Đề tài thiết kế và thi công xe tiết kiệm nhiên liệu sử dụng năng lượng mặt trời

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa λ Bước sóng ánh sáng E1 Mức năng lượng điện tử vùng 1 E2 Mức năng lượng điện tử vùng 2 h Hằng số planck v Tần số ánh sáng e- Điện tử tự do h+ Hạt m

TÓM TẮT

Ngày nay nguồn năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu than đá… và các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu và chế tạo những sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu Đề tài thiết kế chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu được nghiên cứu để tìm ra giải pháp giúp tiết kiệm nguồn nhiên liệu quốc gia Sử dụng nguồn bức xạ mặt trời thông qua một thiết bị biến đổi thành điện năng cung cấp cho xe hoạt động Thiết bị đó gọi là pin mặt trời (solar cell) Trong bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm Pro/Engineer để thiết kế kết cấu cơ khí và biên dạng thân xe, phần mềm Ansys dùng để phân tích trọng lượng, quá trình biến dạng tổng quát của khung

xe Kết cấu cơ khí, biên dạng thân xe, trọng lượng xe, công suất, dung lượng của pin mặt trời, thời gian sạc cho bình ắc quy là những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành, sự tiêu hao năng lượng được đưa ra thảo luận

Keywords: Fuel save challenge – Solar car

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

A Động cơ thúc đẩy 1

B Nguồn gốc đề tài… .1

C Mục đích của đề tài 1

D Kết cấu của đề tài ……….2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan xe năng lượng mặt trời 3

1.2 Tổng quan nguồn năng lượng mặt trời 4

1.3 Định nghĩa năng lượng mặt trời 4

1.3.1 Phân loại nguồn năng lượng 5

1.3.2 Ứng dụng năng lượng Mặt Trời 5

1.4 Giới thiệu về pin mặt trời 6

1.5 Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Pin Mặt Trời 6

1.5.1 Cấu tạo Silic 6

1.5.2 Cấu tạo pin Mặt Trời 8

1.5.3 Quá trình tạo các module 10

1.5.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 11

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 16

2.1 Thiết kế chi tiết khung xe 16

2.2 Mô phỏng động lực học khung xe 17

2.2.1 Thông số mô phỏng 18

2.2.2 Phân tích quá trình biến dạng của khung xe 18

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 20

3.1 Kết quả mô phỏng động lực học của khung xe 20

3.2 Biểu đồ trọng lượng khung xe ứng với từng vật liệu 20

3.3 Quá trình biến dạng của khung xe 21

3.4 Quá trình biến dạng khi chịu tác dụng va đập lên khung xe 22

3.5 Thiết kế biên dạng thân xe 23

3.6 Biểu đồ trọng lượng biên dạng thân xe 24

CHƯƠNG 4 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN 25

4.1 Tính toán chọn công suất cho động cơ chính 25

4.1.1 Những Vấn Đề Chung 25

4.1.2 Phát nóng và nguội lạnh của động cơ 26

4.1.3 Các chế độ làm việc của truyền động điện 26

4.1.4 Tính chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ 27

4.1.5 Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn 28

4.1.6 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn 29

4.1.7 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ 31

4.1.8 Kiểm nghiệm công suất động cơ 33

4.1.9 Tính toán chọn công suất động cơ truyền động của động cơ điện 33

4.2 Chọn ắc quy 4.2.1 Chọn accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu 38

4.2.2 Các phương pháp nạp điện 39

4.2.3 Tính toán chọn dung lượng bình accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu 41

4.2.4 Tính toán diện tích pin mặt trời căn cứ theo Q = 10 Ah của bình đã chọn, và thời gian nạp là 2 giờ 43

4.3 Chọn pin mặt trời cho xe tiết kiệm nhiên liệu 4.3.1 Mạch điều khiển nạp (charger controller) 45

4.4 Điều khiển tốc độ động cơ 45

4.4.1 Hiệu ứng Hall trong điều khiển tốc độ động cơ 45

4.5 Ưu điểm, tính kinh tế .48

4.5.1 Ưu điểm 48

4.5.2 Nhược điểm 48

4.5.3 Tính kinh tế 48

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

Kí hiệu Ý nghĩa

λ Bước sóng ánh sáng

E1 Mức năng lượng điện tử vùng 1

E2 Mức năng lượng điện tử vùng 2

h Hằng số planck

v Tần số ánh sáng

e- Điện tử tự do

h+ Hạt mang điện dương

Eph Năng lượng tổn hao do quá trình phục hồi

η Hiệu suất quá trình biến đổi quang điện

J0( λ ) Mật độ photon có bước sóng λ

hc/ λ Năng lượng photon

Eg Là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình

ΔP Tổn thất công suất

ΔW Tổn thất năng lượng

Δv Nhiệt sai giữa máy điện và nhiệt độ môi trường 00C

C Nhiệt dung của máy điện

A Hệ số tỏa nhiệt

ΔV∞ Nhiệt sai ổn định

τ Hằng số thời gian phát nóng

ξ Thời gian đóng điện tương đối

tlv Thời gian làm việc có tải

tcky Thời gian của một chu kỳ

ti Thời gian hoạt động tương ứng của phụ tải thứ i

Pi Công suất phụ tải thứ i

Plv Công suất làm việc yêu cầu

x Hệ số quá tải công suất

Un Điện áp bình accu khi nạp

τsd.nh Thời gian sử dụng của phụ tải ngắn hạn

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Những kiểu xe sử dụng năng lượng mặt trời 3 

Hình 1.2 Cấu tạo lớp bán dẫn 7 

Hình 1.3 Cấu tạo bán dẫn Silic 8 

Hình 1.4 Cấu tạo module 9 

Hình 1.5 Quá trình tạo module 10 

Hình 1.6 Các vùng năng lượng 11 

Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng 12 

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13 

Hình 1.9 Quan hệ η( )E g 14

  Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết khung xe 16 

Hình 2.2 Bản vẽ thiết kế khung xe 17 

Hình 2.3 Khung nhìn của bản vẽ thiết kế 17 

Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình biến dạng khung xe 19

Hình 2.5 Tác động lực lên khung xe theo phương ngược chiều chuyển động 19 

Hình 2.6 Tác động lực lên khung xe theo phương vuông góc chiều chuyển động 19 

Hình 3.1 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với từng loại vật liệu 20 

Hình 3.2 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 10 mm 21 

Hình 1.3 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 25 mm 21 

Hình 3.4 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 49 mm 22 

Hình 3.5 Lực F1 tác động vào hông khung xe 22 

Hình 3.6 Biến dạng khi lực F tác động vào hông khung xe 22 

Hình 3.7 Biến dạng phá hủy phần đầu khung xe 23 

Hình 3.8 Bản vẽ chi tiết khung xe 23 

Hình 3.9 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với từng loại vật liệu 24 

Hinh 4.1 Chế độ làm việc dài hạn Hình 4.2 Chế độ làm việc ngắn hạn 27 

Hình 4.3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại 27 

Hình 4.4 Đồ thị phụ tải: a) Phụ tải dài hạn không đổi; b) Phụ tải dài hạn biến đổi 28 

Hình 4.4 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với công suất của động cơ 36 

Hình 4.5 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với công suất của động cơ 37 

Hình 4.6 Biểu đồ trọng lượng, công suất, dung lượng 37 

Hình 4.7 Bình ắc quy 38 

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối Pin mặt trời qua diode 43 

Hình 4.10 Sơ đồ mạch 45 

Hình 4.11 Cảm biếnHall AH49E được đặt trong tay vịn xe tiết kiệm nhiên liệu 47 

Hình 4.12 Mạch điều khiển tốc độ động cơ xe tiết kiệm nhiên liệu 47 

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng thông số bức xạ mặt trời tại TPHCM ………… ……….12

Bảng 2.1 Bảng thông số ngõ vào ……….….26

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng biến dạng tổng quát của khung xe….……… ……27

Bảng 3.2: Kết quả phân tích trọng lượng ứng với từng loại vật liệu cho khung xe… 31

Bảng 4.1: Kết quả phân tích trọng lượng ảnh hưởng công suất của động cơ và dung lượng pin mặt trời ……….………43

Bảng 4.2: Bảng tính toán chi phí đầu tư ban đầu xe tiết kiệm nhiên liệu ……….57

Bảng 4.3: Bảng chi phí bảo trì trong năm ……….……….… 57

Bảng 4.3: Bảng chi phí vận hành trong năm ……….…….…… 57

Và đề tài nghiên cứu “Xe tiết kiệm nhiên liệu” chạy bằng năng lượng mặt trời là công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo trực tiếp ra điện năng phục

vụ cho xe chạy

B Nguồn gốc đề tài

Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã được nghiên cứu và chế tạo từ rất lâu, ông Miroslav Miljevic (Anh) đã chế tạo xe đạp 2 bánh Cycle Sol chạy bằng điện mặt trời, ở Thụy Sĩ thì chế tạo một chiếc máy bay trên đó gắng 12 ngàn tấm pin mặt trời và ở Việt Nam thì các sinh viên trường Đại học SPKT TPHCM đã chế tạo thành công xe 4 bánh Ngày nay xe chạy bằng năng lượng mặt trời khá phổ biến tại Việt Nam và các nước Asian, xe được tạo ra hầu hết là xe tự chế và xe

mô hình với mục đích chung là tiết kiệm năng lượng và tìm ra xu hướng phát triển trong tương lai ngành công nghiệp năng lượng tái tạo

C Mục đích của đề tài

Việc nghiên cứu thành công chiếc xe năng lượng mặt trời sẽ giúp chúng ta có một hướng đi mới trong ngành chế tạo xe điện, từ đó sẽ ra đời những thế hệ xe năng lượng mặt trời tiên tiến hơn, sẽ dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu hiện nay, giúp cải thiện phần nào môi trường bị ô nhiễm, giảm chi phí kinh tế

Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng phần mềm thiết kế Pro/Engineer để thiết

kế bộ khung xe và biên dạng xe, phần mềm ANSYS dùng để mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe, và phân tích trọng lượng của vật liệu

D Kết cấu của đề tài

Đề tài bao gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng Quan

Chương 2: Thiết Kế Cơ Khí

Chương 3: Phân Tích và Mô Phỏng

Chương 4: Cơ Sở Tính Toán

Chương 5: Kết Luận

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan xe năng lượng mặt trời

Xe năng lượng mặt trời là một phương tiện được thiết kế và chế tạo từ rất lâu nhưng chưa được đưa vào sử dụng phổ biến rộng rãi Hầu hết những phương tiện này

sử dụng trong các lĩnh vực giải trí, thám tử hoặc làm việc ở những điều kiện khắc nghiệt, nguy hiểm, những nơi không có nguồn điện Hình 1.1 cho thấy rằng chiếc xe sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1059 đến năm 1979 đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời Ứng dụng năng lượng biến đổi thành điện năng cung cấp cho xe và các thiết bị điện khác Năm 1980, Mỹ đã chế tạo robot thám hiểm trên sa mạc và ứng dụng năng lượng mặt trời để biến đổi thành điện năng cung cấp cho robot

Và gần đây nhất khu vực Asian thường xuyên tổ chức những cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu và ứng dụng nhiên liệu sạch vào công nghệ xe điện và ô tô điện

Hình 1.1 Những kiểu xe sử dụng năng lượng mặt trời

1.2 Tổng quan nguồn năng lượng mặt trời

Mặt trời là một trong những ngôi

sao phát sáng mà con người có thể quan

sát được trong vũ trụ Mặt trời luôn phát ra

một nguồn năng lượng khổng lồ và một

phần nguồn năng lượng đó truyền bằng

bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và

Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính

bức xạ Mặt Trời là yếu tố quyết định cho

sự tồn tại sự sống trên hành tinh chúng ta

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên Trái Đất [5]

1.3 Định nghĩa năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác

Bảng 1.1 Bảng thông số bức xạ mặt trời tại TPHCM [1]

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tháng Bức xạ mặt trời hằng ngày kWh/m²/d

Thông qua biểu đồ trên, ta thấy bức xạ mặt trời của thành phố HCM từ tháng 1 đến tháng 5 là cao, dao động từ 5,17 (tháng 5) đến 6,01 (tháng 3) (kWh/m²/d) vì thời gian này là mùa nắng nên lượng bức xạ cao, pin mặt trời xe đạt hiệu suất cao, do đó xe tiết kiệm nhiên liệu sẽ đạt hiệu quả cao trong thời gian này Còn các tháng cuối năm từ tháng 6 đến tháng 12 lượng bức xạ dao động từ 4,57 đến 4,78 vì lúc này vào mùa mưa nên lượng bức xạ mặt trời thấp, khả năng hấp thụ bức xạ của pin sẽ thấp và xe tiết kiệm nhiên liệu không đạt hiệu quả cao

1.3.1 Phân loại nguồn năng lượng

Người ta chia các nguồn NL thành 2 nhóm năng lượng chính: Năng lượng hoá thạch như dầu, than đá hay khí đốt; Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như Mặt trời, Gió, Hợp chất hữu cơ (sinh khối), năng lượng đại dương và nhiệt của trái đất

1.3.2 Ứng dụng năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất quy mô rộng vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng Mặt Trời Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng Mặt Trời đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng Mặt Trời Các ứng dụng năng lượng Mặt Trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất năng lượng Mặt Trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quan điện bán dẫn, hay còn gọi là pin Mặt Trời Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng Mặt Trời chiếu tới dưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng ta dùng thiết bị thu bức xạ nhiệt Mặt trời và tích trữ dưới dạng nhiệt năng và dùng nó vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến vĩ độ 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với

trị số tổng xạ khá lớn 100 – 175 kcal/cm2 năm Do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế khá lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu dựa vào hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng…[5]

1.4 Giới thiệu về pin Mặt Trời

Pin mặt trời là phương

pháp sản xuất điện trực tiếp từ

năng lượng mặt trời thông qua

thiết bị biến đổi quang điện Pin

mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ, có

1.5 Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Pin Mặt Trời

1.5.1 Cấu tạo Silic

Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ

khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P

và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này

Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn

N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay lỗ trống tự do [5].

Hình 1.2 Cấu tạo lớp bán dẫn Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là

A

B

A B

n - ty p e S ilic o n

p - ty p e S ilic o n

các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Hình 1.3 Cấu tạo bán dẫn Silic

1.5.2 Cấu tạo pin Mặt Trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski, đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% và thường rất đắt tiền Do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Silic

SilicSilic

Silic

Hình 1.4 Cấu tạo module

Đa tinh thể từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Chúng có thể tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn

có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2

Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si)

So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử

nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs),….[2]

1.5.3 Quá trình tạo các module

Hình 1.5 Quá trình tạo module

1.5.4 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

1.5.4.1 Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên tới năm 1883 thì một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin mặt trời đầu tiên 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 1.6 Các vùng năng lượng Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng

hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv= E2 – E1 (1.1)

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 3.5) Vùng năng lượng thấp bị các năng lượng điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có chức

năng lượng Ev Vùng năng lượng ở trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+ Lỗ trống này có thể duy chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể miêu tả bằng phương trình:

Ev + hv -> e- + h+ (1.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/ λ ≥ Eg = Ec – Ev Từ đó có thể tính bước sóng tới hạn λccủa ánh sáng có thể tạo ra cặp e- - h+:

[ ] m

E E

hc E

E

hc

g g

v c

mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷10-1giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi

sẽ là:

Eph = hv – Eg (1.4) Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một hiệu điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.5.4.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi

quang điện của hệ thống 2 mức như sau:

0 0

) (

) (

λ λ λ

λ

λ η

λ

d

hc J

d J

J0( λ )d λ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ÷λ+dλ

hc/ λ là năng lượng của photon

là tổng năng lượng của các photon tới hệ

Như vậy hiệu suất η là một hàm của Eg, bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η≤0,44

Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 (Chính xác là 1,34 KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời), tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12% Ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp Vấn đề

là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa

Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó

là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt

để ánh sáng có thể đi qua Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn) Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng [1]

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

2.1 Thiết kế chi tiết khung xe [11]

Khung xe là phần rất quan trọng của xe, kết cấu cơ khí, vật liệu làm khung xe là các nhân tố ảnh hưởng đến trọng lượng của xe Khối lượng càng nặng thì tổng khối lượng của xe càng cao, xe sẽ hoạt động chậm và tốn kém nhiều nhiên liệu cung cấp cho động cơ xe

Khối lượng càng nhẹ thì công suất của động cơ nhỏ, xe hoạt động nhanh và ít tốn nhiên liệu Hình 2.1 là bản vẽ thiết kế của khung xe, chiều dài 2500 mm, chiều rộng 800 mm và chiều cao là 600mm Các vật liệu làm khung xe là Alunium alloy, titanium alloy, stainless steel, structure steel, tiến hành mô phỏng để chọn vật liệu làm khung xe

Khung xe là phần che chắn khi xe xảy ra tai nạn, quá trình mô phỏng kiểm tra

độ cứng và độ bền của kết cấu khung xe Ngoài ra vận tốc vận hành của xe và lực tác động lên khung xe là những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình biến dạng của khung xe

Hình 2.1 bản vẽ chi tiết khung xe

Định nghĩa vật liệu, lực, vị trí ban

đầu, điều kiện biên

Mô Phỏng, phân tích phần tử hữu hạn

Kết Quả về biến dạng và trọng lượng

Sử dụng phần mềm Pro/Engineer để thiết kế và lưu lại dưới file IGES, sau đó đưa file có đuôi IGES vào phần mềm Ansys, tại đây ta có thể xác định được thể tích của khung xe và từ đó tính được khối lượng của khung xe Sử dụng phần mền Ansys

để mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe Ta thay đổi các giá trị về lực và thay đổi từng loại vật liệu khác nhau cho khung xe Trọng lượng, lượng biến dạng, lực tác động lên khung xe được đưa ra thảo luận

2.2.2 Phân tích quá trình biến dạng của khung xe

Mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe, hình 2.4 cho thấy điểm cố định đuôi xe là fit (1), mục đích của việc cố định điểm này là trong quá trình vận hành xe có thể va chạm với những vật thể phía trước Mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe,

ta thay đổi các loại vật liệu và thay đổi giá trị về lực tác động lên khung xe

Lực F tác động cùng phương và ngược chiều với khung xe và lực F1 tác động theo phương vuông gốc với phương chuyển động của khung xe, quá trình biến dạng tổng quát của khung xe được thể hiện ở chương 3

Hình 2.5 Tác động lực cùng phương ngược chiều chuyển động lên khung xe

Hình 2.6 Tác động lực theo phương vuông góc với phương chuyển động của khung xe

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả mô phỏng động lực học của khung xe

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng biến dạng tổng quát của khung xe

Vật Liệu Aluminum

Alloy

Titanium Alloy

Stainless Steel Structural

Steel

Trọng Lượng (kg) 7,79 12,994 21 22,079

Biến Dạng Min (Stress, Mpa) 7,996 4,0067 8,253 8,3876

Biến Dạng Max (Stress, Mpa) 8051,3 4475,5 8137,5 8180,2

Total Deformation Min (mm) 0 0 0 0

Total Deformation Max (mm) 49,715 36,847 18,271 17,625

Từ kết quả cho thấy trọng lượng Aluminum Alloy là thấp nhất và khả năng biến dạng cao hơn so với các loại vật liệu khác

3.2 Biểu đồ trọng lượng khung xe ứng với từng vật liệu

Titanium Alloy

Stainless Steel

Structural Steel

3.3 Quá trình biến dạng của khung xe [12]

Quá trình biến dạng của khung xe chỉ xuất hiện khi xe va chạm với một vật thể cứng tạo ra một lực tác động lên khung xe Trong phần nghiên cứu này mô phỏng sự va đập của phần đầu khung xe và phân tích quá trình biến dạng, ở hình 1 cho thấy khi đầu khung xe bị tác động bởi một lực F thì phần đầu và phần cuối của khung xe bị co lại,

ta tiếp tục tăng khoảng cách dịch chuyển vào phần khung xe thì lượng biến dạng rộng

ra trên toàn bộ khung xe, kết quả mô phỏng cho thấy phần đầu và hông của khung xe bị phá hủy đối với vật liệu là Aluminum Alloy thì lượng biến dạng cao nhất và lượng biến dạng thấp nhất và dễ bị hủy nhất là vật liệu Structural Steel

Hình 3.2 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 10 mm

Hình 1.3 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 25 mm