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 Cơng 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 d ẫn (Ký ghi rõ họ tên) TS Vũ Ngọc Hải PGS TS Nguyễn Thanh Phương ii Lời cảm ơn MỤC LỤC Để hoàn thành tốt luận văn cao học, em xin gửi lời cảm ơn chân thành quýCÁC ThầyTỪ cô VIẾT Viện Vật lý kỹ thuật truyền đạt cho em kiến DANHđến MỤC TẮT v thức, kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập Đặc biệt, em xin gửi DANH MỤC HÌNH VẼ vi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Thanh Phương, TS Vũ Ngọc Hải trực tiếp DANHdẫn, MỤCgiúp BẢNG BIỂU viii hướng đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn Em xin MỞ ơn ĐẦU ix cảm tài trợ Tập đồn Vingroup – Cơng ty CP hỗ trợ Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup CHƯƠNG TỔNG QUAN (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số: VINIF.2021.ThS.31 1.1 Tiềm ứng dụng lượng mặt trời xe điện 1.2 Tình hình nghiên cứu tíchTóm hợp lượng trời xe điện tắt nội dungmặt luận văntại hãng xe thương mại 1.2.1 Sự phát triển Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 1.2.2 khoa họccóvềtên trời xe điện linh kiện quangCác họcnghiên khôngcứutạo ảnh làlượng CPC mặt (Compound Parabolic Concentrator) cho cầu hệ thống điệnmột mặthệtrời hộitích tụ hiệu suấtxecao ứng dụng 1.3 Những yêu đặt cho thống hợp điện 12 xe điện Trong phần tổng quan, luận văn trình bày cách khái qt dịng CHƯƠNG THIẾT KẾ,Lightyear MƠ PHỎNG, TỐInăng ƯU HÓA 14 xe điện 2.Hyundai sử dụng lượng mặt trời đặt 2.1 Tác Nghiên cứuđãthiết kế linh quang hội quan tụ ứngmột dụngsốcho xe điện 14 xe giả trình bày kiện nghiên cứuhọc tổng nghiên cứu cao hiệu suất chuyển đổi quang điện 2.1.1lĩnh vực Cơ sở lý nhằm thuyết nâng 14 hệ thống sử dụng mảng thấu kính tráng gương hay mảng 2.1.2 Thiết kế đặt tổngra thểđược 22 thấu kính phi cầu từ mục tiêu u cầu nghiên cứu 2.2 cơMô tốitổng ưu hóa Trên sở nghiên cứu quan nhằm nâng cao hiệu suất nữa, tác giả 24 nghiên cứu sửLightTools dụng linh kiện quang CPC cho phép thu 2.2.1một thiết Phần kế mềm 24 tia sáng trực tiếp tán xạ mặt trời với góc chấp nhận khoảng r 2.2.2 Góc chấp nhận linh kiện quang CPC 26 o 48 hiệu suất chuyển đổi quang điện cao lên đến 32 % 2.2.3 suất quang học củathống mảngnày CPCđược trình bày chi tiếtHiệu Chương Hệ đặt cố định 30 xe điện 2.2.4 có kích thước khoảng mm Các CPCthu lựa chọn hệ 34 có Mơ tính35 tốn lượng hệ thống hệ số hội tụ CHẾ nhằm mụcTHỰC đích cân hiệu suất quang thu chi CHƯƠNG TẠO, NGHIỆM 41 phí sản xuất Tác giả sử dụng phần mềm LightTools để tiến hành mô 3.1 thiếtChế linh kiện quang 41 kế tạo đề xuất nhằm mụchọc đích tìm thiết kế tối ưu Trong chương 3, tác giả3.1.1 trình bày chiquan tiết bướctrong xây dựng hệlinh thống tạo linh kiện quang Tổng CNC chế tạo kiệnchế quang 41 học sử dụng máy CNC độ xác cao hệ thống đo đạc đánh giá đặc trưng 3.1.2 Thiết kế vẽ CNC 42 quang học hệ thống chế tạo Các kết thực nghiệm mà tác giả đo Chếsai tạolệch linhnhiều kiện quang CPC 44 đạc gần3.1.3 không với kết mơ phỏng, điều cho thấy tính thiết lập mô tầm quan trọng việc 3.2 Kết xác thựccác nghiệm 47 mơ hình hóa nhằm dự đốn tính chất quang trước chế tạo thực tế Các CHƯƠNG KẾT LUẬN 50 thiết kế mà tác giả nghiên cứu hồn tồn có tính khả thi cao việc lắp 4.1 trênKết 50 đặt nócluận xe điện, điều góp phần giúp giải vấn đề lượng nguồn lượng dụng động đốt 4.2 Hướng phát triển củađược đồ ándùng trongtrong tươngxelaisử 50 lấy từ nguồn dầu mỏ khơng phải vơ tận, chúng có khả bị cạn kiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 tái tạo được, đặc biệt sử dụng chúng thải khí gây hiệu CƠNG CƠNG 52 ứng nhàTRÌNH kính Do đó, xeBỐ điện sử dụng nguồn lượng xanh coi tương lai ngành công nghiệp sản xuất ô tô giải toá HỌC n VIÊN Ký ghi rõ họ tên ii iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CPV PV CPC Quang điện hội tụ Quang điện Bộ hội tụ Parabol phức CNC 10 11 12 PMMA EV Cr TSI GHI DNI DHI EFV Concentrator Photovoltaic Photovoltaic Compound Parabolic Concentrator Computerized Numerically Controlled Poly Methyl Methacrylate Electric Vehicle Concentration Ratio Total Solar Irradiance Global Horizontal Irradiance Direct Sunlight Diffuse Sunlight Environmentally friendly vehicles Máy móc điều khiển lập trình máy tính Thủy tinh hữu Xe điện Tỉ lệ hội tụ Tổng xạ mặt trời Bức xạ ngang toàn cầu Bức xạ trực tiếp Bức xạ tán xạ 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 .3 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] .5 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] .7 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 tơ [5] Hình 1.8 (a) Sơ đồ minh họa mô-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 mô-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] .9 Hình 1.9 Một mơ hình mơ tia cho thấu kính phi cầu không đối xứng (a) Tổng quan mô 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 mô 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 mô-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 mơ 26 Hình 2.14 Giao diện chỉnh sửa thông 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 m : (c) Phoenix (Mỹ), (d) Seoul (Hàn Quốc) 36 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 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 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 mơ 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