charles Fritts mới chế tạo được pin năng lượng mặt trời đầu tiên bằng cách phủ lớp vàng mỏng lên mạch bán dẫn selen, tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt 1% Năm 1888, nhà vật lý Nga Aleksandr Stoletov đã phát triển tấm pin đầu tiên dựa trên hiệu ứng quang điện, được Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887.
Albert Einstein đã giải thích hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình này giúp ông giành giải Nobel Vật lý năm 1921 Năm 1946, Russell Ohl được công nhận là người phát minh ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên Ngoài ra, Sven Ason Berglund đã phát triển phương pháp nâng cao khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Để hiểu về pin mặt trời, cần nắm vững một số kiến thức cơ bản về vật lý chất bán dẫn Bài viết này sẽ tập trung vào nguyên lý hoạt động của pin năng lượng tinh thể silic, giúp bạn có cái nhìn tổng quan về công nghệ này.
Nguyên tố Silic, thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn, có 4 lớp electron ngoài cùng và không tồn tại dưới dạng nguyên chất trong tự nhiên, mà chỉ xuất hiện dưới dạng hợp chất phân tử rắn Silic chủ yếu có hai dạng: đa thù hình (không có cấu trúc sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo trật tự không gian ba chiều) Trong số đó, pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất sử dụng dạng đa tinh thể silicon.
Silic là một vật liệu bán dẫn, có khả năng dẫn điện không ổn định do sự phân bố của electron tại các tầng năng lượng khác nhau, theo lý thuyết cơ học lượng tử Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém, nhưng khi được pha trộn với một lượng nhỏ nguyên tử nhóm III hoặc V, tính dẫn điện của nó được cải thiện Các nguyên tử này thay thế một phần nguyên tử silic trong mạng tinh thể, tạo ra các vùng thừa hoặc thiếu electron Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III như nhôm hoặc gali tạo thành bán dẫn p, trong khi silic kết hợp với nguyên tử nhóm V như phốt pho hoặc asen tạo thành bán dẫn n Cả hai loại bán dẫn này đều có năng lượng trung hòa, cho phép electron và lỗ trống di chuyển tự do trong mạng tinh thể.
1.7.3 Vật liệu và hiệu suất Đã có nhiều vật liệu khác nhau để chế tạo pin mặt trời Có hai tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất và giá cả.
Hiệu suất của pin mặt trời được định nghĩa là tỷ lệ giữa năng lượng điện tạo ra và năng lượng ánh sáng mặt trời hấp thụ Vào buổi trưa, ánh sáng mặt trời có cường độ khoảng 1000W/m2, trong đó một module 1m2 với hiệu suất 10% có thể cung cấp khoảng 100W Hiệu suất của pin mặt trời có thể dao động từ 6% đối với các pin làm từ silic không tinh khiết, và có thể đạt tới 30% hoặc cao hơn với công nghệ tiên tiến hơn.
Giá cả của hệ thống cung cấp điện, cụ thể là phát điện, được tính toán dựa trên chi phí sản xuất mỗi KWh điện Hiệu suất của pin mặt trời, phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, là yếu tố quyết định giá thành Trong toàn bộ hệ thống, hiệu suất của các tấm pin mặt trời rất quan trọng Để ứng dụng thực tế, điện năng tạo ra có thể kết nối với lưới điện thông qua chuyển đổi trung gian, trong đó năng lượng dư thừa thường được lưu trữ trong hệ thống ắc quy Hiệu suất của các pin năng lượng thương mại và công nghệ liên quan dao động từ 5% đến 15% Giá điện có thể giảm từ 50 Eurocent/kWh xuống còn 25 Eurocent/kWh ở những khu vực có ánh sáng mặt trời dồi dào.
Hiện nay, silic tinh thể là vật liệu chính được sử dụng để chế tạo pin mặt trời và các thiết bị bán dẫn Pin mặt trời từ silic tinh thể được chia thành ba loại khác nhau.
Tinh thể đơn (module) được sản xuất qua quá trình Czochralsk, có hiệu suất trên 16% nhưng thường đắt tiền do được cắt từ thỏi silic hình ống và có mặt trống ở góc nối module Ngược lại, đa tinh thể được làm từ silic nung chảy, được đúc và làm nguội cẩn thận, có giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn Tuy nhiên, đa tinh thể có khả năng tạo thành các tấm vuông lớn hơn, bù đắp cho hiệu suất không cao.
Dải silic được tạo ra từ các miếng ghim mỏng làm từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn rẻ nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Nền tảng chế tạo sử dụng công nghệ sản xuất tấm mỏng với độ dày 300 um, được xếp chồng để tạo thành các module, từ đó hình thành các loại pin khác nhau.
1.7.4 Sự chuyển đổi ánh sáng
Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra.
Photon có khả năng truyền trực tiếp qua mảnh silic khi năng lượng của chúng thấp hơn mức cần thiết để nâng electron lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được silic hấp thụ khi nó lớn hơn mức năng lượng cần thiết để nâng electron lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền đến các electron trong mạng tinh thể, thường là các electron ở lớp ngoài cùng Những electron này bị ràng buộc với các nguyên tử lân cận, khiến chúng không thể di chuyển tự do Khi được kích thích, các electron trở thành dẫn điện và có khả năng di chuyển trong bán dẫn, tạo ra "lỗ trống" khi nguyên tử thiếu một electron Những lỗ trống này cho phép các electron từ nguyên tử lân cận di chuyển, tạo ra một chuỗi chuyển động liên tục của lỗ trống trong mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng vượt qua ngưỡng kích thích electron ở lớp ngoài cùng để tạo ra hiện tượng dẫn điện Tần số ánh sáng mặt trời thường tương ứng với năng lượng này.
Tìm hiểu về inverter trong hệ thống điện mặt trời
Các tấm pin mặt trời sản xuất điện một chiều từ năng lượng mặt trời, trong khi hầu hết thiết bị gia dụng sử dụng điện xoay chiều Do đó, để sử dụng điện từ hệ thống điện mặt trời, cần có một thiết bị chuyển đổi dòng điện, gọi là Inverter (biến tần năng lượng).
Inverter là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều DC từ các tấm pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều AC, phù hợp với lưới điện quốc gia và các thiết bị gia đình Ngoài chức năng chuyển đổi, inverter còn đảm nhận nhiều vai trò quan trọng khác trong hệ thống năng lượng mặt trời, mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
Tối ưu hóa năng lượng từ tấm pin mặt trời là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời Inverter sử dụng thuật toán MPPT (điểm dò công suất cực đại) để tối ưu hóa sản xuất năng lượng, đảm bảo rằng năng lượng mặt trời được sử dụng triệt để Khi nguồn năng lượng mặt trời không đủ, inverter sẽ tự động chuyển sang sử dụng điện lưới quốc gia Ngược lại, nếu có dư năng lượng, hệ thống có thể đẩy lên lưới điện để bán cho EVN hoặc lưu trữ để sử dụng sau, từ đó giúp tối ưu hóa chi phí điện cho chủ đầu tư.
Inverter sẽ giám sát sản lượng hệ thống 24/7 và báo cáo qua ứng dụng hoặc website dựa trên dự đoán đám mây Khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép theo quy định của lưới điện quốc gia hoặc khi phát hiện sự cố và dấu hiệu bất thường, Inverter sẽ tự động ngắt để bảo vệ an toàn cho toàn bộ hệ thống.
String Inverter ( biến tần chuỗi)
Hệ thống điện mặt trời sử dụng tấm pin được kết nối thành chuỗi, với một Inverter duy nhất làm điểm tập trung Inverter này chuyển đổi năng lượng điện từ các tấm pin thành điện xoay chiều, cung cấp năng lượng cho thiết bị Chẳng hạn, một hệ thống có 24 tấm pin chia thành ba chuỗi, mỗi chuỗi 8 tấm, sẽ tập trung về một inverter 7700W Ưu điểm của hệ thống này là hiệu quả chi phí, phổ biến trong lắp đặt điện mặt trời tại Việt Nam, nhưng nhược điểm là hiệu suất có thể bị ảnh hưởng nếu một trong các tấm pin gặp sự cố.
Hình 12 Hỉnh ảnh mô phỏng biến tần chuỗi
Micro Inverter( biến tần vi mô)
Micro Inverter là thiết bị kết hợp với tấm pin năng lượng mặt trời, giúp chuyển đổi dòng điện DC thành AC Mỗi tấm pin sẽ được kết nối với Micro Inverter riêng, mang lại ưu điểm là nếu một tấm pin giảm hiệu suất thì không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Hệ thống lắp đặt linh hoạt và có thể mở rộng theo khả năng kinh tế Tuy nhiên, nhược điểm của Micro Inverter là chi phí lắp đặt cao và khó khăn trong việc bảo trì.
Hình 13 Hình ảnh mô phỏng biến tần vi mô
Power Optimizer ( biến tần chuỗi kết hợp với tối ưu hóa)
Khác với String Inverter, Power Optimizer được trang bị bộ tối ưu hóa cho phép kiểm soát độc lập từng đầu ra của các tấm pin mặt trời Điều này giúp khắc phục những hạn chế của String Inverter, đặc biệt khi một tấm pin bị giảm hiệu suất do bóng râm hoặc sự cố kỹ thuật, bộ tối ưu hóa đảm bảo rằng các tấm pin khác trong chuỗi không bị ảnh hưởng Mặc dù Power Optimizer có ưu điểm về khả năng dễ dàng quan sát và bảo trì chính xác hiệu suất của từng pin, nhưng giá thành của nó lại cao hơn.
Hình 14 Mô phỏng Power Optimizers
Tuy Inverter là thành phần không thể thiếu trong pin năng lượng mặt trời, nhưng chúng lại có những hạn chế sau.
Hiệu suất không hoàn hảo
Mất mát năng lượng là một vấn đề quan trọng khi sử dụng inverter, vì không phải tất cả năng lượng đều được chuyển đổi với hiệu suất 100% Mặc dù các inverter hiện đại có hiệu suất cao, thường trên 90%, vẫn tồn tại một phần năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt.
Hiệu suất giảm dần Hiệu suất của inverter có thể giảm dần theo thời gian do lão hóa và hòa mòn có linh kiện bên trong.
Chi phí ban đầu cao Inverter chất lượng cao, đặc biệt là các loại sóng hình sin chuẩn, có chi phí ban đầu cao.
Chi phí thay thế và bảo trì inverter là yếu tố quan trọng cần xem xét, vì thiết bị này yêu cầu bảo trì định kỳ và có thể cần thay thế sau một thời gian sử dụng, dẫn đến gia tăng chi phí vận hành Độ bền và tuổi thọ của inverter cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí tổng thể, vì một thiết bị bền bỉ sẽ giúp giảm thiểu tần suất bảo trì và thay thế.
Inverter hiện đại có tuổi thọ từ 10 đến 15 năm, ngắn hơn so với tuổi thọ của các tấm pin mặt trời, thường kéo dài từ 25 đến 30 năm.
Inverter rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là nhiệt độ cao và độ ẩm Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị, do đó cần chú ý đến điều kiện môi trường khi sử dụng inverter.
Cài đặt và cấu hình inverter có thể rất phức tạp, đòi hỏi người thực hiện phải có kiến thức kỹ thuật chuyên sâu Đôi khi, việc này cần sự hỗ trợ từ các chuyên gia để đảm bảo quá trình diễn ra suôn sẻ và hiệu quả.
Khi lựa chọn inverter cho hệ thống năng lượng mặt trời, tính tương thích là yếu tố quan trọng, vì không phải tất cả các inverter đều phù hợp với mọi loại pin mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, việc chọn lựa cẩn thận là cần thiết Bên cạnh đó, ổn định và độ tin cậy của inverter cũng là những yếu tố không thể bỏ qua.
Biến động điện áp có thể xảy ra khi inverter không duy trì được mức điện áp ổn định, dẫn đến sự không ổn định cho các thiết bị điện trong gia đình.
Hiệu suất của inverter thường giảm trong điều kiện ánh sáng yếu, dẫn đến khả năng tạo ra điện không hiệu quả Ngoài ra, nếu không được kiểm soát tốt, inverter có thể gây ra hiện tượng điện áp đảo chiều, ảnh hưởng đến lưới điện.
Phương pháp nghiên cứu
Dụng cụ, vật tư
Nhóm chúng em đã chọn lọc và thu thập các dụng cụ, vật tư từ những thiết bị quen thuộc xung quanh, bao gồm quạt điện cơ 1991 bền bỉ, moto DC thường gặp trong máy khoan và bình thuốc trừ sâu điện, cùng với nam châm siêu mạnh được đặt mua trực tuyến.
2.1.1 Mô tô Ở đây chúng em chọn Motor DC 12V nhưng có thể hoạt động ở 20V, có công suất tối đa 5W được lấy từ chiếc máy sấy.
Động cơ này là loại DC có chổi than, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản và dễ hiểu Tuy nhiên, cần thực hiện bảo dưỡng định kỳ do chổi than có thể bị mòn theo thời gian.
Hình 15 Hỉnh ảnh moto dùng trong nghiên cứu
Thông số kỹ thuật Điện áp: 12V DC.
Công suất: có công suất tối đa 5W khi hoạt động ở 20V.
Tốc độ quay: 3000-5000 RPM tùy theo điện áp đặt vào.
Hiệu suất của motor thường dao động từ 70% đến 90% Để motor hoạt động hiệu quả, nguồn cung cấp là yếu tố không thể thiếu Trong mô hình này, chúng tôi cung cấp nguồn cho motor thông qua hai cách, trong đó có pin lithium-ion 18650.
8000 mAh và pin mặt trời 200W-20V.
Hình 16 Tấm pin mặt trời 200W-20V trong nghiên cứu.
2.1.2 Nam châm Ở bài nghiên cứu này chúng em đã đặt mua khoảng 6 nam châm đất hiếm siêu mạnh Ferrite, nhưng thực tế chỉ dùng đủ 4 chiếc Nam châm này có kích thước khá nhỏ 1cm*1cm*1cm, chúng em chọn loại này vì trong lòng stato cũng khá nhỏ khi chỉ có đường kính 5cm, vậy nên khi đưa chúng vào tâm stato nó sẽ vừa vặn.
Hình 17 Nam châm dùng trong nghiên cứu.
Khung dây của stato quạt động cơ quốc phòng 1991 là sản phẩm nổi tiếng của Việt Nam, nổi bật nhờ vào sự tiện lợi, mát mẻ và độ bền cao Điều này giúp stato quạt được hoàn thiện tốt, mang lại lợi ích vượt trội cho nghiên cứu.
Quạt này sử dụng dây đồng, nổi bật với khả năng dẫn điện cao và chất lượng tốt Đặc biệt, lớp cách điện bằng polyester giúp bảo vệ an toàn, mang lại sự tin cậy cho người sử dụng.
Đường kính trong lòng của stato chỉ khoảng 5 cm, với vòng dây được giữ bởi các khe rãnh của các miếng sắt non, tạo thành hình hộp vuông kích thước 10cm x 10cm x 3cm Đặc tính từ của sắt non rất tốt, là lý do khiến quạt điện này được ưa chuộng.
Dây quấn stato có đường kính khoảng 0.2 mm, với trung bình 2000 vòng cho mỗi cuộn dây Có tổng cộng 8 cuộn dây được xếp đan xen, bao gồm 4 vòng ngoài và 4 vòng trong, được bố trí lệch ở giữa Đầu ra của các vòng dây chỉ có 3 dây, thực chất là các đầu dây nối với nhau từ 8 vòng dây được kết nối ra ngoài.
Hình 18 Cuộn dây stato dùng để nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Xây dựng mô hình thiết kế
Nhóm chúng em gặp khó khăn trong việc nghiên cứu do các thiết bị không tương thích với nhau, ví dụ như kích thước của motor nhỏ hơn nhiều so với stato, yêu cầu phải tạo thêm đế gỗ để căn chỉnh roto cho hiệu suất tối ưu Việc chế tạo đế gỗ gặp trở ngại khi tính toán kích thước không chính xác, dẫn đến thời gian thực hiện kéo dài Mô hình nghiên cứu của chúng em tập trung vào việc chuyển đổi năng lượng từ DC sang AC thông qua quy trình gián tiếp, biến đổi điện năng thành cơ năng và sau đó trở lại điện năng với tính chất khác Dù rằng qua hai chu kỳ biến đổi, năng lượng bị hao hụt đáng kể, nhưng nghiên cứu này vẫn có tiềm năng ứng dụng thực tiễn ở quy mô lớn hơn.
Bản vẽ mô tả cấu trúc đơn giản của hệ thống điện, trong đó hai đầu ra của stato được kết nối với ổ cắm điện để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong quá trình khảo sát Đầu roto của động cơ được gắn với nam châm và quay trong trung tâm của stato, trong khi động cơ được kết nối với công tắc để thuận tiện cho việc điều khiển.
Mô hình được xây dựng trên tấm gỗ 20cm x 30cm với chân nâng cao 10cm để tăng tính thẩm mỹ Đầu tiên, stato được gắn chắc chắn ở góc trên trái tấm gỗ, sau đó khoảng cách của mô-tơ được ước lượng sao cho nam châm ở đầu roto nằm chính giữa stato, nhằm tối ưu hóa hiện tượng cảm ứng điện từ Vị trí mô-tơ được đánh dấu và gắn đế để nam châm nằm trên đế, đảm bảo không bị xê dịch bằng cách bắt vít chặt Mô-tơ cũng được cố định chắc chắn và thêm lớp xốp để điều chỉnh độ cân bằng Ổ cắm ba được lắp bên trái tấm gỗ để thuận tiện cho việc kết nối thiết bị nghiên cứu, cùng với công tắc để tạm dừng mô hình khi cần thiết Cuối cùng, nhóm đã hoàn thành lắp ráp mô hình thực tế và tiến hành đo đạc các thông số để kiểm tra hiệu quả hoạt động, trong đó tấm pin mặt trời được đặt ở vị trí tối ưu để nhận ánh sáng mặt trời.
Hình 20 Mô hình hoàn thành
Phương pháp đo đạc khảo sát mô hình sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra chuyển động cơ học, làm quay nam châm trong stato, từ đó sinh ra dòng điện xoay chiều ở hai đầu ra của stato Để thực hiện đo đạc, hai thông số đầu vào DC của motor và đầu ra AC của stato sẽ được ghi nhận Đầu tiên, motor được kết nối với thiết bị nguồn một chiều có khả năng điều chỉnh điện áp Sử dụng đồng hồ đa năng để đo dòng điện của motor cùng với điện áp (U) và cường độ dòng điện (I) xoay chiều được tạo ra Cấp nguồn cho motor từ 1V đến 15V, mỗi lần tăng 1V, và ghi lại cường độ dòng điện chạy qua motor tương ứng với điện áp đã thiết lập.
CHƯƠNG 3 Kết quả, thảo luận
Kết quả thiết kế chế tạo
Công tắc cho phép điều khiển dòng điện một chiều cấp cho motor trong quá trình khảo sát một cách dễ dàng Nam châm được cố định ở đầu roto và đặt giữa stator, giúp từ trường phân bố đồng đều quanh các cuộn dây Điều này tối ưu hóa sự thay đổi từ trường mà các cuộn dây cảm nhận, nâng cao hiệu suất cảm ứng điện từ Dòng điện một chiều cung cấp cho motor tạo ra chuyển động quay của nam châm trong stator Để đảm bảo nam châm không bị lệch tâm trong quá trình quay, motor được gắn chắc chắn vào ván gỗ.
Dựa theo định luật cảm ứng điện từ, khi nam châm quay, từ trường của nó thay đổi theo thời gian, tạo ra điện áp trong các cuộn dây dẫn điện Khi từ trường này đi qua các cuộn dây của stato, điện áp cảm ứng được sinh ra trong cuộn dây, và nếu các cuộn dây được kết nối trong một mạch điện kín, điện áp này sẽ tạo ra dòng điện Sự thay đổi liên tục của từ trường khiến dòng điện cũng thay đổi hướng, hình thành dòng điện xoay chiều (AC) với sóng sin ổn định hơn so với dòng sin của Inverter.
Kết quả khảo sát
Hình 21 Đồ thị đầu vào U-I của động cơ
Hình 22 Đồ thị đầu ra U-I của động cơ
Mô hình cho động cơ 1-2kW
Thiết kế mô hình, bảng giá và công suất hiệu dụng dự kiến, nêu lợi ích so với máy phát điện chạy xăng
Hình 23 Tổng quan mô hình
3.3.2 Bảng giá và công suất hiệu dụng dự kiến
- Nam châm đất hiếm: 5k/1 (4 cái)
Hình 27 Nam châm đất hiếm
Hình 29 Tấm pin mặt trời
