Nghiên cứu ứng dụng động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ô tô hỗ trợ thực tập lái Nghiên cứu ứng dụng động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ô tô hỗ trợ thực tập lái Nghiên cứu ứng dụng động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ô tô hỗ trợ thực tập lái
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Trong các nguồn năng lượng tái tạo như: gió, sóng biển, mặt trời , thì năng lượng mặt trời đang dần ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật hiện nay bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như: nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những tác hại lớn đối với môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt,
Về mặt địa lý thì nước ta là nước nhiệt đới gió mùa nằm vùng gần xích đạo nên chúng ta cần phát triển các ứng dụng năng lượng mặt trời Trong các hệ thống về năng lượng mặt trời không thể không đề cập đến điện mặt trời Hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời (dân dụng) hiện nay là khoảng 16%, công nghệ mới dùng pin CX-75 có thể đạt đến 26% trong điều kiện ánh sáng chiếu vuông góc Các loại pin dùng Silic đơn tinh thể có thể đạt đến 35% trên mặt đất và 40% trên vũ trụ Đề tài này chủ yếu tập trung vào làm sao để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng mặt trời cung cấp cho sự hoạt động của ôtô
Hiện nay những chiếc ôtô dạy tập lái ở các Trường dạy lái tại Việt Nam vẫn sử dụng động cơ xăng và dầu, và bộ ly hợp ma sát Việc nghiên cứu ứng dụng động cơ điện hoạt động bằng năng lượng điện ắc quy kết hợp với năng lượng mặt trời và đồng thời thay bộ ly hợp ma sát thành ly hợp từ nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ xăng và dầu gây ra, và là giải pháp có bước tiến cách mạng trước tình hình ngày càng cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, ) Đồng thời nó cũng tiết kiệm chi phí bảo trì sữa chữa cho bộ ly hợp ma sát do người học lái thời gian đầu chưa sử dụng thành thạo thao tác lái làm bộ ly hợp ma sát nhanh bị hỏng.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu tìm hiểu và nắm vững kiến thức lý thuyết về:
+ Pin năng lượng mặt trời
+ Thiết kế được chiếc xe hoạt động bằng cách sử dụng động cơ điện chạy bằng năng lượng ắc quy và mặt trời
+ Điều khiển bộ ly hợp từ ngắt và truyền công suất của động cơ điện
+ Thực nghiệm khoa học, đánh giá kết quả đạt được.
Khảo sát năng lượng bức xạ trung bình ở Việt Nam và tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Khảo sát năng lượng bức xạ mặt trời trung bình ở Việt Nam:
Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kW/h/m 2 /ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kW/h/m 2 /ngày ở các tỉnh miền Bắc Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:
– Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800–2100 giờ nắng Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều
– Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000–2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa Do đó đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng
Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở phía bắc là 3,69 kWh/m 2 và phía nam là 5,9 kWh/m 2 Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chêng lệch đáng kể về bức xạ mặt trời Cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc Bảng 1 dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta
Bảng 1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN
Vùng Giờ nắng trong năm
Cường độ bức xạ năng lượng mặt trời(h/Kw,ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt
Qua bảng trên cho ta thấy nước ta có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam, ở khu vực phía bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn
1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách Trong vài năm trở lại đây một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và nhiều Giảng Viên tại các Trường Đại Học Điển hình là xe chạy bằng năng lượng mặt trời do Thạc sĩ Đoàn Tất Linh và 5 sinh viên của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã chế tạo thành công xe điện sử dụng năng lượng mặt trời Chiếc xe chở được 8 người, một lần sạc đầy bình ắc quy chạy được 40km/h Nếu bình có đầy điện trong điều kiện trời nắng xe có thể chạy liên tục 70km/h Tốc độ tối đa của xe 40km/h như trong hình 1.1
Hình 1.1: Mô hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời do Thạc sĩ Đoàn Tất Linh và nhóm sinh viên Trường Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM chế tạo
Ngoài ra còn có nghiên cứu của ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi–thành phố
Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V–800W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần Đây là thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp dư Trong các nghiên cứu về pin cho xe điện thì có thể kể đến nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai của TS Nguyễn Văn Trạng và các cộng sự [1], được công bố tại tạp chí Phát Triển Khoa Học Và Công Nghệ, tập 20, số K6-2017, bài báo giới thiệu tổng quan về pin Lithium–Ion (Li-ion), khả năng ứng dụng của nó đối với các loại phương tiện sử dụng truyền động lai (HEV–Hybrid Electric Vehicle) nói chung và khả năng ứng dụng pin Li-ion trên xe gắn máy tích hợp truyền động lai nói riêng Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán tối ưu, so sánh và thử nghiệm bộ nguồn pin Li-ion cho xe máy lai xăng điện (HEM–Hybrid Electric Motorcycle) được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc với bánh trước được dẫn động trực tiếp bằng động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC-Brushless DC Electric Motor), bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong với bộ truyền vô cấp nguyên bản của xe Cả hai bánh đều có khả năng cung cấp công suất độc lập hoặc đồng thời cho xe khi di
5 chuyển trên đường Kết quả của nghiên cứu là cơ sở để tính toán tối ưu nguồn công suất và chi phí khai thác xe sau khi cải tạo
Ngoài ra trong cuốn sách Năng Lượng Mặt Trời Lý Thuyết Và Ứng Dụng [2] chương 1, chương 2, chương 3, chương 4 của PGS TS Nguyễn Bốn và TS Hoàng Dương Hùng đã có những nghiên cứu về mặt trời, năng lượng bức xạ của mặt trời và tính toán ứng dụng cho các thiết bị điện
Từ tất cả các công trình nghiên cứu ứng dụng về xe điện trên thì vẫn chưa có nghiên cứu nào với xe ôtô hổ trợ thực tập lái tại Việt Nam Đây là lý do để tôi thực hiện nghiên cứu này
1.3.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:
+ Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn sẽ không tồn tại trong tương lai Trong khi đó điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai
+ Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ôtô Ôtô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này do nó hoàn toàn không có khí thải
Như vậy ta thấy rằng ôtô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ôtô và các nhà khoa học trên toàn thế giới Đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này như: “Optimization of Solar Energy System for the Electric Vehicle at University Campus in Dhaka, Bangladesh” của Nusrat Chowdhury, Chowdhury Akram Hossain cùng các đồng sự
[3] do sự suy giảm nhanh chóng của trữ lượng khí đốt, giá khí tăng vọt và sự nóng lên toàn cầu, bên cạnh ô nhiễm môi trường gây ra bởi việc đốt nhiên liệu, điều này làm tăng mối lo ngại về các nguồn năng lượng này, chính vì thế năng lượng tái tạo cung cấp một giải pháp hợp lý cho những vấn đề này Mục tiêu của nghiên cứu này là tập trung vào công dụng tối đa của một hệ thống quang điện mặt trời (PV) trong xe điện và để giảm thiểu tác động môi trường trong điều khoản phát thải CO2 Trong nghiên cứu “Design Of Solar Powered Vehicle” của G.Selvakumarot [4] sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho xe điện với một cơ sở sạc và đóng góp năng lượng thừa cho lưới điện quốc gia Đã có nhiều thảo luận về việc sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho chiếc xe để đạt được điện áp cần thiết trong bài báo “Solar Powered Vehicle” của Yogesh Sunil Wamborikar, Abhay Sinha [5] Bên cạnh đó việc đánh giá hiệu quả năng lượng xe điện cũng được nghiên cứu trong đề tài “Microsimulation of Electric Vehicle Energy Consumption” của Blaz Luin, Stojan Petelin, Fouad Al-Mansour [6] Ngoài ra có thể kể đến là những nghiên cứu thu được thông qua các bài kiểm tra và các thí nghiệm để suy ra tính thực tiễn của xe điện chạy bằng năng lượng mặt trời trong nghiên cứu
“Development and Performance Analysis of Solar Electric Vehicle” của Dr Md Mosaddequr Rahman cùng với Khoa Kỷ Thuật Điện Và Điện Tử BRAC Đại Học Dhaka [7] Có thể kể đến là trong nghiên cứu “Feasibility Study of a Solar-Powered Electric Vehicle Charging Station Model” Bin Ye, Jingjing Jiang và các đồng sự November 2015 Energies 8(11):13265-13283 [8] bài viết này đã đề xuất một mô hình năng lượng mặt trời trạm sạc cho xe điện để giảm thiểu các vấn đề gặp phải trong năng lượng tái tạo của Trung Quốc quá trình sử dụng và để đối phó với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xe điện cho tương lai gần Nghiên cứu này áp dụng mô hình đề xuất cho thành phố Thẩm Quyến để xác minh kỹ thuật của nó và tính kinh tế khả thi Hay trong bài báo “Some Issues on the Design of a Solar Vehicle Based on Hybrid Energy System” của A.Spina, R.Jde laVega và các cộng sự [9] đã nghiên cứu vấn đề mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất có thể cho chuyển động của xe, với các mô-đun quang điện là nguồn điện chính So với các phương
Phương pháp nghiên cứu
10 động trong các trường dạy lái xe thay thế cho xe sử dụng động cơ dầu và động cơ xăng
Chiếc xe chỉ là mẫu thử nghiệm của xe chạy bằng năng lượng ắc quy axít chì kết hợp với năng lượng mặt trời Nó sẽ được thiết kế trong quy mô nhỏ với chiều dài tổng thể 2400 mm, chiều rộng tổng thể 1000 mm, chiều cao tổng thể 1800 mm
Xe này có tổng tải trọng 420 kg sử dụng một động cơ điện truyền đến hai bánh sau qua bộ truyền xích
1.5 Phương pháp và nội dung nghiên cứu:
Kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập các thông tin liên quan về ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ngoài (Mỹ La Tinh, Trung Quốc …), học hỏi kinh nghiêm của thầy/cô, bạn bè, nghiên cứu các mô hình về hệ thống pin năng lượng mặt trời,…Từ đó tìm ra những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài, cũng như cách thiết kế mô hình Bên cạnh đó còn kết hợp cả phương pháp quan sát và thực nghiệm để có thể thiết kế được mô hình một cách hiệu quả, sau đó so sánh đánh giá kết quả đạt được
TT Các nội dung, công việc chủ yếu cần được thực hiện
1 - Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu xe điện trong nước và trên thế giới
- Thống kê được các kết quả nghiên cứu trước đó, nêu lên tính cấp thiết của đề tài
2 - Xây dựng cơ sở tính toán lý thuyết cho đề tài
- Tính toán được các thông số của xe
3 Làm WORD và POWERPOINT chuẩn bị bảo vệ 50%
- Hoàn chỉnh đề cương và lý thuyết mô phỏng
4 - Bảo vệ 50% đề cương lý thuyết - Đảm bảo đề cương được hội đồng thông qua
5 - Chế tạo mô hình - Mô hình đảm bảo kết cấu như tính toán và mô phỏng
6 - Thử nghiệm và lấy kết quả - Kết quả như tính toán lý thuyết và mô phỏng
7 - Tiến hành so sánh và phân tích kết quả tính toán và thực nghiệm
- Kết quả thực nghiệm và tính toán gần như nhau So sánh số liệu và đánh giá
8 Kết luận: Đưa ra phương án tối ưu
Hoàn chỉnh nghiên cứu báo cáo Đưa ra cải tiến phù hợp nhất với thực tế
Điểm mới của đề tài
+ Mô hình sử dụng năng lượng ắc quy kết hợp song song với pin năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm kinh tế, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường + Ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời vào ôtô tập lại tại Việt Nam
+ Thiết kế đơn giản, dễ sử dụng mang lại hiệu quả cao
Theo dự kiến luận văn gồm có bốn chương
Chương 2: Cơ sở tính toán lý thuyết
Chương 3: Lắp đặt mô hình ôtô chạy bằng năng lượng ắc quy kết hợp với năng lượng mặt trời
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Bố cục của luận văn
CƠ SỞ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết của pin năng lượng mặt trời
Khái niệm pin năng lượng mặt trời
Trong thuật ngữ tiếng Anh, Pin mặt trời có tên gọi là Solar Cell, các tấm pin mặt trời thì gọi là Solar Panels, và mảng Pin Mặt Trời thì gọi là Array Solar Panel
Hệ thống điện năng lượng mặt trời có nguyên lý hoạt động khá đơn giản, thông qua những tấm pin mặt trời bức xạ mặt trời sẽ được chuyển đổi thành dòng điện một chiều thông qua hiệu ứng quang điện như hình 2.1 Sau đó dòng điện được hệ thống sạc năng lượng mặt trời đưa đến và tự động sạc đầy hệ thống ắc quy
Hình 2.1: Hình ảnh pin năng lượng mặt trời Điện được tạo ra từ tấm pin mặt trời gọi là điện năng lượng mặt trời hay điện mặt trời Pin mặt trời còn được gọi là pin năng lượng mặt trời (Pin Quang Điện) Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diod P-N, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các tế bào quang điện tấm pin mặt trời còn được gọi là bảng Pin mặt trời hay Môdun Pin năng lượng mặt trời bảng Pin Mặt trời bao gồm nhiều tấm Pin Mặt Trời kết nối với nhau theo kiểu song song, nối tiếp hoặc hỗn hợp tùy thuộc vào cấu hình hệ thống và công suất điện năng cần thiết
Lịch sử về pin năng lượng mặt trời
Hình 2.2: Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
Vào năm 1883 một pin năng lượng được tạo thành bởi Charles Fritts, ông đã phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối từ kế thừa trong nghiên cứu hiệu ứng quang điện năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel hình 2.2 Mặc dù thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russel Ohl được xem là người tạo pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin
2.1.3 Nền tảng của pin năng lượng mặt trời: Để làm pin mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p-n Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic, pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng, Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn
Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều)
Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử
Si để tiếp xúc p-n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên
15 dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif-âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo
B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole) Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p-n Ở chỗ tiếp xúc p-n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron ở đó Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p-n, đối với Si vào cỡ 0,6 V đến 0,7 V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được
Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p-n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron-lỗ trống Nếu cặp electron-lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p-n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn
Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p-n để từ đó làm pin mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật như:
+ Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử nhưng giá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều
+ Đối với silic để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1 eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn Do đó pin mặt trời Si sử dụng năng lượng mặt trời để biến ra điện
Hình 2.3: Hình ảnh pin mặt trời tạo ra dòng điện
Các tinh thể silic (Si) hay là gali asenua (GaAs) là các vật liệu được dùng để chế tạo pin năng lượng mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng có ưu điểm là giá tiền lại thấp hơn
2.1.4 Quy trình tạo ra tế bào quang điện:
- Quá trình làm sạch silicon: Để tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò nung quang điện hình cung, là nơi cacbon hình cung được sử dụng để giải phóng
17 oxy Sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và silicon nóng chảy Silicon lúc này có tạp chất 1%, chưa có tinh khiết để tạo tế bào quang điện cần phải trải qua quá trình làm sạch thêm 99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế hơn nữa bằng cách sử dụng kỹ thuật floating zone Thanh silicon không tinh khiết sẽ truyền qua khu vực được gia nhiệt nhiều lần trong cùng một hướng Mỗi lần thông qua khu vực này sẽ kéo các tạp chất hướng tới một đầu Vào thời điểm này silicon đã được làm sạch hoàn toàn tinh khiết còn đầu chứa tạp chất được loại bỏ
- Làm silicon đơn tinh thể:
Các pin quang điện được làm từ các thỏi silicon hình trụ, có cấu trúc nguyên tử đơn tinh thể được làm từ quy trình Czochralski hình 2.4 Trong quy trình này một hạt đơn tinh thể silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy Khi hạt tinh thể rút lại và xoay vòng, một phôi hình trụ hay boule của silicon được hình thành Phôi thu được chưa chắc tinh khiết, bởi vì tạp chất có lẽ vẫn còn trong chất lỏng
Hình 2.4: Hình ảnh làm silicon đơn tinh thể
- Làm tấm bán dẫn silic:
Từ phôi hình trụ người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trong thỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet) Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thành hay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lục giác
Hình 2.5: Hình ảnh bán dẫn silic được cắt từ phôi hình trụ
Quy trình tạo ra tế bào quang điện
- Quá trình làm sạch silicon: Để tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò nung quang điện hình cung, là nơi cacbon hình cung được sử dụng để giải phóng
17 oxy Sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và silicon nóng chảy Silicon lúc này có tạp chất 1%, chưa có tinh khiết để tạo tế bào quang điện cần phải trải qua quá trình làm sạch thêm 99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế hơn nữa bằng cách sử dụng kỹ thuật floating zone Thanh silicon không tinh khiết sẽ truyền qua khu vực được gia nhiệt nhiều lần trong cùng một hướng Mỗi lần thông qua khu vực này sẽ kéo các tạp chất hướng tới một đầu Vào thời điểm này silicon đã được làm sạch hoàn toàn tinh khiết còn đầu chứa tạp chất được loại bỏ
- Làm silicon đơn tinh thể:
Các pin quang điện được làm từ các thỏi silicon hình trụ, có cấu trúc nguyên tử đơn tinh thể được làm từ quy trình Czochralski hình 2.4 Trong quy trình này một hạt đơn tinh thể silicon được nhúng vào silicon đa tinh thể nóng chảy Khi hạt tinh thể rút lại và xoay vòng, một phôi hình trụ hay boule của silicon được hình thành Phôi thu được chưa chắc tinh khiết, bởi vì tạp chất có lẽ vẫn còn trong chất lỏng
Hình 2.4: Hình ảnh làm silicon đơn tinh thể
- Làm tấm bán dẫn silic:
Từ phôi hình trụ người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trong thỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet) Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thành hay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lục giác
Hình 2.5: Hình ảnh bán dẫn silic được cắt từ phôi hình trụ
Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hay hình lục giác đôi khi được sử dụng để tạo ra tấm pin quang điện vì chúng có thể được gắn với nhau một cách hoàn hảo, nhờ đó tận dụng tất cả không gian có sẵn trên bề mặt phía trước của pin mặt trời Sau đó các tấm bán dẫn được đánh bóng để loại bỏ các dấu cưa Thời điểm gần đây người ta nhận ra các tế bào thô ráp hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, do đó có vài nhà sản xuất đã bỏ qua quá trình đánh bóng tấm bán dẫn
- Quá trình pha tạp (doping):
Các Silicon tinh khiết được pha tạp với phôt-pho và boron để tạo ra lượng electron dư thừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện Sau quá trình Czochralski các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570 độ F hay 1.410 độ C) với sự hiện diện của khí phôt-pho
Hình 2.6: Hình ảnh các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt-pho và boron
Các nguyên tử phôt-pho bên trong silicon xốp hơn vì nó gần như trở thành chất lỏng Nhiệt độ và thời gian cho quá trình này được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo đường nối đồng nhất và có độ sâu thích hợp Thời gian gần đây, người ta pha tạp silicon với phôt-pho bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt nhỏ để bắn các ion phốt pho vào thỏi, bằng việc kiểm soát tốc độ của các ion có thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập của chúng Tuy nhiên quy trình mới này không được nhà sản xuất thương mại chấp nhận
- Đặt các tiếp điểm điện:
Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thu của dòng điện hiện tại Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để không chặn ánh sáng mặt trời vào tế bào các kim loại như paladi/bạc, niken hay đồng được hút chân không thông qua quá trình quang khắc (photoresist), in lụa hay chỉ lắng đọng trên phần tiếp xúc của các tế bào đã được phủ một phần bằng sáp
Hình 2.7: Hình ảnh đặt các tiếp điểm điện
Cả ba phương pháp đều liên quan đến một hệ thống với bên trong gồm một phần của tế bào có tiếp điểm không đòi hỏi được bảo vệ, trong khi phần còn lại tiếp xúc với kim loại Sau khi đặt các tiếp điểm các miếng mỏng được đặt giữa các tế bào Miếng mỏng sử dụng phổ biến được làm từ đồng bọc thiếc
- Phủ lớp chống phản quang:
Bởi vì silicon tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời Để làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị mất trên các tấm bán dẫn silicon được phủ lớp chống phản chiếu Lớp phủ thường được sử dụng nhất làm bằng titan dioxit và
20 silicon oxit chất liệu được sử dụng cho lớp phủ hoặc là nóng lên cho đến khi các phân tử của nó bay hơi, di chuyển đến silicon và ngưng tụ, hoặc là trải qua quá trình phún xạ (sputtering)
Hình 2.8: Phủ lớp phản quang
Trong quá trình phún xạ, điện áp cao đập các phân tử ra khỏi chất liệu và để chúng vào silicon ở điện cực Một phương pháp khác cho phép silicon phản ứng với các khí có chứa oxy hay nitơ để hình thành silicon dioxit hay silicon nitride
- Đóng gói tế bào thành tấm pin:
Các pin mặt trời đã hoàn thành thường được đóng gói lại tạo thành các modun và được đặt vào khung kim loại bằng nhôm có tấm ốp mặt sau tạo nên sự chắc chắn cho pin cùng tấm kính bằng nhựa siêu nhẹ, có độ bền cao theo hình 2.9 Bên trong khung kim loại là vật liệu bảo vệ gồm cao su chứa silicon trong suốt hay nhựa butyryl (thường được sử dụng trong kính chắn gió ôtô) liên kết xung quanh các tế bào, sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat
Hình 2.9: Đóng gói tế bào thành tấm pin
Người ta sử dụng chất silicon tựa như xi măng để ghép tất cả các thành phần bên trên lại với nhau.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Cấu tạo của một phần tử pin mặt trời bao gồm 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 quang điện bên trong theo hình 2.10 Người ta sẽ kết nối nhiều phần tử pin mặt trời lại với nhau tạo thành tấm pin mặt trời để tạo ra nhiều năng lượng Công suất cực đại một tấm pin mặt trời phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm pin mặt trời đó
Hình 2.10: Cấu tạo phần tử 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
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử (electron) sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc sẽ tích điện dương còn phần bán dẫn p ngay đối diện sẽ tích điện âm Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn lớp n sang lớp p
“Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc” Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp electron–lỗ trống được tạo thành bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất của loại bán dẫn, nhiệt độ bề mặt lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới bề mặt vật liệu tiếp xúc
Sự chuyển động của các lỗ dẫn đến sự thiếu hụt các electron trong silicon chuyển toàn bộ tinh thể pha tạp thành một cực dương Do đó, vật liệu bán dẫn loại P có nhiều lỗ electron hơn và khi mỗi nguyên tử tạp chất tạo ra một lỗ, cả hai loại vật liệu bán dẫn loại N và loại P đều trung hòa về điện, nhưng khi hai vật liệu bán dẫn này lần đầu tiên kết hợp một số electron tự do di chuyển qua đường giao nhau để lấp đầy các lỗ trong vật liệu loại P tạo ra các ion âm, nhưng bởi vì các electron đã di chuyển chúng để lại các ion dương trên mặt N âm và các lỗ di chuyển qua ngã ba theo hướng ngược lại vào khu vực nơi có số lượng lớn các electron tự do Chuyển động của các electron và lỗ trên giao lộ được gọi là khuếch tán
Quá trình này tiếp tục cho đến khi số lượng các electron vượt qua đường giao nhau có điện tích đủ lớn để đẩy lùi hoặc ngăn chặn bất kỳ các phần tử nào khác vượt qua ngã ba Cuối cùng, trạng thái cân bằng (tình trạng trung hòa điện) sẽ xuất hiện tạo ra một vùng “Rào cản tiềm năng” xung quanh khu vực của đường giao nhau khi các nguyên tử electron đẩy lùi các lỗ
Tầm quan trọng của sự tích hợp này là nó cản cả dòng chảy của lỗ và electron trên đường giao nhau và đó là lý do tại sao nó được gọi là rào cản tiềm tàng electron Ánh sáng mặt trời là bức xạ điện từ gồm các đơn vị năng lượng ánh sáng rất nhỏ được gọi là photon, khi photon dưới dạng ánh sáng mặt trời chiếu vào hoặc chạm vào điểm tiếp xúc PN của vật liệu bán dẫn của mặt trời, năng lượng từ photon sẽ biến mất hoặc đánh rơi bất kỳ electron tự do nào trong đường giao nhau PN này khi chúng bị kích thích bởi năng lượng photon Điều này dẫn đến các electron được giải phóng và có thể di chuyển tự do để lại vị trí của nó một lỗ hoặc một điện tích dương
Trong vật liệu loại P các electron tự do này dễ dàng xuyên qua lớp tiếp xúc để vào vật liệu loại N, nhưng chuyển động của electron này là một chiều, vì các electron không thể vượt qua lớp suy giảm trở lại lớp P Kết quả là dư thừa các electron tự do tích tụ trong vật liệu bán dẫn loại N tạo ra dòng điện trong tấm pin mặt trời và nó sẽ tiếp tục diễn ra vô thời hạn nếu vẫn đủ điều kiện có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Để rõ hơn ta xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1˂E2
Hình 2.12: Hệ hai mức năng lượng 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 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 ta có: hV = E1 – E2 (2.1) Ở vật rắn, vì sự tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài làm các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng, vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hV bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt” mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h ) lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện
Phương trình hiệu ứng lượng tử: e V hVe h (2.2)
Hình 2.13: Các vùng năng lượng 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 và lỗ trống là:
* h (2.3) Suy ra bước sóng tới hạn C của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e h là:
(2.4) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hV và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử trừ lỗ trống e h , nghĩa là tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong
Tóm lại, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc P-N Khi một photon chạm vào màng silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: photon truyền xuyên qua mảnh silic, điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron ở lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích làm cho các điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử và trở thành dẫn điện thì các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều
25 này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p qua một phụ tải như đèn LED chẳng hạn thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ chạy qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc P-N để từ đó làm pin mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng mặt trời thành dòng điện để sử dụng Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000 0 K nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt hơn là năng lượng điện sử dụng được.
Tính toán hệ thống pin năng lượng mặt trời
2.1.6.1 Tính tổng lượng tiêu thụ của các tải :
Tính tổng số Watt-hour sử dụng của từng thiết bị sau đó cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày
2.1.6.2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày:
Số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải do tổn hao trong hệ thống, và cũng như xét đến tính an toàn khi những ngày có điều kiện nắng không tốt Được tính theo công thức:
Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) phải cung cấp = (1-1,2)* Tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng Trong đó 1 đến 1,2 là hệ số an toàn (nó bị ảnh hưởng do điện trở dây nối, hao phí năng lượng do bụi phủ trên dàn pin mặt trời, )
2.1.6.3 Tính toán kích cở tấm pin mặt trời cần sử dụng: Để tính được kích cỡ của các tấm pin mặt trời cần dùng trong đề tài này ta tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời Lượng WP mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng miền, để chính xác người ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình gọi là “panel generation factor” còn gọi là hệ số hấp thụ bức xạ của pin
26 mặt trời Hệ số “panel generation factor” này là tích số của hiệu suất hấp thụ ( collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation), đơn vị của nó là KWh/m2/ngày
Mức hấp thụ năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoảng 4,58 KWh/m2/ngày cho nên lấy tổng số Watt-hour tấm pin mặt trời cần cung cấp chia cho 4,58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời Có những vùng mức hấp thụ năng lượng mặt trời lớn hơn và cũng có những vùng nhỏ hơn Trong tính toán có thể tính trung bình là 4KWh/m2/ngày Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tấm pin năng lượng mặt trời cần sử dụng
Càng có nhiều panel pin mặt trời hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ắc quy sẽ cao hơn Nếu có ít pin mặt trời hệ thống sễ thiếu điện trong những ngày râm mát sẽ làm bình ắc quy giảm tuổi thọ vì thiếu điện Nếu thiết kế quá nhiều pin mặt trời thì làm giá thành của xe cao Vì thế, thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn phụ thuộc vào mức độ dự phòng của xe
2.1.6.4 Tính toán ắc quy: (battery)
Battery dùng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời là loại deep-cycle Loại này cho phép xả đến mức bình thấp và cho phép nạp đầy nhanh, đó có khả năng nạp xả rất nhiều lần mà không bị hỏng bên trong nên tuổi thọ cao và bền Trước tiên ta tính dung lượng của hệ ắc quy cho toàn hệ thống dung lượng ắc quy cần dung cho hệ solar là dung lượng ắc quy đủ cung cấp điện cho mỗi ngày dự phòng khi các tấm pin năng lượng mặt trời không sản sinh ra điện được Ta tính dung lượng ắc quy bằng cách:
Hiệu suất của ắc quy chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0,85 ta có Wh của ắc quy Với mức xả sâu (Deep of Discharge DOD) là 0,6, ta chia số Wh của ắc qui cho 0,6 sẽ có dung lượng ắc quy
Nguyên lý, cấu tạo và phương pháp nạp điện ắc quy
Kết quả cho ta dung lượng ắc quy tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng
Khi hệ solar có số ngày dự phòng ta phải nhân dung lượng ắc quy cho số ngày dự phòng để có lượng ắc quy cần cho hệ thống Khi đã có điện thế V và dung lượng Ah của bình ắc quy ta có thể lựa chọn ắc quy và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ưu nhất và phải để ý đến tính dự phòng của toàn hệ thống Công thức tính dung lượng ắc quy:
Cách tính thời gian sử dụng phù hợp nhu cầu:
(2.7) Với T: Thời gian sử dụng
A: Dung lượng của ắc quy
2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và bảo dưỡng ắc quy:
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ắc quy:
Một pin chì-axit bao gồm các tấm chì Pb, chì dioxit PbO 2 phẳng được nhúng trong một bể điện phân (dung dịchH 2 SO 4 ) Mặc dù nó có đã thay đổi một chút kể từ khi phát minh ra “GastonePlante” vào năm 1859, nó vẫn được sử dụng rộng rãi cho nó khả năng cung cấp dòng điện cao theo yêu cầu của động cơ là khởi động ôtô với chi phí thấp
Hình 2.14: Cấu tạo ắc quy axít chì
Cả hai cực ắc quy được làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2) điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái cực dương là PbO2, cực âm là Pb, trong các quá trình phóng điện và nạp điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi
Có thể xem về trạng thái hóa học trong các quá trình phóng-nạp như hình dưới đây:
Hình 2.15: Quá trình nạp và phóng điện các điện cực ắc quy Ắc quy hoạt động được nhờ sự kết hợp của hai thành phần cấu tạo của bản cực âm và dương cùng với chất điện phân để sản sinh ra điện năng Khi các thành phần của hai bản cực âm dương tham gia đã hoàn toàn chuyển đổi hoặc chất điện phân không đủ duy trì thì ắc quy tiến tới trạng thái mất điện Để duy trì khả năng sử dụng của ắc quy thì ta phải tiến hành nạp lại điện năng để chuyển đổi lại các thành phần cấu tạo của bản cực cũng như chất điện phân Đối với bình ướt phải châm thêm nước cất và nạp lại điện mới tiếp tục sử dụng Vậy để ắc quy có thể sử dụng được lâu dài, mức điện năng sử dụng và việc tái nạp lại một cách đầy đủ lượng tiêu thụ là hết sức quan trọng
- Quá trình phóng điện: diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, lúc này xảy ra phản ứng hóa học sau:
+Tại cực dương: 2PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O+O2
+Tại cực âm: Pb+H2SO4=PbSO4+H2
Phản ứng chung gộp lại trong toàn bình là: Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4
Hình 2.16: Quá trình phóng điện của ắc quy axít chì
- Quá trình nạp điện cho ắc quy: do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4
Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm PbO2, cực âm là Pb
Hình 2.17: Quá trình nạp điện ắc quy axít chì
Trong thực tế các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc quy có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn, và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của
30 hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa nên làm phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực
Mỗi một ngăn cực của ắc quy axít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 V đến 2,2 V, do đó để đạt được các mức 6 V, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau, ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V (2,1 V/1 Cell), ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V (2,1 V/1 Cell)
2.2.2 Hướng dẫn phương pháp nạp điện cho ắc quy: Đối với ắc quy mới mua về, chúng ta nên nạp điện cho ắc quy “đầy” rồi mới sử dụng Thời gian nạp điện thông thường (với dòng nạp khoảng 1/10 so với dung lượng của ắc quy) là khoảng 10 giờ với ắc quy nước, đối với dòng ắc quy tải là từ 8-12 giờ Khi xuất xưởng ắc quy thông thường đã được nạp đầy, tuy nhiên từ khi xuất xưởng đến lúc ta mua về luôn có một khoảng thời gian trung chuyển, khoảng thời gian này càng lâu thì mức độ tự phóng điện của ắc quy càng cao lượng điện tự hao hụt cho phép của ắc quy khoảng 3% /tháng Khi ắc quy phóng điện, nếu điện áp giảm xuống 1,80 V/cell (tương ứng U = 10,8 V với loại ắc quy 12 V) phải dừng phóng điện và nạp lại ngay không để ắc qui đói điện lâu Tiến hành nạp no điện cho ắc quy rồi mới đem ra sử dụng lại, ắc quy được gọi là “đầy điện” khi hiệu điện thế ở hai đầu của ắc quy đo được là 12,4 – 12,54 V đối với ắc quy 12 V
Dòng điện nạp: điện thế nạp định mức thường bằng 1,2–1,25 lần dòng điện áp của bình ắc quy Với ắc quy axít chì 12 V ta nạp điện liên tục với chế độ ổn áp U 14,4 – 14,5 V) Dòng điện nạp không được lớn hơn 0,1–0,2 lần dung lượng định mức của bình (ví dụ: Với loại ắc quy axít chì có dung lượng 100 Ah dòng nạp tối đa
< 10 Ah-20 Ah) Thông số điện áp nạp ắc quy được thể hiện trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thông số điện áp nạp ắc quy
Lưu ý: nhiệt độ chất điện phân không được vượt quá50 0 C Khi nhiệt độ vượt quá trị số này thì phải ngưng nạp để hạ nhiệt độ bằng cách giảm dòng nạp cho đến khi nhiệt độ ổn định Lúc này, thời gian để nạp tăng lên tương ứng để bảo đảm dung lượng nạp Chúng ta không được để quá nạp vì bản cực sẽ bị sunfat hóa làm giảm tuổi thọ của ắc quy, nguy hiểm hơn là có thể gây nổ ắc quy
2.2.3 Cách nạp điện ắc quy:
Dòng nạp tiêu chuẩn phải được ổn định từ 1/10 đến 1/5 dung lượng ắc quy ( trừ một số loại ắc quy đặc biệt, cho phép nạp nhanh theo tài liệu kỹ thuật đính kèm) Thời gian tiêu chuẩn để nạp một ắc quy từ: 8 –12 giờ
Chọn dòng sạc: nếu ta chọn dòng sạc nhỏ so với dung lượng thì ắc quy sẽ lâu đầy, nhưng nếu dòng sạc càng nhỏ thì ắc quy càng bền và càng được “đầy điện” Ngược lại nếu ta chọn dòng sạc quá lớn so với dung lượng (thường lớn hơn 25% trị số dung lượng định mức của bình) thì ắc quy sẽ rất nhanh đầy nhưng sẽ nhanh bị hỏng và hiện tượng đầy thường là ảo thậm chí có thể bị nổ khi dòng sác quá mạnh Khi ắc quy đầy cần phải ngắt nạp hoặc chuyển sang chế độ nạp duy trì trong một khoảng thời gian tiếp theo (thông thường khoảng 1 giờ) để ắc quy thực sự đầy Nạp ắc quy với dòng nạp không đổi nạp kiểu một bước: để dòng nạp không vượt quá 12% của dung lượng định mức (trị số Ampe có ghi trên ắc quy), cụ thể với
Loại ắc quy Chế độ nạp
Tên của thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật Ắc quy 12V
Nạp thường xuyên Điện áp nạp 13.5V-13.8V Dòng nạp lớn nhất (A) £0,25 trị số dung lượng ghi trên bình Nạp chu kỳ Điện áp nạp 14.4V-15V
Dòng nạp lớn nhất (A) £0.25 trị số dung lượng ghi trên bình
32 loại ắc quy 100 Ah dòng nạp điện tối đa 12 Ah Với dòng nạp này ắc quy sẽ lâu đầy nhưng đảm bảo tuổi thọ của ắc quy lâu hơn và đảm bảo an toàn trong quá trình nạp Thời gian nạp với phương pháp này thường kéo dài từ 10 – 12 giờ ắc quy mới no điện
+ Giai đoạn 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của ắc quy, nhưng không vượt quá 0,2 lần dung lượng định mức Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4 V ở mỗi cell thì chuyển sang giai đoạn hai
Bộ chuyển đổi DC/DC
Hình 2.19: Module BUCK nguồn DC-DC Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC-DC nó được sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các hệ thống điện tự động Với ưu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp, ổn định được điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra khi với một đầu vào Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn: cách ly và không cách ly
* Nhóm nguồn không cách ly :
Hình 2.20: Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC
Bộ DC/DC được dùng để làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy Bộ biến đổi DC/DC còn dùng để điều khiển chế độ nạp và xả để bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: bộ tăng áp Boost, bộ giảm áp Buck, bộ hỗn hợp tăng giảm Boost–Buck và bộ biến đổi Cuk Cả ba loại chuyển đổi DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được nhu cầu sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích hợp
2.5.1 Buck converter: Bộ biến đổi giảm áp
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck
Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép Với bộ biến đổi Buck,
37 biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp hơn Bộ Buck được sử dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch analog truyền thống
Công thức biến đổi như sau: D
(2.8) Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT.Mạch
Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa
MOSFET được đóng mở với tần số cao, hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:
(2.9) Ở trạng thái xác lập dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau
Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục
Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa
(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2, ta giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Lúc này điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là:
Còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là:
VL=−(T2/T)*Vout (2.11) Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle)
D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1)
Với các bộ biến đổi Buck, điều đặt ra là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ công tác D:
Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min
Thông thường, các bộ biến đổi Buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout) Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin)*T*Vout = Lmin*2*Iout,min (2.15)
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch) thì Lmin cũng cần phải lớn
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra
Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là: ΔI*T/8
Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C*ΔV Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua
39 điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập) Như vậy chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau: ΔI*T/8 = C*ΔV ΔI đã được xác định ở trên bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp
Hình 2.22: Dạng sóng điện áp mạch và dòng điện mạch Buck
Bộ Buck được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống pin mặt trời vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời
2.5.2 Boost converter: Bộ biến đổi tăng áp
Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi tăng áp
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian
Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô tơ điện
2.6.1 Cấu tạo của mô tơ điện:
Có 2 phần chính là stato và roto giúp cấu tạo lên động cơ điện một chiều:
-Phần tĩnh: stato của động cơ thường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện + Lõi thép: là bộ phận dẫn từ của máy có hình dạng trụ, lõi thép được làm bằng các là thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm được dập theo hình vành khăn, phía trong có xẻ rãnh để đặt dây quấn và được sơn phủ trước khi khép lại
+ Dây quấn: dây quấn stato thường làm bằng dây đồng đặt trong các rãnh của lõi thép Hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận phụ bao bọc lõi thép là vỏ máy được làm bằng nhôm hoặc gang dùng để giữ chặt lõi thép phía dưới là chân đế để bắt chặt vào bệ máy, hai đầu có hai nắp làm bằng vật liệu cùng loại với vỏ máy, trong nắp có ổ đỡ (hay còn gọi là bạc) dùng để đỡ trục quay của rôto
- Phần quay: hay còn gọi là rôto, gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy
+ Lỗi thép: có dạng hình trụ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, dập thành hình dĩa và ép chặt lại, trên mặt có các đường rãnh để đặt các thanh dẫn hoặc dây quấn Lõi thép được ghép chặt với trục quay và đặt trên hai ổ đỡ của stato
+ Dây quấn: trên rôto có hai loại đó là rôto lồng sóc và rôto dây quấn
Loại rôto dây quấn có dây quấn giống như stato, loại này có ưu điểm là mooment quay lớn nhưng kết cấu phức tạp, giá thành tương đối cao
Loại rôto lồng sóc: kết cấu của loại này rất khác với dây quấn của stato Nó được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của rôto tạo thành các thanh nhôm và được nối ngắn mạch ở hai đầu và có đúc thêm các cánh quạt để làm mát bên trong khi rôto quay
Phần dây quấn được tạo từ các thanh nhôm và hai vòng ngắn mạch có hình dạng như một cái lồng nên gọi là rôto lồng sóc Các đường rãnh trên rôto thông thường được dập xiên với trục, nhằm cải thiện đặc tính mở máy và giảm bớt hiện tượng rung chuyển do lực điện từ tác dụng lên rôto không liên tục
2.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng điện kích từ Ik Dòng kích từ này sẽ sinh từ thông chạy trong mạch từ của động cơ Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần cứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ sẽ sản sinh ra một momen điện từ, làm quay trục motơ điện, truyền đến ly hợp từ, bộ truyền xích đến bánh xe Đặc tính moment của động cơ điện: động cơ có moment xoắn cao nhất ở tốc độ trục thấp
Hình 2.25: Đồ thị moment và công suất của động cơ điện.
Phương pháp chung
Từ các thông số của ôtô ta tính toán các thông số khí động lực học của ôtô.
Tính toán các lực tác dụng lên ôtô khi chọn động cơ điện
Để ôtô chuyển động được thì ôtô cần thắng được các lực cản tác dụng lên nó khi chuyển động, đó là: lực cản lăn, lực cản dốc, và lực cản gió, lực cản quán tính j W i f tong F F F F
(2.21) Với: F tong : tổng các lực cản của xe
F f : lực cản lăn, là lực cản được sinh ra do sự tiếp xúc của lốp xe với mặt đường
F f = f*m*g (2.22) f: hệ số cản lăn, phụ thuộc vào từng loại đường khi vận tốc nhỏ hơn hoặc bằng 80km/h Ta chọn hệ số cản lăn f = 0,016 theo bảng 2.2 Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s
Bảng 2.2: Bảng thông số cản lăn ứng với từng loại đường
Loại đường: Hệ số cản lăn f:
Rải đá 0,023-0,030 Đất khô 0,025-0,035 Đất sau khi mưa 0,050-0,150
Cát 0,100-0,300 Đất sau khi cày 0,120 v F
F i : lực cản dốc là lực cản được sinh ra khi xe leo đồi hoặc cầu vượt hoặc khi đi trên đường dốc xuống Góc giữa mặt đất và độ dốc của đường được biểu diễn dưới dạng α, ta xét ở trường hợp xe chạy trên đường dốc với góc dốc mười độ (góc dốc 10 độ là góc dốc tiêu chuẩn trong sa hình lái tại Việt Nam)
F W : Lực cản gió là lực cản không khí tác dụng lên xe khi chạy Nó được xác định chủ yếu bởi hình dạng của chiếc xe Công thức tính toán lực cản khí động học được đưa ra bởi phương trình sau:
Với F: diện tích cản chính diện của ô tô, ta chọn F = 1,6 (m 2 )
K: hệ số cản không khí, ta chọn K = 0,3 (Ns 2 /m 4 ) theo bảng 2.3 thực nghiệm sau:
Bảng 2.3: Hệ số cản k ứng với diện tích cản chính diện của ôtô
Loại xe K( Ns 2 / m 4 ) F ( m 2 ) Ôtô du lịch:
+ Vỏ hở 0,4-0,5 1,5-2,0 Ôtô tải 0,6-0,7 3,0-5,0 Ôtô khách 0,25-0,4 4,5-6,5 Ôtô đua 0,13-0,15 1,0-1,3
(2.28) Với:F j Lực cản quán tính, có giá trị dương khi xe tăng tốc, và âm khi xe giảm tốc độ
Khi ta chọn động cơ điện thì công suất động cơ điện phải thắng được công suất các lực cản lăn, cản dốc, và cản gió, lực cản quán tính Nên: j W i f tong P P P P
(2.30) Trong đó, hiệu suất của hệ thống bánh răng truyền động mà chúng ta chọn hiệu quả của hệ thống truyền tải là 0,85 Do đó, công suất động cơ điện cần thiết là:
Đáp ứng yêu cầu tốc độ tối đa xe của động cơ điện
Nhu cầu năng lượng tốc độ tối đa được tính theo công thức: max
Trong đó: Pvmax: là nhu cầu năng lượng cơ học của xe điện (W) m: là khối lượng của xe (kg) Trong đề tài này ta chọn khối lượng xe là
420 kg g: là gia tốc trọng trường (g = 9,1 m/ s 2 ) f : là hệ số lực cản lăn Ta chọn f = 0,016
C X : là tiết diện ( m 2 ) v max: là tốc độ tối đa xe (m/s) Trong đề tài này ta chọn tốc độ tối đa của xe là 35km/h = 9,72222 m/s vì xe chạy trong sa hình tập lái nên tốc độ của xe không cao.
Tính tỷ số truyền, và đường kính đĩa xích cho bộ truyền xích
Ta có: tỷ số truyền bộ truyền xích: i bx đc n n
(2.33) Với: n đc :là vận tốc motơ điện n bx : là vận tốc tại bánh xe b b r
Ta chọn số răng trên bánh xích dẫn Z 1 = 29-2*u răng (2.34)
Số răng trên bánh xích bị dẫn sẽ là Z 2 = i*Z 1 răng (2.35)
2.10.2 Tính đường kính bánh xích:
Ta chọn loại xích răng gồm nhiều má xích hình răng xếp xen kẽ và nối với nhau bằng bản lề, các mặt răng làm việc tạo thành góc 60 0 , xích răng làm việc êm, ít ồn truyền được tải trọng cao, và loại xích này có thể dùng với vận tốc 35 m/s
(2.36) Đường kính trên bánh xích