ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NẠP ĐIỆN BA BÁNH

ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NẠP ĐIỆN BA BÁNH Xe máy hiện đang là phương tiện giao thông thiết yếu của số đông người dân Việt Nam. Kéo theo nhiều hệ lụy trong đó có vấn đề về sử dụng cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống và ô nhiễm môi trường. Một trong những phương pháp để giải quyết hai vấn đề này là chúng ta phải chế tạo được những mẫu xe sử dụng nguồn nhiên liệu sạch, tái tạo và dưới sự góp ý của thầy Ngô Quang Tạo em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu lắp đặt hệ thống nạp sử dụng năng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh ” làm đề tài nghiên cứu khoa học với mong muốn có thể góp một phần nào đó giúp giải quyết một số vấn đề trên. Mục tiêu của đề tài này là thiết kế một chiếc xe máy 3 bánh có mái che sử dụng năng lượng mặt trời để đi trong công viên khu vui chơi với một người lái vận tốc tối đa 30kmh, khả năng vượt dốc α=10%.

LỜI NÓI ĐẦU

Xe máy hiện đang là phương tiện giao thông thiết yếu của số đông người dân Việt Nam Kéo theo nhiều hệ lụy trong đó có vấn đề về sử dụng cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống và ô nhiễm môi trường Một trong những phương pháp để giải quyết hai vấn đề này là chúng ta phải chế tạo được những mẫu xe sử dụng nguồn nhiên liệu sạch, tái tạo và dưới sự góp ý của thầy Ngô Quang Tạo em đã quyết định chọn đề tài

“Nghiên cứu lắp đặt hệ thống nạp sử dụng năng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh ” làm đề tài nghiên cứu khoa học với mong muốn có thể góp một phần nào đó giúp giải quyết một số vấn đề trên

Mục tiêu của đề tài này là thiết kế một chiếc xe máy 3 bánh có mái che sử dụng năng lượng mặt trời để đi trong công viên khu vui chơi với một người lái vận tốc tối đa 30km/h, khả năng vượt dốc α=10%

Mặc dù đã cố gắng hết sức , nhưng do kiến thức và thời gian có hạn , đồ án không tránh khỏi nhiều thiếu sót Em xin cảm ơn thầy cùng toàn bộ thầy cô trong khoa Ô tô

đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo để em hoàn thành đề tài này

Mục lục

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH , NĂNG LƯỢNG TÁI

1 Khái niệm năng lương sạch năng lượng tái tạo 3

1.1 Năng lượng sạch 3

1.2 Năng lượng tái tạo 3

1.3 Vai trò và ý nghĩa 3

2 Phân loại năng lượng tái tạo 7

2.1 Năng lượng mặt trời 7

2.2 Năng lượng địa nhiệt 9

2.3 Năng lượng thủy triều 10

2.4 Thủy điện 11

2.5 Năng lượng gió 13

3 Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam 14

CHƯƠNG II NGUYÊN LÍ CHUNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 18

1 Nguyên lí tạo ra biến đổi quang năng thành điện năng 18

2 Sơ đồ nguyên lí chuyển năng lượng từ pin mặt trời ra các thiết bị tải 21

3 Nguyên lý chung của xe điện có sử dụng năng lượng mặt trời 22

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP CHO XE ĐIỆN BA BÁNH SỬ DỤNG TẤM PIN MẶT TRỜI 24

1 Trang thiết bị điện trên xe 24

1.1 Một số ắc quy trang bị trên xe 24

1.2 Động cơ 26

1.3 Bộ IC Điều tốc 28

2 Pin năng lượng mặt trời 30

2.1 Tìm hiểu các loại pin mặt trời trên thị trường 30

2.2 Lựa chọn kích thước pin mặt trời 35

3 Lựa chọn bộ sạc cho hệ thống pin mặt trời 39

3.1 Tìm hiểu một số loại sạc trên thị trường 39

3.2 Lựa chọn sạc 44

3.3 Tính toán dòng điện nạp cho acquy 47

CHƯƠNG IV KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 48

1 Điều kiện thí nghiệm: 48

2 Kết quả 49

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH , NĂNG

LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Khái niệm năng lương sạch năng lượng tái tạo

1.1.1 Năng lượng sạch

Năng lượng sạch là Năng lượng dạng năng lượng mà trong quá trình chuyển hóa

để sinh công, bản thân nó hoặc quá trình sinh công đó không tạo ra một lượngchất thải độc hại gây ảnh hưởng lớn đến môi trường hoặc phá hủy môi trườngtrước đó

1.1.2 Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liêntục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặttrời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt

Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần nănglượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các

sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ MặtTrời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnhvực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lậpnông thôn

1.1.3 Vai trò và ý nghĩa

Các dạng năng lượng từ than đá, dầu mỏ thường tạo ra một lượng lớn các loạikhí oxit độc hại của S, P, N, Cl các loại khí này có thể kết hợp với hơi nướctrong bầu khí quyển để tạo ra các loại acid độc hại như: H2SO4; H3PO4)2;HNO3; HCL các dạng axit này tạo ra mưa acid nguy hại đối với thảm thực vật,môi sinh Hoặc để có được một nguồn năng lượng, con người phải hủy diện đimôi sinh ban đầu Ví dụ: Chặt phá rừng và xây đập nước để xây dựng thủy điện Các dạng năng lượng trên đã và đang phổ biến sử dụng trên thế giới và hậu quả

là gây hủy hoại môi trường tạo ra các tác động xấu mà con người có thể cảmnhận được như: mưa acid; bão lũ; thiên tai

Ngay nay, con người đang dần dần tìm cách thay thế các dạng năng lượng đóbằng các loại năng lượng sạch hơn như: Năng lượng mặt trời; Năng lượng gió;

Năng lượng tái sinh; Năng lượng sóng; Năng lượng cơ sinh học; Năng lượng hóalý

Có khoảng 16% lượng tiêu thụ điện toàn cầu từ các nguồn năng lượng tái tạo, với10% trong tất cả năng lượng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu được dùng đểcung cấp nhiệt, và 3,4% từ thủy điện Các nguồn năng lượng tái tạo mới (smallhydro, sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếmthêm 3% và đang phát triển nhanh chóng Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc giatrên thế giới đã sử dụng năng lượng tái tạo và cung cấp hơn 20% nhu cầu nănglượng của họ Các thị trường năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếptục tăng trưởng mạnh trong thập kỷ tới và sau đó nữa Ví dụ như, năng lượng gióđang phát triển với tốc độ 30% mỗi năm, công suất lắp đặt trên toàn cầu là282.482 (MW) đến cuối năm 2012

Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lạivới các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia Việc đưa vào sửdụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninhnăng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế Các cuộc khảosát ý kiến công cộng trên toàn cầu đưa ra sự ủng hộ rất mạnh việc phát triển và sửdụng những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió

Trong khi nhiều dự án năng lượng tái tạo có quy mô lớn, các công nghệ nănglượng tái tạo cũng thích hợp với các vùng nông thôn và vùng sâu, vùng xa và cácnước đang phát triển Tổng thư ký Liên Hiệp Quốc Ban Ki Moon đã nói rằngnăng lượng tái tạo có khả năng nâng những nước nghèo lên một tầm mới thịnhvượng hơn

Các mô hình tính toán trên lý thuyết

Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóathạch và năng lượng nguyên tử Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi

là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứngđược nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặttrời

Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng minh

là với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu cầunăng lượng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về nănglượng điện của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châuPhi hay là bằng các tuốc bin gió được lắp đặt ngoài biển Sử dụng một cách triệt

để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầunước nóng

Năng lượng tái tạo và hệ sinh thái

Người ta hy vọng là việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích vềsinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế So sánh với các nguồn nănglượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả

có hại đến môi trường Nhưng các ưu thế về sinh thái này có thực tế hay khôngthì cần phải xem xét sự cân đối về sinh thái trong từng trường hợp một Thí dụnhư khi sử dụng sinh khối phải đối chiếu giữa việc sử dụng đất, sử dụng các chấthóa học bảo vệ và làm giảm đa dạng của các loài sinh vật với sự mong muốngiảm thiểu lượng CO2 Việc đánh giá các hiệu ứng kinh tế phụ cũng còn nhiềuđiều không chắc chắn Sử dụng năng lượng tái tạo rộng rãi và liên tục có thể tácđộng đến việc phát triển của khí hậu Trái Đất về lâu dài Có thể hình dung đơngiản: dòng chuyển động của gió sẽ yếu đi khi đi qua các cánh đồng cánh quạtgió, nhiệt độ không khí giảm xuống tại các nhà máy điện mặt trời (do lượng bức

xạ phản xạ trở lại không khí bị suy giảm)

Mâu thuẫn về lợi ích trong công nghiệp năng lượng

Khác với các nước đang phát triển, những nơi mà cơ sở hạ tầng còn chậm pháttriển, việc mở rộng xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo trong các nước côngnghiệp gặp nhiều khó khăn vì phải cạnh tranh với các công nghệ năng lượngthông thường Về phía các tập đoàn năng lượng mà sự vận hành các nhà máyđiện dựa trên năng lượng hóa thạch, sự tồn tại vẫn là một phần của câu hỏi.Nhưng trong mối quan hệ này cũng là câu hỏi của việc tạo việc làm mới tronglãnh vực sinh thái cũng như trong lãnh vực của các công nghệ mới

Hệ thống cung cấp điện đã ổn định tại các nước công nghiệp như Đức dựa trênmột hạ tầng cơ sở tập trung với các nhà máy phát điện lớn và mạng lưới dẫn điện

đường dài Việc cung cấp điện phi tập trung ngày một tăng thông qua các thiết bịdùng năng lượng gió hay quang điện có thể sẽ thay đổi hạ tầng cơ sở này trongthời gian tới.

Mâu thuẫn về lợi ích trong xã hội

Việc sử dụng năng lượng tái tạo có thể làm cho việc can thiệp vào môi trường trởnên cần thiết, một việc có thể trở thành bất lợi cho những người đang sống tại đó.Một thí dụ cụ thể là việc xây đập thủy điện, như trong trường hợp của đập TamHiệp ở Trung Quốc khoảng 2 triệu người đã phải dời chỗ ở

1.2 Phân loại năng lượng tái tạo

1.2.1 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời thu được trên Trái Đất năng lượng của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ mặt trời đến Trái Đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng nănglượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vàokhoảng 5 tỷ năm nữa

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyểnnăng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng , như trong pin Mặt Trời.Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể,tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước mặt trời, hoặclàm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệthống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượngtrong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này đượccho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóathạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ XIX đến XXI đã vàđang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinhhọc tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học

tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn nănglượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinhhọc, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn.

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyểnTrái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ nănglượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giốngbình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ

từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước

và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phátđiện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sôngsuối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng cóthể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bingió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã đượcứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trênmặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùngsóng biển.

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thayđổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời.Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào banngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơnhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển.

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phầnnăng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn củabiển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần nănglượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

1.2.2 Năng lượng địa nhiệt

Hình 1: Năng lượng địa nhiệt ở iceland

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất.Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạtđộng phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấpthụ tại bề mặt Trái Đất Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể

từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện Có khoảng 10

GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp0,3% nhu cầu điện toàn cầu Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trựctiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển

và nông nghiệp ở một số khu vực

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện vàthân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với cáckhu vực gần các ranh giới kiến tạo mảng Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây

đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặcbiệt là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình Các giếngđịa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu tronglòng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiênliệu hóa thạch thông thường Công nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sựnóng lên toàn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi

1.2.3 Năng lượng thủy triều

Hình 2: Năng lượng thủy triều

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng vớitrường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủyquyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyểnTrái Đất) Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất,trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của

bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trongcác nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức

độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luônhướng một mặt về phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triềucũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời

1.2.4 Thủy điện

Hình 3: Nhà máy thủy điện Sơn La

Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng thuỷđiện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốcbin nước và máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượngđộng lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nướcnhư năng lượng thuỷ triều Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo

Thuỷ điện chiếm 20% lượng điện của thế giới Na Uy sản xuất toàn bộ lượngđiện của mình bằng sức nước, trong khi Iceland sản xuất tới 83% nhu cầu của họ(2004), Áo sản xuất 67% số điện quốc gia bằng sức nước (hơn 70% nhu cầu củahọ) Canada là nước sản xuất điện từ năng lượng nước lớn nhất thế giới và lượngđiện này chiếm hơn 70% tổng lượng sản xuất của họ

Ngoài một số nước có nhiều tiềm năng thuỷ điện, năng lực nước cũng thườngđược dùng để đáp ứng cho giờ cao điểm bởi vì có thể tích trữ nó vào giờ thấp

điểm (trên thực tế các hồ chứa thuỷ điện bằng bơm – pumped-storage hydroelectric reservoir - thỉnh thoảng được dùng để tích trữ điện được sản xuất

bởi các nhà máy nhiệt điện để dành sử dụng vào giờ cao điểm) Thuỷ điện khôngphải là một sự lựa chọn chủ chốt tại các nước phát triển bởi vì đa số các địa điểmchính tại các nước đó có tiềm năng khai thác thuỷ điện theo cách đó đã bị khaithác rồi hay không thể khai thác được vì các lý do khác như môi trường

1.2.5 Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển TráiĐất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Nănglượng gió được con người khai thác từ các tuốc bin gió

Hình 4: Các tua bin cánh quạt

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nướcvới Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió vớikhoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nhaviệc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằngquyết tâm chính trị Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại

3 quốc gia này Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện,trong đó Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730

MW ở Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuấtđiện từ gió lên 94.112 MW

1.3 Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Theo số liệu đánh giá của ngành điện, ở Việt Nam cường độ bức xạ mặt trờitrung bình khá cao, khoảng 5kWh/m2/ngày và số giờ nắng đến khoảng 1700 -

2500 giờ/năm

Điện mặt trời có những thế mạnh vượt trội so với các nguồn điện tự nhiên khác.Chẳng hạn, nguồn điện sinh khối có công suất rất khiêm tốn mà chi phí đầu tư lạilớn Còn với điện gió, theo tính toán, để làm được 1MW điện gió phải cần đến 2

ha mặt bằng và chỉ thực hiện được ở một số khu vực Rồi đến khi đặt tua-bin gióthì cũng lo không biết có chạy được không, rồi mưa bão có hỏng không vv…Với điện mặt trời, để sản sinh được 1MW chỉ cần 1 ha mặt bằng và có thể triểnkhai ở mọi vùng miền trên cả nước - nhất là việc sử dụng các panel đặt trên máinhà Chi phi cho điện mặt trời lại thấp, chẳng hạn với 1 bộ pin mặt trời nối lưới

có công suất 3-4 kW chỉ chi khoảng 80-100 triệu đồng.Trung bình, tổng bức xạnăng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kWh/m2/ngày ở các tỉnh miềnTrung và miền Nam, và vào khoảng 4,2kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc Từdưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốtthời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắngtrong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ, trong khi ở miền Trung vàmiền Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm

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 - 2600giờ 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 địaphương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tàinguyên to lớn để khai thác sử dụng

Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địaphương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chêng lệch đáng kể về bức xạ mặttrời Cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc Trong đó:

Vùng Tây Bắc:

- Nhiều nắng vào các tháng 8 Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5

và 9,10 Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều Lượng tổng xạ trungbình ngày lớn nhất vào khoảng/ngày và trung bình trong năm là 3,489 /ngày

- Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng Mây phủ và mưanhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1 Cường độ bức xạ trung bình thấp(< 3,489 kWh// ngày)

Dưới đây là một số bảng thống kê dữ liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùngmiền và các địa phương ở nước ta.

Bảng 1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta

Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày) Ứng dụng

Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế

lớn Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối

ưu nhất Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ

lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp

sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm

phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng

lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn

kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải

pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÍ CHUNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 2.1 Nguyên lí tạo ra biến đổi quang năng thành điện năng

Pin mặt trời, hay tế bào quang điện (PV), tế bào năng lượng mặt trời là một thiết

bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện.Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử đượcthoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) saukhi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sangtrạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi đượcngười ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hình 5: Hiệu ứng quang điện

i) Các tế bào năng lượng mặt trời đầu tiên được xây dựng bởi CharlesFritts trong những năm 1880 Năm 1931, một kỹ sư người Đức, tiến sĩ BrunoLange, phát triển một tế bào hình ảnh bằng cách sử dụng selenua bạc ở vị trícủa oxit đồng Mặc dù tế bào selenium nguyên mẫu chuyển đổi ít hơn 1%ánh sáng tới thành điện năng, cả hai Ernst Werner von Siemens và JamesClerk Maxwell đều nhận ra tầm quan trọng của phát hiện này Sau côngtrình của Russell Ohl trong những năm 1940, các nhà nghiên cứu GeraldPearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin tạo ra tế bào năng lượng mặt

trời silicon vào năm 1954 Những tế bào năng lượng mặt trời ban đầu có giá

286 USD mỗi watt và đạt hiệu suất 4,5-6%

Quá trình biến đổi ánh sáng thành điện được gọi là “quang điện” Tế bào quangđiện là những thiết bị được xây dựng để thu ánh sáng mặt trời và biến nó thànhdòng điện có thể sử dụng được Tấm pin mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thuthập ánh nắng mặt trời và biến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bàoquang điện có nhiệm vụ thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời

Chất bán dẫn

Một tế bào năng lượng mặt trời được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn, ví dụ nhưsilicon Chất bán dẫn có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn và chất cáchđiện Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phùhợp cho việc tạo ra chất bán dẫn Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòađiện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa sốelectron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trunghòa điện tích

Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cáchkết hợp nó với các vật liệu khác Quá trình này được gọi là “doping” và siliconpha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống Một chất bán dẫnsilicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác Phần đầutiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có

đủ 5 electron trong vỏ của nó Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra.Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N(điện cực N) Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợpsilicon với boron Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợpvới silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron

Hình 6: Hiệu ứng quang chất bán dẫn

Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N

sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P Sau đó, các electron từđiện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường Các tế bào năng lượngmặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đếnđiện cực N, không cho phép di chuyển ngược lại

Tất nhiên, để kích hoạt quá trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bàosilicon Ánh sáng mặt trời được làm bằng các photon, các hạt nhỏ năng lượng cóthể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết của cácelectron ở điện cực N Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới điệncực P tạo ra dòng điện.

Khi điện trường đã được tạo ra, tất cả những gì chúng ta cần làm là thu thập vàchuyển nó thành dòng điện có thể sử dụng Một bộ biến tần được gắn với các tếbào năng lượng mặt trời sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC) thành dòng điệnxoay chiều (AC) Dòng điện xoay chiều là dòng điện chúng ta đang sử dụng ởkhắp mọi nơi.

2.2 Sơ đồ nguyên lí chuyển năng lượng từ pin mặt trời ra các thiết bị tải

Hình 7: Nguyên lí chuyển năng lượng từ pin mặt trời ra các thiết bị tải

2.3 Nguyên lý chung của xe điện có sử dụng năng lượng mặt trời

Sơ đồ nguyên lý xe điện mặt trời gồm: động cơ điện, bộ điều khiển motor bằngđiện từ, tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ nguồn (bình điện), hệ thốngkhung, vỏ xe, hệ thống phanh, lái và các hệ thống điện trên xe

Hình 8: Sơ đồ hệ thống truyền động sử dụng năng lượng mặt trời

Nguyên lý làm việc: Động cơ điện được cung cấp nguồn từ ắc quy, thông qua hệthống truyền lực truyền momen tới bánh xe chủ động Động cơ được điều khiểnbởi một bộ điều khiển động cơ riêng biệt, nó lấy tín hiệu từ bàn đạp ga để xácđịnh tốc độ tương ứng, để lùi xe dùng mạch đảo chiều dòng điện để đảo chiềuquay động cơ Ắc quy được nạp điện từ hai nguồn: tấm pin năng lượng mặt trời

và nguồn điện dân dụng Những hệ thống khác trên xe hoạt động tương tự nhưmột chiếc ô tô bình thường.

+ Bộ điều khiển sạc: Là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời

và hệ các bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc sạc bình

ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời

+ Động cơ điện: Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động Có hai loại động

cơ điện (motor) thông dụng sử dụng trên ô tô có sử dụng năng lượng mặt trời:Động cơ điện xoay chiều (AC) và động cơ điện một chiều (DC)

+ Bình điện (Ắc quy): Trên xe điện ắc quy là nguồn năng lượng chính, dùng

để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và cung cấp năng lượng cho tất cả cácphụ tải khác ngay cả khi động cơ điện không làm việc

+ Pin mặt trời: Là loại pin phát sinh điện áp khi được chiếu sáng, nguồnđiện để nạp cho ắc quy

+ Bộ điều khiển motor bằng điện tử: Mạch này có chức năng cấp dòng điềukhiển động cơ điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đảm bảo đổi chiềuđộng cơ điện cho trường hợp lùi xe, đảm bảo tương quan vận tốc của 2 bánh xechủ động trong và ngoài khi xe quay vòng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP CHO XE ĐIỆN BA BÁNH

SỬ DỤNG TẤM PIN MẶT TRỜI 3.1 Trang thiết bị điện trên xe

3.1.1 Một số ắc quy trang bị trên xe

+ Ắc quy chì- axit

Hình 9: Ắc quy chì- axit

Ắc quy chì - axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được

sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn Tuy nhiên, loại ắc quy này

có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém (thường là 3 năm với điềukiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế

+ Ắc quy Lithium- ion

Ắc quy Lithium - Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại

ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhấttrong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%),tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm) Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sửdụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp Hiện xemáy điện cũng đã sử dụng loại ắc quy này

Hình 10: Ắc quy Lithium ion

Kết luận: Xe thực tế sử dụng ắc quy chì – axít đước mắc nối tiếp với nhau thànhnguồn 48V.

Hình 11: Ăc quy nối nối tiếp trên xe

Trên xe điện ba bánh dùng loại động cơ điện một chiều không chổi than:

Động cơ DC không chổi than - BLDC (Brushless Dc motor) là một dạng động cơ

đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dántrên Rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng Stator

Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũngđược đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của Stator Các thanh nam châmđược dán chắc chắn vào thân Rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ Đặc biệtđiểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ namchâm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí Rotor để

cho động cơ hoạt động Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vịtrí Rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây Stator tương ứng, nếu khôngđộng cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắcđiều khiển dựa vào vị trí Rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một

bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ

Ưu điểm của loại động cơ một chiều không chổi than:

Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushless DC motor) có các ưu điểm của

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ côngsuất trên khối lượng cao Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên

giảm tổn hao đồng và sắt trong Rotor hiệu suất động cơ cao hơn.

Hình 12: Động cơ một chiều không chổi than

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nênkhông tốn chi phí bảo trì chổi than Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơbằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châmtrên Rotor

Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

 Mật độ từ thông khe hở không khí lớn

 Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao

 Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).

 Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp(để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác)

 Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không

 Vận hành ở tốc độ cao

 Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn

 Hiệu suất cao

 Kết cấu gọn

3.1.3 Bộ IC Điều tốc

Trên mỗi chiếc xe đạp điện đều không thể thiếu được bộ điều tốc Đây là một bộphận có vai trò quan trọng điều khiển và kiểm soát tất cả các thiết bị điện của xechạy điện giúp các thiết bị vận hành chính xác và tiết kiệm năng lượng Vì vậykhi bộ khiển bị hỏng đồng nghĩa với xe cua bạn cũng bị hỏng

* Vai trò của bộ IC điều tốc trên xe máy điện

Bộ điều khiển xe điện là một trong ba bộ phận quan trọng nhất của xe đạp điện

và xe máy điện Với chức năng điều khiển và kiểm soát tất cả các thiết bị điệncủa xe chạy điện giúp các thiết bị vận hành chính xác và tiết kiệm năng lượng.Trong một số trường hợp ta không thể tìm mua được điều tốc theo xe và khi đó

Việc thay thế bộ điều khiển xe đạp điện mới cho xe điện cũng không hề đơn giảnchút nào, việc này đòi hỏi bạn phải có các kiến thức cơ bản về xe điện cũng nhưhiểu được tác dụng cụ thể của từng nhóm dây điện trên điều tốc