Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng xe điện NGUYỄN VĂN NHẬT Ngành: Vật lý kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn 1: TS Vũ Ngọc Hải Khoa: Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa Giảng viên hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Thanh Phương Viện: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI, 01/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng xe điện NGUYỄN VĂN NHẬT Nhat.NV211324M@sis.hust.edu.vn Ngành: Vật lý kỹ thuật Chuyên ngành: Quang học Quang điện tử Giảng viên hướng dẫn 1: TS Vũ Ngọc Hải Chữ ký GVHD Khoa: Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa Giảng viên hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Thanh Phương Chữ ký GVHD Viện: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI, 01/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Nhật Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng xe điện Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số HV: 20211324M Tác giả, người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày……tháng……năm……với nội dung sau: Kết luận chưa bám sát nội dung kết đạt Hình 2.20 a chưa thể rõ ràng đường tia sáng (ray tracing) cần phải phóng to chi tiết số vị trí quan trọng Trang 17, xem lại cách diễn giải công thức 2.2 Công thức 2.10 cần phải giải thích chi tiết, có thích ký hiệu Hình 2.23, 2.24 trang 34 chưa giải thích rõ gây khó hiểu cho người đọc Bổ sung danh mục viết tắt, chỉnh sửa lỗi tả Ngày Giáo viên hướng dẫn TS Vũ Ngọc Hải PGS TS Nguyễn Thanh Phương CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS TS Dương Ngọc Huyền tháng năm 2023 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Nhật LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Vũ Ngọc Hải, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa PGS TS Nguyễn Thanh Phương, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội Các kết mô phỏng, chế tạo, đo đạc thực nghiệm khoa học, xác trung thực NGƯỜI THỰC HIỆN NGUYỄN VĂN NHẬT i ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng xe điện” Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) TS Vũ Ngọc Hải PGS TS Nguyễn Thanh Phương ii Lời cảm ơn Để hoàn thành tốt luận văn cao học, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô Viện Vật lý kỹ thuật truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Thanh Phương, TS Vũ Ngọc Hải trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn tài trợ Tập đồn Vingroup – Cơng ty CP hỗ trợ Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số: VINIF.2021.ThS.31 Tóm tắt nội dung luận văn Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo linh kiện quang học khơng tạo ảnh có tên CPC (Compound Parabolic Concentrator) cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng xe điện Trong phần tổng quan, luận văn trình bày cách khái quát dòng xe điện Hyundai Lightyear sử dụng lượng mặt trời đặt xe Tác giả trình bày nghiên cứu tổng quan số nghiên cứu lĩnh vực nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện hệ thống sử dụng mảng thấu kính tráng gương hay mảng thấu kính phi cầu từ đặt mục tiêu yêu cầu nghiên cứu Trên sở nghiên cứu tổng quan nhằm nâng cao hiệu suất nữa, tác giả nghiên cứu thiết kế sử dụng linh kiện quang CPC cho phép thu tia sáng trực tiếp tán xạ mặt trời với góc chấp nhận khoảng r 48o hiệu suất chuyển đổi quang điện cao lên đến 32 % trình bày chi tiết Chương Hệ thống đặt cố định xe điện có kích thước khoảng 35 mm Các CPC lựa chọn hệ có hệ số hội tụ nhằm mục đích cân hiệu suất quang thu chi phí sản xuất Tác giả sử dụng phần mềm LightTools để tiến hành mô thiết kế đề xuất nhằm mục đích tìm thiết kế tối ưu Trong chương 3, tác giả trình bày chi tiết bước xây dựng hệ thống chế tạo linh kiện quang học sử dụng máy CNC độ xác cao hệ thống đo đạc đánh giá đặc trưng quang học hệ thống chế tạo Các kết thực nghiệm mà tác giả đo đạc gần không sai lệch nhiều với kết mô phỏng, điều cho thấy tính xác thiết lập mô tầm quan trọng việc mơ hình hóa nhằm dự đốn tính chất quang trước chế tạo thực tế Các thiết kế mà tác giả nghiên cứu hồn tồn có tính khả thi cao việc lắp đặt xe điện, điều góp phần giúp giải vấn đề lượng nguồn lượng dùng xe sử dụng động đốt lấy từ nguồn dầu mỏ vô tận, chúng có khả bị cạn kiệt khơng thể tái tạo được, đặc biệt sử dụng chúng thải khí gây hiệu ứng nhà kính Do đó, xe điện sử dụng nguồn lượng xanh coi tương lai ngành công nghiệp sản xuất tơ giải tốn HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tiềm ứng dụng lượng mặt trời xe điện 1.2 Tình hình nghiên cứu tích hợp lượng mặt trời xe điện 1.3 1.2.1 Sự phát triển hãng xe thương mại 1.2.2 Các nghiên cứu khoa học lượng mặt trời xe điện Những yêu cầu đặt cho hệ thống tích hợp xe điện 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, TỐI ƯU HĨA 14 2.1 2.2 Nghiên cứu thiết kế linh kiện quang học hội tụ ứng dụng cho xe điện 14 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 14 2.1.2 Thiết kế tổng thể 22 Mơ tối ưu hóa 24 2.2.1 Phần mềm LightTools 24 2.2.2 Góc chấp nhận linh kiện quang CPC 26 2.2.3 Hiệu suất quang học mảng CPC 30 2.2.4 Mơ tính tốn lượng thu hệ thống 34 CHƯƠNG CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM 41 3.1 3.2 Chế tạo linh kiện quang học 41 3.1.1 Tổng quan CNC chế tạo linh kiện quang 41 3.1.2 Thiết kế vẽ CNC 42 3.1.3 Chế tạo linh kiện quang CPC 44 Kết thực nghiệm 47 CHƯƠNG KẾT LUẬN 50 4.1 Kết luận 50 4.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 52 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CPV Concentrator Photovoltaic Quang điện hội tụ PV Photovoltaic Quang điện CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ hội tụ Parabol phức CNC Computerized Numerically Controlled Máy móc điều khiển lập trình máy tính PMMA Poly Methyl Methacrylate Thủy tinh hữu EV Electric Vehicle Xe điện Cr Concentration Ratio Tỉ lệ hội tụ TSI Total Solar Irradiance Tổng xạ mặt trời GHI Global Horizontal Irradiance Bức xạ ngang toàn cầu 10 DNI Direct Sunlight Bức xạ trực tiếp 11 DHI Diffuse Sunlight Bức xạ tán xạ 12 EFV Environmentally friendly vehicles Phương tiện thân thiện với môi trường v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xe điện giúp giảm phát thải trực tiếp môi trường [1] Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống lượng mặt trời Hình 1.3 So sánh hệ thống lượng mặt trời xe Sonata Hybrid Toyota Prius [6] Hình 1.4 Mẫu xe điện Lightyear One [7] Hình 1.5 Hệ thống CPV phẳng đề xuất cho ứng dụng ô tô với (a) Hệ CPV lắp tơ, (b) Cơ chế hệ thống CPV phẳng dành cho ứng dụng xe, (c) Một mảng thấu kính tráng gương vị trí chi tiết thấu kính, (d) Chế độ xem 3D hệ thống CPV phẳng đề xuất [4] Hình 1.6 (a) Phổ mặt trời sử dụng mô phỏng, (b) Hiệu suất quang học dải E trung bình/thấp thời điểm khác ngày [4] Hình 1.7 Hình ảnh mặt cắt ngang khái niệm mô-đun quang điện hội tụ phần (CPV) cho ứng dụng xe ô tô [5] Hình 1.8 (a) Sơ đồ minh họa mơ-đun thiết kế Tế bào pin mặt trời lớp chuyển tiếp bao bọc thấu kính silicone xếp chồng lên tế bào Si thông qua đế suốt (b) Mặt cắt ngang giản đồ mơ-đun hiển thị kích thước mảng thấu kính pin mặt trời (c) Ảnh chụp mô-đun chế tạo (bên trái: đế thủy tinh với tế bào pin mặt trời lớp chuyển tiếp, trung tâm: mơ-đun khơng có tế bào Si bên phải: tổng quan môđun lắp ráp) [5] Hình 1.9 Một mơ hình mơ tia cho thấu kính phi cầu khơng đối xứng (a) Tổng quan mơ hình mơ với hệ tọa độ vùng chiếu xạ (b) Mặt cắt ngang mơ hình mơ [5] 10 Hình 1.10 Năng lượng mặt trời tích lũy hàng năm mơ pin mặt trời thu thập thấu kính tối ưu hóa [5] 10 Hình 1.11 Quãng đường di chuyển xe phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi hệ thống CPV xe [4] 12 Hình 2.1 Sự khác quang học tạo ảnh quang học không tạo ảnh 15 Hình 2.2 Các bước xây dựng CPC 15 Hình 2.3 Cấu trúc CPC 3D (a) Dạng phản xạ gương, (b) Dạng khối 16 Hình 2.4 Nguyên lý CPC (a) Định nghĩa nửa góc chấp nhận, (b) Góc tới nhỏ nửa góc chấp nhận, (c) Góc tới nửa góc chấp nhận, (d) Góc tới lớn nửa góc chấp nhận 16 Hình 2.5 Sự phụ thuộc hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cấm vật liệu 300 K [11] 18 Hình 2.6 Tiết diện ngang pin mặt trời a-SiC [11] 19 Hình 2.7 Cấu trúc pin mặt trời nhiều mức 20 Hình 2.8 Sơ đồ vùng lượng pin mặt trời gồm lớp tiếp xúc [11] 20 vi Hình 2.9 Trình bày cấu trúc pin mặt trời lớp tiếp xúc [11] 21 Hình 2.10 Thiết kế hệ thống thu lượng mặt trời 22 Hình 2.11 Cấu trúc linh hoạt mơ-đun CPV tĩnh cho ứng dụng xe 23 Hình 2.12 Mơ hình thiết kế phần mềm LightTools 25 Hình 2.13 CPC chèn vào vùng mô 26 Hình 2.14 Giao diện chỉnh sửa thơng số CPC 27 Hình 2.15 (a) Nguồn đĩa, (b) Thông số nguồn 27 Hình 2.16 (a) Bước sóng mô phỏng, (b) Chiết suất vật liệu tương ứng 28 Hình 2.17 Tồn hệ mơ xác định góc chấp nhận CPC 28 Hình 2.18 Mơ hình mơ tia sáng tới CPC khối có độ hội tụ 29 Hình 2.19 Hiệu suất quang phụ thuộc góc tới CPC với độ hội tụ khác 30 Hình 2.20 a) Mơ hệ 10*10 CPC với nguồn lệch góc 30 độ, b) Mảng CPC theo mặt phẳng xy, c),d) Tia sáng vào CPC với góc lệch 30 độ 31 Hình 2.21 Hiệu suất quang pin mặt trời Si pin mặt trời nhiều lớp thu từ mảng CPC 10*10 với nguồn đơn sắc a) C = 2.25, b) C = 4, c) C = 6.25 32 Hình 2.22 Sự phụ thuộc hiệu suất quang học mô-đun thiết kế cho pin mặt trời vào góc tới sử dụng mảng thấu kính phi cầu 33 Hình 2.23 (a) Bức xạ mặt trời theo ngày 30/05/2005 Mỹ, (b) Nguồn mặt trời thêm vào mô 34 Hình 2.24 Thơng số nguồn mặt trời 35 Hình 2.25 Bức xạ mặt trời ngày ở: (a) Phoenix (Mỹ), (b) Seoul (Hàn Quốc) dùng mô Năng lượng mặt trời đến pin diện tích m2: (c) Phoenix (Mỹ), (d) Seoul (Hàn Quốc) 36 Hình 2.26 Công suất quang thu từ pin mặt trời Si pin mặt trời nhiều lớp mô với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời Phoenix: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 37 Hình 2.27 Cơng suất quang thu từ pin mặt trời Si pin mặt trời nhiều lớp mơ với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời Seoul: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 38 Hình 3.1 Máy CNC hoạt động 41 Hình 3.2 (a) Cấu trúc CPC phần mềm LightTools, (b) Thiết kế cấu trúc chế tạo phần mềm Auto CAD 42 Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo xuất vào phần mềm Aspire 43 Hình 3.4 Thơng số dao mơ q trình chế tạo 43 Hình 3.5 Kết mô chế tạo CPC phần mềm Aspire 44 Hình 3.6 Máy CNC 300u400u100 mm dùng chế tạo CPC 44 Hình 3.7 Mũi phay đường kính 3.175 mm sử dụng chế tạo CPC 45 vii (a) (b) (c) (d) Hình 2.25 Bức xạ mặt trời ngày ở: (a) Phoenix (Mỹ), (b) Seoul (Hàn Quốc) dùng mô Năng lượng mặt trời đến pin diện tích m2: (c) Phoenix (Mỹ), (d) Seoul (Hàn Quốc) Bởi mơ đun lượng mặt trời cho xe điện hệ cố định, đánh giá này, hiệu suất phát điện so sánh với xạ ngang toàn cầu (GHI), tổng xạ từ mặt trời bề mặt ngang Trái đất Nó tổng DNI (sau tính đến góc thiên đỉnh mặt trời (z)) xạ ngang khuếch tán (DHI): GHI DHI  DNI u cos z (2.9) Ở Phoenix, tổng xạ mặt trời (TSI: Total Solar Irradiance) đến pin diện tích m2 bề mặt trái đất pin hướng theo mặt trời là: 11450 Wh/ngày nhận GHI 8248 Wh/ngày đặt cố định, phần lượng tích phân Hình 2.25 (c) Tương tự, Seoul, TSI 7615 Wh/ngày GHI 6270 Wh/ngày cho diện tích m2 Tác giả mơ lượng lượng mặt trời đến mô-đun CPV tĩnh hai vùng khí hậu khác tính tốn sản lượng điện hệ thống đề xuất Các pin mặt trời lớp (CPV) sử dụng hệ thống có hiệu suất chuyển đổi 35 % Hiệu suất chuyển đổi PV 20 % Hiệu suất chuyển 36 đổi điện hệ thống đề xuất tính tốn cách sử dụng cơng thức sau: KPV cell u ¦ EPV cell  KCPV cells u ¦ ECPV cells H (2.10) ¦E S m2 Hiệu suất chuyển đổi quang điện toàn hệ thống tỉ lệ phần lượng thu pin CPV, PV tổng lượng ánh sáng mặt trời chiếu đến diện tích m2 bề mặt trái đất đặt cố định Trong đó: x K PV cell : Hiệu suất chuyển đổi quang điện PV 20 % x ¦E x KCPV cells : Hiệu suất chuyển đổi quang điện CPV 35 % x ¦E ¦E x PV cell : Tổng lượng ánh sáng mặt trời đến PV CPV cells S m2 : Tổng lượng ánh sáng mặt trời hội tụ đến CPV : Tổng lượng mặt trời đến diện tích m2 đặt cố định mặt đất (a) (b) (c) Hình 2.26 Cơng suất quang thu từ pin mặt trời Si pin mặt trời nhiều lớp mơ với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời Phoenix: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 37 (a) (b) (c) Hình 2.27 Cơng suất quang thu từ pin mặt trời Si pin mặt trời nhiều lớp mô với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời Seoul: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 Hình 2.26 Hình 2.27 cho thấy công suất quang học ba mô đun khác với kích thước m x m Phoenix Seoul Tổng lượng loại pin mặt trời tính cách lấy tích phân công suất đầu ngày Kết cho thấy, hầu hết trường hợp, mô đun có CR = 2,25 cho hiệu tốt Đối với vùng DNI cao, đỉnh công suất quang mà CPV thu khơng có khác biệt đáng kể Tuy nhiên, vùng DNI thấp, đỉnh công suất quang thu mơ đun có CR = 2,25 cao từ 19 % đến 25 % so với mơ đun có CR = CR = 6,25 Các mơ đun khác có thời gian làm việc hiệu khác Mơ đun có CR = 6,25 với góc chấp nhận nhỏ tập trung ánh sáng hiệu vào CPV từ 10:00 sáng đến 2:00 chiều (04 tiếng), mơ-đun có CR = CR = 2,25 có thời gian làm việc hiệu từ sáng đến 4:00 chiều (08 tiếng) 6:00 sáng đến 6:00 tối (12 tiếng) Như vậy, mơ đun với CR = có thời gian giống với thời gian làm trung bình 7,9 giờ/ngày [13] thời gian có xạ mặt trời cao ngày, tỉ lệ hội tụ giá trị tối ưu mà sử dụng Ngồi ra, thơng tin quan trọng để nhà sản xuất ô tô đưa cân nhắc chi phí sản xuất hiệu mô đun lượng mặt trời 38 Để đánh giá hiệu hệ thống, tác giả so sánh hiệu suất phương pháp dựa CPV với phương pháp PV Ở Phoenix, GHI 8248 Wh/ngày đặt cố định, sử dụng pin Si với hiệu suất 20 % để thu điện tạo ngày 1.65 kWh Nếu dùng hệ thống CPV với pin đa lớp có hiệu suất 35 % pin Si hiệu suất 20 % để thu điện tạo pin ngày tích phân Hình 2.26 tương ứng với CPC có độ hội tụ khác Các giá trị Seoul (Hàn Quốc) tính tốn tương tự Kết thể Bảng 2.2 Bảng 2.2 cho thấy lượng tạo hiệu suất mô đun hàng ngày hệ Phoenix Seoul Bảng 2.2 So sánh hiệu suất ba loại mô-đun CPV tĩnh PV thông thường Địa điểm Thông số Tấm pin mặt trời Phoenix (Mỹ) Seoul (Hàn Quốc) CR = 2.25 CR = CR = 6.25 Tấm PV Tấm pin đa lớp có hiệu suất 35 % Tấm pin Si với pin Si hiệu suất 20 % hiệu suất 20 % Điện tạo CPV 2.14 kWh 1.631 kWh 1.24 kWh Điện tạo PV 0.375 kWh 0.568 kWh 0.71 kWh 1.65 kWh Hiệu suất mô đun hàng ngày 30.5 % 26.7 % 23.6 % 20 % Điện tạo CPV 1.57 kWh 1.10 kWh 1053 kWh Điện tạo PV 0.295 kWh 0.482 kWh 0.44 kWh Hiệu suất mô đun hàng ngày 29.75 % 25.15 % 23.9 % 1.26 kWh 20 % Không có khác biệt đáng kể hiệu suất loại mô-đun cho hai địa điểm Hiệu suất mô-đun thấp mơ-đun có CR = 6,25 với giá trị 23 % lớn CR = 2,25 với hiệu suất 30 % Kết hiệu suất lớn đáng kể mơ-đun sử dụng pin mặt trời có hiệu suất cao hơn, chẳng hạn pin mặt trời song song với hiệu suất xấp xỉ 29 % [15] Các tế bào CPV với hiệu suất xấp xỉ 45 % báo cáo nghiên cứu gần [16] Bảng 2.3 So sánh thông số thiết kế sử dụng CPC với mảng thấu kính phi cầu Thơng số CPC (Cr = 4) Thấu kính phi cầu Độ hội tụ 3.5 Góc chấp nhận r 47o r 60o Hiệu suất quang học 78 % 46.6 % Mất mát 3% 17 % Hiệu suất mô đun hàng ngày ~ 26 % 20.8 % 39 Trên sở tính tốn mơ thu được, tiến hành so sánh đánh giá với kết sử dụng thấu kính phi cầu nhóm tác giả viện nghiên cứu Toyota, Nhật Bản để thấy ưu điểm nhược điểm sử dụng hai loại linh kiện quang học không tạo ảnh (CPC) quang học tạo ảnh truyền thống (Thấu kính phi cầu) bảng 2.3 Ở đây, tơi lấy giá trị độ hội tụ tối ưu CPC để so sánh với hệ thu lượng mặt trời sử dụng thấu kính phi cầu với độ hội tụ 3.5 Hệ thống tác giả có nửa góc chấp nhận 47o cho hiệu suất thu lượng mặt trời pin mặt trời đa lớp hiệu suất cao lên tới 78 % so với 46.6 % sử dụng thấu kính phi cầu Sự mát quang học thiết kế tác giả đề xuất khoảng % so với 17 % dùng mảng thấu kính phi cầu Hiệu suất hệ thống mà tác giả đề xuất cho hiệu suất cao 26 % so với 20.8 % dùng mảng thấu kính phi cầu 40 CHƯƠNG CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM Trong chương này, tác giả trình bày chi tiết quy trình chế tạo linh kiện quang học CPC theo phương pháp phay CNC Trước chế tạo, linh kiện quang mô tối ưu hóa quy trình chế tạo phần mềm Aspire Vật liệu sử dụng chế tạo CPC Poly Methyl Methacrylate hay biết đến với tên gọi thông dụng mica Sau chế tạo thành công linh kiện CPC, tiến hành xây dựng hệ đo để khảo sát kiểm nghiệm lại kết mô Chương 3.1 Chế tạo linh kiện quang học 3.1.1 Tổng quan CNC chế tạo linh kiện quang CNC viết tắt tiếng Anh Computerized Numerically Controlled nghĩa máy móc điều khiển lập trình máy tính, việc điều khiển máy tính đối loại máy móc khác dùng để sản xuất (đã lập trình sẵn tính lặp lại) phận kim khí (ngồi còn áp dụng loại vật liệu khác) phức tạp, cách sử dụng chương trình lập trình sẵn Hình 3.1 Máy CNC hoạt động CNC phát triển từ cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 phịng thí nghiệm Servomechanism trường đại học MIT Nói cách đơn giản thì, CNC gọi máy tính điều khiển số, trình điều khiển tự động loại máy móc, cơng cụ gia cơng (khoan, phay, dao tiện, cắt,…) máy tính, máy CNC cắt gọt vật liệu (như: kim loại, nhựa, gỗ, gốm composite,…) để biến thành sản phẩm có thơng số kỹ thuật xác tuyệt đối Có thể thay sức lao động người, công suất lao động gấp nhiều lần người lại đạt độ xác vượt trội hẳn Máy CNC thực nhiều chức cắt, tiện, in, phay, khoan,… tùy thuộc vào chức mà nhà sản xuất sản xuất, lập trình thành loại máy CNC khác cho phù hợp với nhu cầu sử dụng Cũng tích hợp nhiều chức vào máy CNC 41 Công nghệ CNC gần áp dụng vô rộng rãi không dừng lại lĩnh vực khí thường thấy, mà công nghệ CNC áp dụng lĩnh vực địi hỏi độ xác cao tình tuyệt đối như: y tế, thẩm mỹ, xây dựng, thiết kế nội thất,… Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình điều khiển vào hệ thống vi tính thơng minh Máy vi tính có nhiệm vụ xử lý điều khiển phận máy đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… theo lập trình có sẵn để gia cơng sản phẩm tạo sản phẩm, sản phẩm chương trình giống hệt tính lập lại máy CNC Máy CNC thường có nhiều kích thước có nhiều cơng dụng khác nhau, máy CNC hoạt động sau: Máy CNC thường có nhiều trục Trục quay với tốc độ cao, đầu trục (vitme) gắn với đầu cắt mũi khoan để cắt sản phẩm theo trục lên xuống lên xuống (trục Z) Thân máy CNC có bàn đỡ để cố định sản phẩm di chuyển theo trục X,Y Kết hợp với trục (phương Z) đưa lưỡi cắt di chuyển theo phương hướng, bề mặt muốn gia cơng sản phẩm Máy CNC có nhiều chủng loại chức khác tùy vào mục đích sử dụng Chúng ta phân loại theo tiêu chí khác Do có nhiều loại máy với chức khác nhau, ví dụ: máy tiện, máy phay, máy mài CNC,… 3.1.2 Thiết kế vẽ CNC Trong phần mềm LightTools, tiến hành lưu vẽ cấu trúc thiết kế CPC sang định dạng file dwg nhằm mục đích chỉnh sửa vẽ AutoCAD Trong phần mềm AutoCAD tiến hành thêm khối trụ có đường kính mm, chiều cao mm vào đáy CPC Linh kiện cần chế tạo có cấu trúc trịn xoay đối xứng nên việc thêm khối trụ để thuận tiện cho trình mài đánh bóng bề mặt dễ dàng gắn cấu trúc chế tạo vào máy khoan cầm tay mini sau (a) (b) Hình 3.2 (a) Cấu trúc CPC phần mềm LightTools, (b) Thiết kế cấu trúc chế tạo phần mềm Auto CAD 42 Tiếp theo, tiến hành xuất vẽ file 3D định dạng stl − định dạng mà phần mềm tạo code cho máy CNC đọc Khi có file 3D chế tạo, tơi đưa file vào phần mềm Aspire để mô lại bước chế tạo CPC tạo code cho máy CNC Trong q trình thực hiện, chúng tơi đặt độ tinh máy CNC mức 20 Pm, với độ xác cao mà máy CNC thực Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo xuất vào phần mềm Aspire Trong q trình mơ phỏng, tơi sử dụng mũi dao có đường kính 3.175 mm, độ sâu xuống dao 0.55 mm bước phay mặt phẳng xy 0.85 mm Thông số chi tiết Hình 3.4 Kết mơ cấu trúc với thông số dao chọn Hình 3.5 Hình 3.4 Thơng số dao mơ q trình chế tạo 43 Hình 3.5 Kết mơ chế tạo CPC phần mềm Aspire Sau hồn thành mơ đường mũi khoan, tiến hành xuất file G-code định dạng “.txt” cho phần mềm điều khiển máy CNC đọc thực thi 3.1.3 Chế tạo linh kiện quang CPC Trong luận văn này, tiến hành chế tạo mẫu theo phương pháp phay CNC tốc độ cao vật liệu Poly Methyl Methacrylate (PMMA) hay biết đến với nhiều tên gọi khác như: mica, nhựa acrylic, thủy tinh hữu cơ,… Với chiết suất 1.49 bước sóng 635 nm, nhiệt độ hoạt động lên đến 160 oC, độ truyền qua ánh sáng vùng khả kiến khoảng 99 % Thiết bị CNC sử dụng trình chế tạo thiết bị CNC cơng nghiệp có kích thước làm việc 300×400×100 mm với độ xác lên đến 20 Pm (Hình 3.6) Hình 3.6 Máy CNC 300u400u100 mm dùng chế tạo CPC Trong q trình chế tạo thơ CPC, tơi sử dụng mũi phay có đường kính 3.175 mm, tốc độ xoay dao 200 vòng/phút, tốc độ phay theo mặt phẳng xy 440 mm/phút, tốc độ xuống dao 200 mm/phút Mũi phay 3.175 mm sử dụng chế tạo CPC thể Hình 3.7 44 Hình 3.7 Mũi phay đường kính 3.175 mm sử dụng chế tạo CPC Máy CNC thực thao tác chế tạo thô CPC với mũi 3.175 mm, mũi tiến hành bào từ ngồi vào loại bỏ phần phơi thừa để lại cấu trúc CPC thiết kế (Hình 3.8) Hình 3.8 Máy CNC chế tạo CPC có độ hội tụ Quá trình chế tạo lúc CPC Hình 3.8 kéo dài khoảng 4h Sau q trình phay CNC hồn tất ta thu cấu trúc thơ Hình 3.9 Hình 3.9 Mảng CPC có độ hội tụ chế tạo máy CNC 45 Sau CPC tạo biên dạng máy CNC, tiến hành thêm bước quan trọng quy trình chế tạo q trình mài đánh bóng Với q trình mài, sử dụng loại giấy nhám có độ mịn P400 – 800 – 2000 để giảm độ gồ ghề cho bề mặt CPC, công đoạn kéo dài khoảng 15 phút cho linh kiện (a) (b) Hình 3.10 Các cơng cụ xử lý bề mặt CPC: a) Giấy nhám, b) Cana Sau bề mặt CPC xử lý giảm độ gồ ghề phương pháp mài vật lý, tơi tiến hành đánh bóng bề mặt CPC dung dịch Cana cana có chứa hoạt chất ăn mịn mạnh vết xước nhỏ, mảnh liti cịn xót lại trình mài vật lý khắc phục cách nhanh chóng Cuối cùng, tơi thu linh kiện quang học CPC Hình 3.11 Hình 3.11 Hệ thống PV với linh kiện CPC chế tạo sau q trình mài đánh bóng 46 3.2 Kết thực nghiệm Hình 3.12 Hệ đo hiệu suất quang điện sử dụng CPC có độ hội tụ khác Sau chế tạo linh kiện quang CPC với độ hội tụ khác nhau, tiến hành lắp đặt hệ thống Hình 3.12 để khảo sát, so sánh hiệu suất chuyển đổi quang điện thực tế với giá trị mơ trước Số lượng CPC có độ hội tụ 2.25 để khảo sát 16 chiếc, độ hội tụ 09 Mỗi CPC cố định đầu có kích thước 10 mm, tương ứng ta đặt pin mặt trời 10 x 10 mm có hiệu suất quang điện cao lên tới 35 % Phía ta đặt pin 55 x 55 mm có hiệu suất chuyển đổi khoảng 20 %, kích thước cho việc thiết lập hệ đo đạc phải 60 x 60 mm, nhiên điều kiện khách quan tác giả tìm pin có kích thước gần với giá trị Chi tiết thông số hệ thiết lập đo đạc thực tế nêu Bảng 3.1 Bảng 3.1 Các thơng số mơ hình thiết lập trình đo đạc C = 2.25 C=4 55 x 55 mm2 Kích thước mơ hình Đường kính 10 mm Kích thước CPV 10 x 10 mm2 Hiệu suất CPV 35 % Hiệu suất PV 20 % Số lượng CPC 16 Đường kính 15 mm 20 mm Chiều cao hệ 14 mm 26 mm 47 Hình 3.13 Thiết bị PROVA 1011 dùng để đo công suất chiếu đến diện tích Để đo hiệu suất pin, lấy công suất quang đầu thu chia cho công suất quang chiếu đến đo thiết bị có tên PROVA 1011 với tỉ lệ diện tích là: 10 x 10 mm2 CPV hiệu suất cao 55 x 55 mm2 PV hiệu suất thấp hơn, điều kiện mơi trường khảo sát tồn hệ 27 oC Hình 3.14 Phổ LED dùng để đo đạc Nguồn sáng dùng để khảo sát đèn LED 5050 có công suất 40W dải quang phổ vùng từ 380 ÷ 750 nm cho Hình 3.14 Khi dùng nguồn sáng này, hiệu suất chuyển đổi quang điện pin mặt trời đa lớp pin Si đạt tương ứng là: 22 % % Lý lúc phổ nguồn sáng sử dụng đo đạc thực nghiệm từ 380 ÷ 750 nm bị thu hẹp so với phổ mặt trời từ 250 ÷ 2500 nm, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện bị giảm 48 Hình 3.15 Thay đổi góc tới đến hệ để đo đạc hiệu suất quang pin Trong trình đo đạc ta tiến hành thay đổi góc tới tia sáng đến hệ, theo thực tế nguồn sáng quay cịn hệ thu đứng n, nhiên chuyển động có tính chất tương đối nên tác giả cố định vị trí nguồn sáng thay đổi góc quay hệ thu quang Từ giá trị công suất thu PV CPV ta suy hiệu suất quang tương ứng tấm, giá trị có sai lệch khơng đáng kể so với kết mơ trước Trong vùng góc chấp nhận CPC, đóng góp CPV đáng kể Tuy nhiên góc tới vượt góc tới hạn linh kiện quang đóng góp PV lớn thành phần ánh sáng tán xạ Chi tiết phụ thuộc hiệu suất quang học vào góc tới hai trường hợp mô thực nghiệm hai loại CPC có độ hội tụ C = 2.25 C = minh họa chi tiết Hình 3.16 (a) (b) Hình 3.16 So sánh hiệu suất quang thu phụ thuộc góc tới mô thực nghiệm a) C = 2.25, b) C = 49