thiết kế, chế tạo dàn pin mặt trời tự xoay

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 đã có

Trang 1

- 1-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI

TỰ XOAY

VĂN CÔNG BÍCH

Thái nguyên – 2010

Trang 2

- 2-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI

TỰ XOAY

Học viên: VĂN CÔNG BÍCH

Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Người HD khoa học: TS NGUYỄN VĂN DỰ

Trang 3

- 3-

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Văn Công Bích

Tháng 09 năm 2010

Trang 4

- 4-

Lời cám ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học

của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và

giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bạn Hoàng Tiến Đạt, sinh viên khóa K41- CCM04, đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo trường Cao đẳng Công nghiệp Huế đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ tôi, người đã cho tôi những lời khuyên, những lời động viên, những chỉ bảo để tôi ngày càng hoàn thiện hơn Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bà cô của tôi, bà Văn Thị Hường, người đã cho tôi những lời khuyên bổ ích, động viên tôi, người đã cho tôi một phần kinh phí để hoàn thành khóa học này

Tôi vô cùng cám ơn người vợ thương yêu của, một “hậu phương” vững chắc đã động viên, chăm lo gia đình, hỗ trợ tinh thần để tôi yên tâm trong công tác nghiên cứu, hoàn thành khóa học này

Tôi xin chân thành cám ơn ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi tham gia khóa học này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong khoá học

Trang 5

Các dàn tự xoay có mục tiêu là đảm bảo tia sáng mặt trời luôn vuông góc với bề mặt hấp thụ ánh sáng Cơ sở để xác định cách bố trí và phương thức xoay của hệ thống bao gồm quy luật chuyển động tương đối của mặt trời so với vị trí đặt dàn thu, các lý thuyết tính toán xác định phương bố trí trục xoay và góc xoay Các vấn đề này đã được sưu tập, giới thiệu và phân tích trong luận văn

Bài toán sức bền của hệ khung, dầm, giá đỡ của hệ thống được tính toán dựa trên lý thuyết sức bền vật liệu và được giải trên máy tính Tải trọng đặt lên

hệ thống được xác định bao gồm trọng lượng các chi tiết, tải trọng gió cũng như quán tính của hệ Tốc độ quay của dàn được lựa chọn và thử nghiệm nhằm đảm bảo yêu cầu chuyển động êm, ít gây rung động Các thông số tải trọng và tốc độ xoay được dùng làm đầu vào cho bài toán lựa chọn động cơ và hệ truyền dẫn cơ khí Các vấn đề này đã được giải quyết trọn vẹn trong luận văn

Các kết quả tính toán nói trên đã được dùng làm cơ sở để triển khai thiết kế

và chế tạo một mô hình dàn xoay thực Kết quả vận hành thử nghiệm cho thấy,

hệ thống cơ khí có kết cấu hợp lý, bố trí phù hợp, làm việc êm và ổn định Mô hình có thể dùng để kiểm nghiệm cho các bài toán tính toán khác về dàn tự xoay

Trang 8

- 8-

Trang 9

- 9-

Danh mục các hình ảnh

Hình 2.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm

Hình 2.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố

Hình 2.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị

Trang 10

- 10-

Trang 12

- 12-

Danh mục các bảng, biểu

Trang 13

- 13-

Chương 1

GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Sử dụng những nguồn năng lượng như: thang đá, dầu,…đã thải ra khí quyển một lượng chất thải nguy hiểm, những chất này làm cho trái đất ngày càng ấm lên, là nguyên nhân gây ra những biến đổi về khí hậu theo hướng tiêu cực Để hạn chế những tác động trên, những nhà khoa học trên thế giới, những quốc gia phát triển đã tích cực tìm ra những nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng trên như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển,…, trong đó nguồn năng lượng lấy từ mặt trời 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

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

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 Hệ thống xoay tự động đã được F.M.AL NAIMA and N.A.YAGHOBIAM chế tạo năm 1990 [14] và được vận hành hoàn toàn

Trang 14

- 14-

dựa vào truyền dẫn cơ khí Kể từ đó, đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển [2, 15, 16, 17, 18, 19] để tăng hiệu quả của các dàn năng lượng mặt trời 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 [2]

Mặc dù 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 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

Quan tâm đến vấn đề này, có nhiều câu hỏi cần được trả lời, chẳng hạn như:

1) Xác định kết cấu khung – dàn như thế nào để đủ bền?

2) Động học và động lực học của hệ truyền động cần được xác định như thế nào?

3) Có thể xây dựng công thức chung để xác định các thông số chế tạo của

hệ khung dàn và hệ dẫn động được không?

4) Hiệu quả về năng lượng, giá thành của các hệ thống tự xoay?

Đề tài này được thực hiện nhằm thử nghiệm trả lời hai câu hỏi 1 và 2, đồng thời ứng dụng để chế tạo thử nghiệm một hệ thống dàn tự xoay theo

Trang 15

- 15-

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 để trả lời hai câu hỏi 3 và 4

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài có mục tiêu chủ yếu là Thiết kế và Chế tạo khung, hệ thống giá đỡ,

hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời có một bậc tự do

3) Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển;

4) Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự

1.3 Đối tượng nghiên cứu

1) Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay;

2) Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời

3) Mô hình thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1) Thu thập và phân tích dữ liệu về quy luật chuyển động của trái đất xung quanh mặt trời theo các mùa trong năm, quy luật chuyển động của mặt trời trong một ngày;

2) Lựa chọn phương án truyền dẫn và kết cấu hệ thống dàn pin tự xoay; 3) Xác định tải tác dụng lên hệ thống, bao gồm cả ảnh hưởng của gió bão;

Trang 16

- 16-

4) Ứng dụng các kiến thức về tính bền, động học và động lực học truyền dẫn cơ khí để thiết kế và chế tạo mô hình thực;

5) Phân tích kết quả vận hành thử nghiệm để đưa ra các lưu ý và chỉ dẫn thiết kế

1.5 Các kết quả đạt được

Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời Dưới đây là các kết quả chính mà nghiên cứu này đạt được:

1 Đã giới thiệu và phân tích quy luật chuyển động tương đối của mặt trời, dùng làm cơ sở xác định nguyên tắc xoay dàn năng lượng;

2 Đã giới thiệu cách tính toán thiết kế hệ khung dầm đảm bảo điều kiện bền;

3 Đã tính toán, lựa chọn và bố trí hệ truyền động đáp ứng được yêu cầu về động học và động lực học của hệ thống;

4 Đã thiết kế, chế tạo và lắp ráp thành công một mô hình dàn đỡ pin mặt trời tự xoay theo một trục và có góc nghiêng ban đầu cố định;

5 Đã vận hành thử nghiệm và phân tích các ưu, nhược của kết cấu cơ khí,

từ đó thấy được các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, chế tạo dàn năng lượng tự xoay

1.6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: trình bày những tác động đến môi trường sống do việc sản năng

lượng điện từ thang đá, khí ga, thủy năng,…, những ưu điểm của nguồn năng lượng được sản xuất từ mặt trời Tìm hiểu tình hình sử dụng năng lượng mặt trời

và các kiểu dàn đỡ pin trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2: tìm hiểu quy luật thay đổi phương của tia trực xạ mặt trời đối

với một điểm nằm trên mặt phẳng trái đất ở những vị trí khác nhau và vào những

Trang 17

- 17-

thời điểm khác nhau để áp dụng kiểu điều khiển phù hợp Phân tích, so sánh ưu nhược điểm của từng loại dàn đỡ để từ đó đưa ra lựa chọn kiểu dàn tối ưu

Chương 3: Thiết kế, chế tạo dàn đỡ pin quay theo một trục và nghiêng cố

định theo một góc

Chương 4: Lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin, tìm ra nững nhược điểm cần

khắc phục, hướng dẫn lắp đặt và vậ hành, bảo dưỡng, đưa ra những khuyến cáo khi ứng dụng dàn pin tự xoay

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Trang 18

- 18-

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão, đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm Trước thực trạng trên, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những những nguồn năng lượng thay thế Một trong những giải pháp chủ yếu là tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng lượng mà khi khai thác cũng như tiêu thụ tác động ít nhất đến môi trường như: năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời,…Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, có ở khắp trên bề mặt của trái đất

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vô tận.Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn

bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2] Nếu thu năng lượng mặt trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3]

Tại Việt Nam, 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% [4] Việt Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khai

Trang 19

- 19-

thác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác [5]

2.2 Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời

Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau:

Chuyển năng lượng mặt trời thành cơ năng Hình 2.1 là một động cơ

hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xuân Hùng nghiên cứu Nguyên lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở không khí do nhiệt của mặt trời Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trục tiếp năng lượng mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng

Hình 2.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời

Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng Hình 2.2 là bếp sử

dụng năng lượng mặt trời Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng prabol

để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu điểm đó Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu suất cao do nhận

Trang 20

- 20-

nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời nên rất bất lợi Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt động khi có ánh nắng mặt trời

Hình 2.2 Bếp năng lượng mặt trời

Chuyển 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

Dàn pin mặt trời Hình 2.3 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 [7]

Trang 21

- 21-

Hình 2.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha [7]

Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời Hình 2.4 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 [6]

Hình 2.4 Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời [6]

Trang 22

- 22-

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

Tấm pin năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp thụ cao nhất khi tia sáng của mặt trời luôn vuông góc với mặt phẳng tấm thu Vấn đề này được giải quyết bằng cách lắp những tấm pin năng lượng mặt trời trên dàn pin xoay được, dàn pin này luôn luôn hướng tấm pin vào mặt trời vuông góc với tia sáng mặt trời

2.3 Một số kiểu dàn pin tự xoay

2.3.1 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

Hình 2.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm

ngang [2]

Trang 23

- 23-

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

tắc này là cơ sở để thiết kế các kiể dàn xoay

2.3.2 Các kết cấu xoay

Hiện nay, trên thế giới, có nhiều kiểu dàn tự xoay đang được vận hành, khai thác cả ở phạm vi công nghiệp lẫn trong các phòng thí nghiệm Tuy nhiên, có thể xếp các kết cấu xoay theo các nhóm dưới đây

Kết cấu xoay một trục Dàn pin xoay quanh một trục và có góc nghiêng

ban đầu (góc vĩ độ) Hình 2.6 là cấu trúc và mô hình của một kiểu dàn pin tự xoay Ở mô hình này, các tấm pin được lắp trên một dàn, dàn này lắp về một phía (dàn công xơn) và có góc nghiêng ban đầu Kiểu dàn này có ưu điểm là góc quay của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng, phù hợp đăt ở những vị trí có vĩ độ lớn Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao, vì quay theo một trục tự do nên hiệu suất thu được không cao lắm Với kiểu dàn quay một trục này, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của nó tăng lên đến 40% [2] so với kiểu dàn cố định Hình 2.7 là biểu đồ so sánh mức năng lượng thu được của kiểu dàn cố định và dàn quay quanh một trục trong một ngày Qua đồ thị này cho ta thấy, đối với dàn pin quay quanh một trục thì mức năng lượng thu được cao hơn rất nhiều so với dàn cố địnhvào các thời điểm buổi sáng

và chiều

Trang 24

- 24-

Hinh 2.6 Mô hình dàn pin tự xoay theo một trục [2]

Hình 2.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn[2]

Kết cấu xoay hai trục Tính toán theo lý thuyết, năng lượng đầu ra của dàn

2 trục xoay tự động dựa trên giả thiết rằng cường độ bức xạ lớn nhất là I =

động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của dàn W1 =

Trang 25

- 25-

tự động sẽ cao hơn 57% so với dàn cố định Nhưng khi góc theo dõi của dàn 2

so với dàn cố định và được minh họa như biểu đồ ở hình 2.8 [3]

Hình 2.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định giảm dần khi góc quay tăng dần

Trong điều kiện trời nhiều mây, sương mù kéo dài làm giảm hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động xuống khoảng 20% Nói chung, ở những khu vực có điều kiện tốt thì hàng năm hiệu suất đầu ra tăng khoảng 30-40% Mặt khác, năng lượng hấp thụ trong ngày có thể tăng từ 0-100% [4]

Năm 2000 Helwa et al đã làm thí nghiệm để so sánh hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay theo góc phương vị và góc vĩ độ (hình 2.9) với dàn cố định

bộ vi xử lý trung tâm Công suất tiêu thụ của bộ vi xử lý, các thiết bị điện, các sensor điều khiển và các động cơ điện vào khoảng 50Wh/ngày hay 22Wh/ngày khi mà độ chính xác của dàn tương ứng là 0.560 và 100 Kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất của dàn 2 trục lớn hơn 30% so với giàn cố định như trên [5]

Trang 26

- 26-

Hình 2.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và một trục quay theo góc cao độ

Năm 2007, Chicco et al đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do

và dàn cố định được đặt tại ba vị trí Ở vị trí thứ nhất, ông điều khiển quay riêng

lẻ một trục của giàn 2 trục để so sánh với dàn cố định có góc phương vị 00 và

3, vị trí các tấm pin của dàn 2 trục sẽ được thay đổi 15 phút một lần so với dàn cố

so với phương ngang Kết quả thu được trung bình hàng năm như sau, dàn 2 trục có hiệu suất hơn 32,9%, 35,1% từ mô phỏng và 37,7%, 30,4% từ thực nghiệm tương ứng tại 2 vị trí đầu Ở vị trí thứ 3, dàn 2 trục

có thể đạt hiệu suất 31,5% hàng năm [6]

Trang 27

- 27-

Ngoài những ưu điểm so với dàn cố định như trên, dàn 2 trục xoay tự động cho hiệu suất đầu ra lớn hơn so với dàn 1 trục xoay tự động Điều đó đã được chứng minh qua nghiên cứu của Gordon Ông đã mô phỏng thí nghiệm nhờ

sự hỗ trợ của máy tính để so sánh hiệu suất hấp thụ ánh sáng giữa dàn theo dõi theo 2 trục với dàn 1 trục xoay theo trục Bắc-Nam và dàn quay quanh trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ tại nơi lắp đặt (hình 4) Kết quả thu được, dàn thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay quanh trục Bắc-Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tướng ứng với góc vĩ độ hàng năm (7)

Kalogirou SA đã tính toán dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ thống năng lượng hai trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục Đông – Tây Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống 2 trục lớn hơn 10,9% so với

hệ thống theo dõi 1 trục trên [7]

Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ thống 1 trục xoay tự động Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá nhiều so với hệ thống cố định Gần đây nhất, năm 2009 Sefa et al đã làm thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so với hệ thống cố định Kết quả cho thấy công suất đầu ra của hệ thống xoay tự động lớn hơn khá nhiều so với kiểu cố định [8] Kết quả thu được như ở hình 2.7: Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay quanh

2 trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S Abdallah, S Nijmeh [9] cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao hơn rất nhiều so với giàn cố định Ông đã đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình2.11:

Trang 28

- 28-

Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố

định

Trong kết luận ông có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất

cả các mùa lớn hơn 41,3 % lần so với hệ thống dàn cố định

2.3.3 Các phương án điều khiển

Trang 29

- 29-

Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương án xoay được trình bày theo sơ đồ ở hình 2.11 Mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm

Hình 2.11 Các kiểu điều khiển [2]

2.3.4 Cở sở để xoay dàn pin

Mặt trời quay quanh quỹ đạo trái đất (lấy trái đất làm chuẩn), do đó hướng

của tia sáng mặt trời đối với mặt phẳng trái luôn luôn thay đổi theo thời gian

Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia sáng mặt trời và tâm của trái đất được biểu diễn như sau (hình 2.12):

Trang 30

 

 

  =

os os

os sinsin

Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trí nào đó trên bề mặt trái đất ta

có sơ đồ xác định các góc như sau (hình 2.13):

Hình 2.13 Minh họa các góc nghiêng [2]

Trang 31

- 31-

Khi đó vecto xác định vị trí của mặt trời được xác định theo công thức:

Trang 32

Những giá trị ở trên là những giá trị tổng quát trong tất cả các trường hợp điều khiển hệ thống

Trang 33

- 33-

Khi xét trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo góc phương vị

Hoặc

Hình 2.14 Mô tả góc nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó

Hình 2.14 mô tả góc nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo trái

ta, đông chí diễn ra vào khoảng ngày 21 tháng 12, hạ chí diễn ra vào ngày 21 tháng 6, xuân phân xảy ra vào ngày 20 tháng 3 và thu phân diễn ra vào ngày 23 tháng 9

Từ những phân tích và các kết quả nêu trên, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động có khả năng tạo ra hiệu suất cao hơn nhiều so với hệ thống

Trang 34

- 34-

cố định Cụ thể, hệ thống xoay quanh 2 trục cho hiệu suất cao hơn 41,3% so với

hệ cố định Bởi vì chúng có lắp đặt hệ thống xác định phương hướng của mặt trời, do đó làm tăng thêm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày có nắng Lượng tiêu thụ năng lượng của bộ điều khiển không đáng kể Điều này khẳng định tính thiết thực của kết quả chọn lựa mô hình hệ thống pin mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta

Ở Việt Nam, hiện nay rất ít nhà khoa học quan tâm vấn đề này Hình 2.15

là một mô hình dàn pin tự xoay do một bạn sinh viên tại trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, thiết kế và chế tạo Dàn pin này được điều khiển theo thời gian, 15 phút quay một lần, bằng góc quay của mặt trời trong khoảng thời gian

đó

Hình 2.15 Dàn pin xoay theo một trục

Ở Hồ Chí Minh, một người dân đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay (hình 2.16) (theo báo khoa học cho nhà nông đang ngày 10/07/2008)

Trang 35

- 35-

Hình 2.16 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay

Với hai kiểu dàn quay của hai tác giả trên, nhược điểm của nó là không có góc nghiêng ban đầu nên chỉ phù hợp để lắp ở những vị trí có vĩ độ thấp (gần xích đạo) Hơn nữa, điều khiển tuyến tính không thích hợp trong trường hợp này (khi không có mặt trời dàn vẫn xuay, làm tiêu hao năng lượng thu được của dàn) Tìm ra một hướng mới để giải quyết vấn đề trên, đó là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay có thể lắp ở những vĩ độ khác nhau bằng cách tạo góc nghiêng ban đầu cho dàn quay theo một quy chuẩn khoa học Điều khiển dàn quay không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào hướng của tia sáng mặt trời

Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, căn cứ vào vị trí địa lí ở Việt Nam, căn cứ vào khả năng của bản thân Tác giả mạnh dạng lựa

chọn phương án thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh một trục có góc nghiêng

ban đầu được điều khiển thích nghi

Do dàn điều khiển thích nghi nên góc tới của tia mặt trời được xác định bằng cảm biến, góc nghiêng của dàn được xác định bằng góc vị độ tại vị trí đặt dàn

Dàn được thiết kế lắp tại tỉnh Thừa Thiên Huế nên góc nghiêng theo vĩ độ

Trang 36

kê

Trang 37

- 37-

Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN TỰ XOAY 3.1 Giới thiệu

Trong chương 2 đã trình bày một số kiểu dàn tự xoay đang được nghiên cứu, từ đó đã lựa chọn một kiểu dàn tự xoay phù hợp với các điều kiện ở Việt Nam Trong chương này trình bày cách tính toán thiết kế hai dàn pin tự xoay có công suất lần lượt là 500W và 40W Các công thức tính toán được sử dụng trong chương này được lấy từ các tài liệu về chi tiết máy, sức bền vật liệu chuẩn Phần mềm RDM được sử dụng để kiểm tra độ bền của khung đã thiết kế

Sơ đồ kết cấu hệ thống được giới thiệu trong phần 3.2 tiếp theo Trong phần 3.3 sẽ trình bày quá trình tính toán thiết kế dàn pin có công suất phát điện 500W Tiếp theo, trong phần 3.4, kết cấu cơ khí của một dàn pin 40W được tính toán theo cách thức tương tự Kết quả này sẽ được sử dụng để phục vụ cho việc chế tạo một mô hình thực Việc tính toán cả hai dàn có công suất khác nhau nhằm khẳng định rằng, với các giá trị công suất khác nhau, công suất cần thiết để xoay dàn nhỏ hơn nhiều so với công suất điện mà dàn có thể phát ra

3.2 Sơ đồ kết cấu hệ thống

3.2.1 Mô đun cơ khí

Sau khi tham khảo các hệ thống các kiểu dàn quay, sơ đồ kết cấu dàn quay một trục có ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo, vận hành nhưng hiệu suất không thấp hơn nhiều so với dàn 2 trục Kết cấu này được minh họa trên hình 3.1

Trang 38

Khi dàn pin mặt trời quay đến vị trí có phương của tia sáng vuông góc với mặt phẳng tấm thu thì dừng lại trong khoảng thời gian 15 phút, không di chuyển dưới tác dụng của bất kì lực nào Để đảm bảo được điều này, trục quay của dàn pin phải đứng yên Thêm nữa, tốc độ xoay của dàn không nên quá lớn để tránh rung động do quán tính khi khởi động và khi dừng Vì vậy, bộ giảm tốc trục vít-bánh vít được lựa chọn để truyền chuyển động từ động cơ đến trục quay của dàn

Trang 39

- 39-

Ưu điểm của loại bộ truyền này là có tính tự hãm, tỉ số truyền lớn, phù hợp với yêu cầu của thiết kế

Việc tính toán thiết kế khung, trục, lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động cung cấp cơ năng cho trục sẽ được trình bày trong phần 3.3

3.2.2 Mô đun điều khiển

Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đầu vào từ cảm biến hoặc sensor để xử lý Tín hiệu sau khi được xử lý sẽ điều khiển động cơ hoạt động quay thuận hay quay nghịch tùy thuộc vào tín hiệu từ hai cảm biến truyền

về Nếu cảm biến phía đông phát tín hiệu thì trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh điều khiển động cơ quay để xoay dàn về hướng Đông Ngược lại, khi cảm biến phía Tây có tín hiệu thì bộ phận điều khiển sẽ ra lệnh động cơ quay theo chiều ngược lại

Dưới đây là các bước cụ thể thiết kế và lựa chọn các phần của dàn quay

3.3 Thiết kế khung dàn 500W

3.3.1 Lựa chọn kiểu pin

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời, tùy thuộc vào chất lượng mà mỗi tấm pin có gía thành khác nhau, công suất của mỗi tấm từ 25W đến 280W (thùy thuộc vào số cell trên một tấm) Để đơn giản trong việc chế tạo, lắp ráp ta chọn tấm pin có các thông số trình bày như sau:

Trang 40

- 40-

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của tấm pin cố công suất 250W

25 năm

và gỗ

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	2,03 MB

thiết kế, chế tạo dàn pin mặt trời tự xoay

Thiết kế khung dàn 1 Bố trí khung dàn

Kiểm tra độ bền của khung