Mẫu xe thiết kế trong luận văn này là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời sẵn có, là nguồn năng lượng sạch vào giao thông, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt N
Giới thiệu về pin mặt trời
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do
Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện
Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, là 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) Pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon
Silic là vật liệu bán dẫn Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28°C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống)
Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể
Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p
Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon
Hệ thống năng lượng của electron bao gồm hai mức năng lượng: E1 (thấp hơn) và E2 (cao hơn) Thông thường, electron sẽ chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi bức xạ mặt trời chiếu tới hệ thống, năng lượng ánh sáng dưới dạng lượng tử photon (có năng lượng hν, với h là hằng số Planck và ν là tần số ánh sáng) sẽ bị electron hấp thụ và chuyển electron lên mức năng lượng cao hơn E2.
Phương trình cân bằng năng lượng: hν = E 1 - E2
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên 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 hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ 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 với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử (xem hình 1.2)
Hình 1.1 Hệ 2 mức năng lượng
- Vùng hóa trị (Valence band): Vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động
- Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng
- Vùng cấm (Forbidden band): Vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm
Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1.2.1 S ơ đồ t ươ ng đươ ng c ủ a pin m ặ t tr ờ i
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode
Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua nó Đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt Rsh
Dòng quang điện đi qua các lớp bán dẫn p và n, điện cực, tiếp xúc trong mạch Tổng điện trở của các lớp này được đặc trưng bởi điện trở nối tiếp R$_{S}$ (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời).
Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Is: dòng bão hòa của diode [A/m 2 ]; q: điện tích electron, q=1,602 10 -19 [C]; k: hằng số Boltzmann, k = 1,381 10 -23 [J/K];
T: nhiệt độ lớp tiếp xúc [ 0 K]; n: hệ số lý tưởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1
Rs: nội điện trở của pin mặt trời [Ω]
Hình 1.5 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0 Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (1.2) ta được:
. s sc s sc ph d sh ph s sh q R I R I
= − − = − − − (1.3) Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp RS có thể bỏ qua và Id = 0 và do đó có thể suy ra:
E: cường độ sáng; α: hệ số tỷ lệ Ở điều kiện bình thường dòng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng
1.2.1.2 Điện áp hở mạch VOC Áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (1.2) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:
1.2.2 Đặ c tính làm vi ệ c c ủ a pin m ặ t tr ờ i Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:
P=U.I Tại điểm làm việc U OC 0
= =I , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0
Từ phương trình (1.2) ta thấy:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ 1.7 Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)
Hình 1.6 Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời
Hình 1.7 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạmặt trời.
- Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin (hình 1.8)
Hình 1.8 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin
- Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP
Trên hình 1.9, đường OA và OB là đặc tuyến tải Nếu tải mắc trực tiếp với dãy pin thì có đặc tuyến OA, lúc này pin hoạt động ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất thu được từ mặt trời là P2 Để đạt được công suất P2, cần có bộ điều chỉnh công suất liên kết dãy pin và tải.
Hình 1.9 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Chọn mẫu xe sử dụng năng lượng mặt trời
Mẫu xe điện gọn nhẹ sử dụng năng lượng mặt trời ra đời nhằm mục đích cung cấp phương tiện di chuyển thân thiện với môi trường Năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng tái tạo vô tận, sạch và miễn phí, sẽ thay thế nhiên liệu truyền thống, góp phần giảm thiểu ô nhiễm Để đáp ứng mục tiêu này, mẫu xe phải đáp ứng các yêu cầu về thiết kế, đảm bảo tính gọn nhẹ, khả năng vận hành bằng năng lượng mặt trời và hiệu quả sử dụng năng lượng nạp được từ Mặt trời.
2.1.1.1 Yêu cầu về động lực học:
- Khả năng di chuyển nhẹ nhàng, êm dịu và ổn định
- Điều khiển dễ dàng Có thể tới, lui, quay vòng ở tốc độ cho phép
- Với các ưu điểm của động cơ DC là êm, ít ồn, không gây ô nhiễm môi trường, điều khiển nhẹ và dễ dàng Và đặc biệt là động cơ DC có moment ở tốc độ thấp lớn nên thoả mãn nhu cầu đi lại và dừng thường xuyên Ta chọn dùng động cơ điện DC
- Có nhiều mức tốc độ để vừa di chuyển trong khu viên nhỏ (trường học, công viên, khu công nghiệp, …) vừa có thể tham gia lưu thông
- Tốc độ khi đi trên đường đạt đến 25 km/h
- Quãng đường đi được 30 km
- Có khả năng leo dốc hơn 10%
2.1.1.2 Yêu cầu về tính linh hoạt của xe:
- Kích thước nhỏ gọn để di chuyển trong khuôn viên trường học, công sở,
- Trong điều kiện thời tiết không đủ nắng thời gian dài phải có hệ thống sạc bằng điện lưới 220V hoặc có hệ thống bình ắc quy dự phòng
- Khi hết bình ắc quy, phải có hệ thống báo sắp hết nguồn ắc quy
- Có hệ thống đèn, còi Có khả năng che mưa, nắng
- Cung cấp sự tiện nghi tốt nhất có thể cho người điều khiển
- Kết cấu đơn giản, bền, ít đòi hỏi bảo dưỡng sửa chữa
- Kiểu dáng đẹp, thanh nhã
Xe được dùng chủ yếu trong các khu du lịch giải trí và hoạt động trong các khu công nghệ, di chuyển trên những đoạn đường bằng phẳng, ít gồ ghề với quãng đường ngắn… Trên phương diện an toàn, xe phải thỏa những tính chất sau:
- Xe có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo phù hợp với trình độ công nghệ chế tạo ở Việt Nam hiện nay
- Giá thành chế tạo xe thấp để có thể đưa vào sử dụng rộng rãi
- Xe có tuổi thọ cao
- Trọng lượng nhẹ để đạt vận tốc cao
- Gia tốc luôn phải ở mức thấp
- Xe vừa chạy vừa có thể vừa nạp năng lượng
- Động cơ tương thích tối ưu với chủng loại panel
- Thiết kế hệ thống cảm ứng xoay tấm panel theo hướng vuông góc để hấp thu tối đa nguồn năng lượng mặt trời
- Trọng tâm xe không quá cao để đảm bảo ổn định
- Hệ thống lái phải chính xác vì nếu khó lái sẽ dễ mất đà
- Hệ thống phanh đảm bảo an toàn cho người sử dụng xe
- Các yếu tố cơ khí động lực phải hài hòa: giảm tối đa lực cản, lực ma sát
- Phải có các tín hiệu báo sự an toàn (đèn phanh, còi, năng lượng, …)
- Nguồn năng lượng dự trữ lớn để đảm bảo cho xe điện chạy lâu dài, ít tốn năng lượng, nâng cao tuổi thọ cho động cơ, bình ắc quy do đó xe điện phải có tự trọng nhỏ
- Bán kính quay vòng của xe càng nhỏ càng tốt.
Phương án xe năng lượng mặt trời
2.2.1 Phân tích các ph ươ ng án
Xe không có mái che, tấm năng lượng được bố trí thấp (xem hình 2.1) Ưu điểm:
- Độ ổn định xe cao do phân bố trọng tâm thấp
- Không có khả năng che mưa nắng cho người ngồi trên xe
Hình 2.1 Mô hình xe năng lượng mặt trời không có mái che
- Khoang hành khách chất hẹp do giới hạn bởi kích thước tấm pin
Xe 4 bánh có mái che, tấm năng lượng bố trí trên trần xe (xem hình 2.2) Ưu điểm:
- Có khả năng che mưa, nắng cho người ngồi trên xe
- Khoang hành khách rộng do tấm pin được bố trí bên trên
- Tăng lực cản do nhiều bánh xe
- Tổn hao công suất truyền lực
- Độ ổn định thấp hơn xe có tấm pin bố trí thấp
Hình 2.2 Mẫu xe năng lượng mặt trời có mái che
Xe 3 bánh đơn giản có mái che, với hai bánh trước dẫn hướng và một bánh sau chủ động, tấm năng lượng được bố trí trên trần xe (xem hình 2.3)
Hình 2.3 Mẫu xe ba bánh (3x1) Ưu điểm:
- Có kết cấu đơn giản
- Dễ bố trí tấm năng lượng mặt trời
- Kết cấu hệ thống lái phức tạp
- Độ ổn định thấp hơn xe có tấm pin bố trí thấp (phương án 1) 2.2.1.4 Phương án 4:
Xe 3 bánh đơn giản có mái che, với một bánh trước dẫn hướng và hai bánh sau chủ động, tấm năng lượng được bố trí trên trần xe (xem hình 2.4)
Hình 2.4 Mẫu xe ba bánh (3x2) Ưu điểm:
- Có kết cấu đơn giản
- Dễ bố trí tấm năng lượng mặt trời
- Kết cấu hệ thống lái đơn giản
Hình 2.5 Sơ đồ phương án 5 (chọn)
Điểm chung hiện nay của xe sử dụng năng lượng mặt trời là thời gian tích năng lượng (sạc pin) khá lâu và thời gian sử dụng năng lượng nhanh hết nên khó có thể vừa chạy vừa sạc đầy pin ngay Nếu sạc đầy bình ắc quy phải chờ lâu, do đó sau khi sạc đầy thì xe vừa hoạt động vừa sạc bổ sung.
Với mục đích chọn mẫu xe phục vụ trong các khu du lịch giải trí và hoạt động trong các khu công nghệ (giữa các tòa nhà), cũng như những hạn chế của điều kiện của Việt Nam về khả năng công nghệ và giá thành chế tạo, đề tài chọn phương án đơn giản mẫu xe theo phương án 5, các tấm pin mặt trời được bố trí trên mui (trần) xe.
Bố trí chung kết cấu
- Tấm năng lượng mặt trời bố trí trên mui xe (trần)
- Xe có ba bánh (3x1) với bánh sau chủ động hai bánh trước dẫn hướng
- Sử dụng một động cơ điện
2.3.2 B ố trí chung các h ệ th ố ng Để đơn giản kết cấu và dễ chế tạo phù hợp với điều kiện công nghệ cũng như giá thành tại Việt Nam Đề tài chọn các hệ thống như sau:
Hệ thống truyền lực của xe điện sử dụng động cơ được gắn với bánh xe sau làm bánh chủ động Động cơ được lựa chọn dựa trên khả năng hoạt động của xe Hệ thống sử dụng trục bánh xe để truyền lực, giúp giảm tổn hao năng lượng.
- Hệ thống phanh: dùng cơ cấu phanh đĩa sau, bố trí tại trục của bánh se chủ động; dẫn động phanh: được thiết kế mới mục đích để cung cấp đủ lực phanh tại bánh xe và đảm bảo lực tại tay phanh và hành trình phanh đúng tiêu chuẩn
Hệ thống lái của ô tô có hoạt động đơn giản hơn so với xe máy Do chỉ hoạt động ở tốc độ thấp, di chuyển trong các khu du lịch giải trí, khu công nghệ nên xe không đòi hỏi cơ cấu dẫn động phức tạp Việc sử dụng cơ cấu dẫn động đơn giản giúp tối ưu hiệu suất vận hành và giảm chi phí sản xuất.
- Hệ thống chiếu sáng: hệ thống đèn chiếu sáng, đèn báo rẽ phía trước và sau Đảm bảo đủ chiếu sáng, giá thành rẻ, phù hợp yêu cầu thiết kế
Chọn sơ bộ các thông số chung của mẫu xe: trên cơ sở phân tích ở trên (mục 2.2.1.5), thông số chung mẫu xe năng lượng mặt trời được chọn như bảng 2.1
Bảng 2.1 Thông số bố trí chung
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Kích thước phủ bì L x B x H mm 2100 x 1200 x 1860
Chiều dài cơ sở L0 mm 1500
Chiều rộng cơ sở B0 mm 1200
Khoảng sáng gầm xe Hs mm 280
Trọng lượng khung xe + động cơ G0 kG 35
Trọng lượng bình ắc quy GA kG 13
Trọng lượng tấm pin NL mặt trời GM kG 18
Trọng lượng người ngồi + hàng GN kG 70 +10
Trọng lượng toàn bộ G kG 146
Sơ đồ khối mẫu xe năng lượng mặt trời
Hình 3.1 Sơ đồ dẫn động điện xe năng lượng mặt trời
Pin mặt trời sẽ cung cấp nguồn năng lượng để sạc bình ắc quy Trường hợp không có năng lượng mặt trời sẽ sử dụng nguồn điện lưới 220V để sạc Ắc quy cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động thông qua bộ điều khiển động cơ.
Động cơ điện
Vì năng lượng mặt trời là một loại pin quang điện, nên nguồn ánh sáng từ mặt trời sau khi tác động vào tấm pin, sau quá trình hấp thụ năng lượng và chuyển mức năng lượng của các điện tử trong tấm pin, sẽ tạo ra dòng điện Vì vậy, ta chọn nguồn động lực cho mẫu xe dùng năng lượng mặt trời là động cơ điện
3.2.1 Phân tích các lo ạ i độ ng c ơ đ i ệ n
- Động cơ điện dẫn động xe chuyển động với từng vận tốc khác nhau
- Động cơ điện được điều khiển bởi hệ thống điều khiển bằng một bộ điều khiển động cơ hoặc một khối điều khiển điện tử (Electronic Control Module ECM)
- Cung cấp đủ công suất cho mẫu xe hoạt động
- Thay đổi moment kéo thích hợp để thay đổi vận tốc chuyển động của xe
- Hiệu suất làm việc cao
- Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuổi thọ làm việc cao
3.2.1.3 Phân loại: Động cơ điện dùng trên xe có hai loại chính:
- Loại dòng xoay chiều (AC)
- Loại dòng một chiều (DC) Động cơ DC thì dễ điều khiển hơn và rẽ hơn, nhưng lại to và nặng hơn động cơ AC Hiện tại, động cơ AC cùng với các bộ điều khiển thường đạt được hiệu suất cao hơn trên phạm vi hoạt động rộng, nhưng do các mạch điện tử phức tạp nên giá thành mắc hơn
Ngày nay, cả động cơ AC và DC đều có thể được dùng trong các mẫu xe
Để thuận tiện cho quá trình tính toán lựa chọn động cơ cũng như trong quá trình điều khiển và cung cấp năng lượng cho xe điện hoạt động, động cơ DC là lựa chọn phù hợp Loại động cơ này có ưu điểm là dễ tìm kiếm trên thị trường hiện nay.
3.2.2 Ch ọ n ngu ồ n độ ng l ự c cho xe n ă ng l ượ ng m ặ t tr ờ i Để chọn được động cơ điện phù hợp với mẫu xe thiết kế, ta cần tính toán sơ bộ công suất cần thiết để công suất động cơ của xe đáp ứng được các đòi hỏi khi vận hành
Từ phương trình cân bằng công suất động cơ của mẫu xe:
Ne = Nt + Nf +N ω ± Ni ± Nj (3.1)
Ne: Công suất động cơ [W]
Nt: Công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực [W]
Nf = f.G.v.cosα : Công suất tiêu hao để thắng lực cản lăn [W]
Nw = W.v 3 : Công suất tiêu hao để thắng lực cản không khí [W]
Ni = G.v.sinα : Công suất tiêu hao để thắng lực cản dốc [W]
Nj: Công suất tiêu hao để thắng lực cản quán tính [W]
Phương trình (3.1) cũng có thể biểu thị sự cân bằng công suất tại bánh xe chủ động của mẫu xe như sau:
Nk = Ne – Nt = Nf + N ω ± Ni ± Nj (3.2) Ở đây:
Nk: Công suất kéo của động cơ phát ra tại bánh xe chủ động
Trong đó: η t : Hiệu suất của hệ thống truyền lực
Trong trường hợp mẫu xe chuyển động trên đường bằng (α =0), không có gia tốc (j = 0) thì phương trình cân bằng công suất (3.1) được viết lại:
Khi đó, phương trình cân bằng công suất kéo tại bánh xe chủ động là:
Nk = (Nf + N ω ) = (f.G.v+W.v ) (3.5) Trong đó: f: Hệ số cản lăn Điều kiện xe chuyển động là trên đường nhựa bằng phẳng, diện tích bánh xe tiếp xúc mặt đường nhỏ, ta chọn hệ số cản lăn: f = 0,015
G: Trọng lượng của mẫu xe
Mẫu xe năng lượng mặt trời sử dụng cho một người ngồi, tính toán sơ bộ ta chọn: G = 150 kG = 1471,5 N
W: Nhân tố cản của không khí Với: W = k.F Trong đó: k: hệ số cản không khí
F: Diện tích cản chính diện
Mẫu xe thiết kế di chuyển với tốc độ thấp, ảnh hưởng của nhân tố cản không khí nhỏ, tính toán sơ bộ diện tích cản không khí xe chọn F = 0,4m 2 ; hệ số cản không khí chọn k = 0,2 Ns 2 /m 4 ; Do đó chọn: W = 0,08 Ns 2 /m 2
Chọn vận tốc tối đa cho xe sử dụng năng lượng mặt trời là: vmax = 25 (km/h) ⇒ vmax = 6,94 m/s
Công suất động cơ điện là: e k t
Thay các giá trị vào (3.5 và 3.6), tính được công suất cần thiết của xe khi đạt tốc độ lớn nhất là:
= = + Hiệu suất động cơ thực tế đạt khoảng 80%, vì vậy ta sử dụng 1 động cơ DAAC DC 250W – 36V cho xe dùng năng lượng mặt trời
3.2.3 Ki ể m tra đ i ề u ki ệ n chuy ể n độ ng
3.2.3.1 Xác định tọa độ trọng tâm xe không tải
Xác định tọa độ trọng tâm và các hệ số phân bố tải trọng lên các cầu xe trong trường hợp không tải, đầy tải là một phần quan trọng trong quá trình tính động lực học mẫu xe Để xác định tọa độ trọng tâm xe không tải ta xác định các trọng tâm của các cụm, chi tiết theo phương dọc và phương đứng xe
Chọn hệ tọa độ với tâm O tại điểm tiếp xúc bánh xe trước với mặt đường, trục a là phương dọc của xe, trục h là phương đứng của xe Ta lần lượt xác định tọa độ trọng tâm của các cụm, chi tiết theo bảng 3.1 và hình 3.2 như sau:
Bảng 3.1 Tọa độ trọng tâm các cụm chi tiết khi xe
Thành phần Gi, kG ai, m hi, m Gi x ai Gi x hi
Bình ắc quy 13 1,17 0,412 15,34 5,395 Động cơ điện 13 1,54 0,280 20,02 3,64
Hình 3.2 Tọa độ trọng tâm xe không tải
Từ đó ta xác định tọa độ trọng tâm xe không tải theo 2 phương theo công thức sau:
- ai: khoảng cách từ trọng tâm các cụm chi tiết đến tâm bánh trước
- ag0: khoảng cách từ trọng tâm xe không tải đến tâm bánh trước
- hi: chiều cao từ trọng tâm các cụm chi tiết đến đến mặt đất
- hg0: chiều cao từ trọng tâm xe không tải đến mặt đất
3.2.3.2 Xác định tọa độ trọng tâm khi xe đầy tải
Khi xe chuyển động có người điều khiển và hàng thì tọa độ trọng tâm xe bị thay đổi, điều này ảnh hưởng đến tính toán phần động lực của xe Để xác định tọa độ trọng tâm khi xe đầy tải, ta xác định tọa độ trọng tâm của người và hàng an+h= 0,68 m; hn+h = 0,95 m (Với an+h: khoảng cách từ trọng tâm người và hàng đến tâm bánh trước; hn+h: chiều cao từ trọng tâm người đến đến mặt đất) Do đó tọa độ trọng tâm xe đầy tải: a = 0,795m; hg = 0,490m (a: khoảng cách từ trọng tâm xe đầy tải đến tâm bánh trước; hg: chiều cao từ trọng tâm xe đầy tải đến đến mặt đất) và được thể hiện ở hình 3.3
Hình 3.3: Tọa độ trọng tâm xe đầy tải
Với tổng trọng lượng xe là 146 kG ≈ 1460 N, ta xác định phản lực mặt đường tác dụng lên bánh sau (Z2: bánh chủ động) và bánh trước (Z1) theo công thức sau:
Kiểm tra hiện tượng trượt quay của bánh xe chủ động khi xe đầy tải chuyển động trên đường bằng
Lực bám: Pϕ = Z2 ϕ = 753 x 0,7 = 527 N (3.7) Trong đó: ϕ - Hệ số bám đường: theo yêu cầu thiết kế, xe chỉ di chuyển trên đường nhựa bê tông tốt ϕ = 0,6 – 0,7 Chọn: ϕ = 0,7
Lực cản tổng cộng khi xe chuyển động đều với tốc độ lớn nhất trên đường nằm ngang:
3.2.3.4 Kiểm tra khả năng khắc phục lực cản đường và trượt khi xe chuyển động
Số vòng quay của động cơ điện tại Nemax là n = 145 – 180 vòng/phút
Chọn n = 150 vòng/phút, vận tốc góc ω = 15,7 rad/s
Suy ra moment kéo tại trục bánh xe chủ động:
= ω = = (ηd = 0,8 hiệu suất của động cơ điện)
Bán kính làm việc r b =λ.r 0 =0,93 0, 26 0, 24x = m (λ=0,93 hệ số biến dạng
Do đó lực kéo lớn nhất tại bánh xe chủ động: max max k 53,078 k b
Từ kết quả công thức 3.7; 3.8; 3.9 ta thấy P ψ < Pkmax < P ϕ nên xe đủ điều kiện chuyển động
3.2.4 Ổ n đị nh xe khi quay vòng
Với góc quay vòng bánh xe trong α = 30 , ta xác định được:
Bán kính quay vòng tại trọng tâm:
R = b + R = m ϕ - góc tạo bởi đường tâm bánh xe trước đến đường tâm bánh xe sau và trục dọc của xe như hình 3.4 được xác định như sau: artg2.C 21,3 o ϕ= L 0
0, 745 ar 3, 27 12,8 o artg b tg α = R = Bán kính quay vòng nhỏ nhất R min = l +R = 1,54 + 3,867 = 4,16 m 2 2 2 2 2 Moment lật đổ khi xe quay vòng trên đường bằng:
M CL = G.OGA = G.(b.sinϕ) Để xe không bị lật:
Do đó vận tốc giới hạn để xe không bị lật khi quay vòng trên đường bằng Vg= 16,85 km/h
Để tăng tốc độ giới hạn quay vòng của xe, cần phải đưa trọng tâm xe về phía trước (tăng khoảng cách OGA) và giảm chiều cao trọng tâm hg Bằng cách này, mômen quán tính đối với trục ngang qua trọng tâm sẽ tăng lên, dẫn đến tốc độ quay vòng nhanh hơn.
Nguồn Ắc quy
Ắc quy là năng lượng của xe, có nhiệm vụ cung cấp điện năng cho động cơ DC Các đặc tính của ắc quy như kích thước, khối lượng, dung lượng ảnh hưởng rất lớn đến việc thiết kế kết cấu xe cũng như thời gian vận hành
- Mật độ năng lượng cao, một lần nạp có thể đi được trên quãng đường dài
- Năng lượng được cung cấp ổn định cho động cơ điện với đặc tính phóng điện lớn, đảm tốt việc tăng tốc và khả năng leo dốc của mẫu xe
- Tuổi thọ cao, ít bảo trì, bảo dưỡng và có độ an toàn cơ học cao
- Cho phép xả sâu: khả năng phóng điện đạt tới khoảng 90% dung lượng bình
- Độ ổn định khi nạp hay phóng
- Thời gian phóng điện lâu hơn
- Giá thành thấp, phù hợp với thị trường hiện nay
- Được chấp nhận rộng rãi, khả năng có thể được tái chế theo các tiêu chuẩn về môi trường
3.3.2 Phân tích ph ươ ng án l ự a ch ọ n ắ c quy
- Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo
- Được sử dụng rất phổ biến trên thị trường hiện nay, đủ chủng loại
- Tạo ra dòng điện lớn
- Tuổi thọ sử dụng cao
Để khắc phục các hạn chế của ắc quy chì thông thường, ắc quy chì axit hiện nay được trang bị thêm van điều tiết VRLA (Valve Regulated Lead – Axid) Loại ắc quy này có 2 loại, trong đó có ắc quy VLRA dùng cho xe thương mại Một ưu điểm nổi bật của ắc quy VLRA là giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rò rỉ axit.
Bình điện đệm thủy tinh hấp thụ (Absorbed Glass Mat AGM) và bình điện công nghệ keo (Gel Technology) Với những ưu điểm sau:
- Có thể hoạt động tốt ở các môi trường kín
- Có kích thước nhỏ gọn không mất nhiều không gian như loại axít chì truyền thống
- Không đòi hỏi nhiều sự bảo trì
- Có độ an toàn cao
Trên thị trường hiện nay, chia các sản phẩm ắc quy thành 4 nhóm như sau:
Người dùng phải “châm nước” (bảo dưỡng) thường xuyên mỗi khi ắc quy cạn dung dịch Nếu không châm dung dịch acid kịp thời, ắc quy sẽ mất khả năng tích điện, phóng điện và thậm chí là bị phù (trương), hỏng Khi charge, dung dịch bên trong ắc quy thường bốc mùi rất khó chịu và gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người dùng Khi đặt sai vị trí (nghiêng, sấp, …), dung dịch trong ắc quy sẽ thoát ra ngoài Vì những yếu điểm đó mà dòng ắc quy này thường chỉ được dùng trong những môi trường ngoài trời (outdoor) như dùng để khởi động động cơ, máy phát, xe tải, mẫu xe …
3.3.2.1.2 Ắc quy miễn bảo dưỡng (MF - Maintainence Free)
Miễn bảo dưỡng có nghĩa là không cần phải châm nước như loại ắc quy
“châm nước” trong quá trình sử dụng Đối với loại này, khi charge khí vẫn thoát ra ngoài nhưng ít hơn dòng sản phẩm châm nước; khi để không đúng vị trí (nghiêng, sấp, …) thì dung dịch bên trong ắc quy sẽ thoát ra ngoài Dòng sản phẩm này được thiết kế hầu hết cho mục đích “khởi động” hay còn gọi là “kích điện” – điều này thể hiện ở hai cực của ắc quy (thông thường hai cực của loại này được thiết kế theo dạng tròn và rất lớn – vì khi kích điện, ví dụ cho xe ô tô, máy phát, … ắc quy cần phóng một lượng điện cực lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn để khởi động động cơ)
3.3.2.1.3 Ắc quy kín khí (AGM VRLA – Absorbent Glass Mat/ Valve Regulated
Lead Acid): Ắc quy kín khí tức là khí không thể thoát ra ngoài; một khi khí không thoát được thì dung dịch trong ắc quy cũng không thể “lọt” ra ngoài được ở tất cả các tư thế khác nhau Hai cực dương âm của các sản phẩm thuộc dòng này thường được thiết kế rất mảnh mai Điều này là dễ hiểu, vì ắc quy này không dùng cho mục đích khởi động mà là dùng cho những môi trường cần dòng phóng ổn định và duy trì dòng phóng trong một khoảng thời gian dài Dòng sản phẩm này được thiết kế rất đa dạng cho nhiều mục đích khác nhau Ví dụ: Bộ tích điện (UPS), Inverter, telecom, electrical utilities, xe điện, cửa, báo cháy, an ninh, …
Nhà sản xuất chuyên nghiệp thường chia dòng sản phẩm này thành những phân cấp đặc thù cho những mục đích sử dụng khác nhau Ví dụ, với bộ tích điện (UPS), có thể cả tháng hoặc hơn thế UPS mới phải “làm việc” 1 lần; Tuy nhiên, với xe đạp điện, ắc quy sẽ phải “làm việc” liên tục 07 ngày/ 1 tuần Nếu lấy một sản phẩm dùng cho UPS đem gắn vào cho xe đạp điện thì không được Nhưng ngược lại, bạn lấy một sản phẩm ắc quy được thiết kế cho xe điện đem gắn vào UPS thì lại là lựa chọn tốt
3.3.2.1.4 Ắc quy AGM Gel (AGM GEL)
Sản phẩm này là ắc quy khô đúng nghĩa của nó mặc dù Gel cũng là dòng kín khí Thiết kế của dòng sản phẩm Gel khác với các dòng AGM VRLA ở chỗ, phần trên của dung dịch acid Sunfuric trong ắc quy được phủ thêm một lớp Gel
Gel có tác dụng làm giảm tiến độ ăn mòn trong quá trình vận hành của ắc quy
Do vậy, tuổi thọ của ắc quy cũng sẽ tăng lên tương ứng Dòng sản phẩm này được thiết kế đặc thù cho ngành viễn thông, dùng tấm năng lượng mặt trời (solar system), hoặc những nơi có yêu cầu khắt khe về sự ổn định, độ bền cao nhất
Acquy kiềm là loại ắc quy mà dung dịch điện phân được dùng trong ắc quy là dung dịch kiềm KOH hoặc NaOH Tùy theo cấu tạo của bản cực ắc quy kiềm được chia làm ba loại:
- Loại ắc quy Sắt (Fe) – Niken (Ni)
- Loại ắc quy Cadimi (Cd) – Niken (Ni)
- Loại ắc quy Bạc Ag) –Kẽm (Zn)
Là loại bình điện thân thiện với môi trường với mật độ công suất và giá thành ngày càng được cải tiến Điện thế phóng điện của ắc quy kiềm thấp hơn ắc quy axit Tuy nhiên chưa phổ biến trên thị trường Việt Nam
- Công suất cực đại để cung cấp cho động cơ Pmax = 250 W
- Nguồn điện mà ắc quy cung cấp có giá trị không đổi U = 36 V
Với điều kiện làm việc của xe điện như trên cùng với giá thành trong quá trình chế tạo xe điện cũng như khả năng phát triển rộng rãi của chiếc xe điện này ta chọn loại bình axít chì
Trên thị trường hiện nay loại bình điện axit chì 12V rất nhiều chủng loại
Có rất nhiều hãng nổi tiếng để ta có thể lựa chọn như: Globe, GS , Đồng Nai, … Để đảm bảo điều kiện làm việc và tăng tuổi thọ cho động cơ cũng như kéo dài khoảng thời gian sạc bình ắc quy thì ắc quy cần cung cấp dòng nhỏ nhưng vẫn đảm bảo đủ công suất Sau khi tìm hiểu các sản phẩm bình ắc quy trên thị trường Việt Nam về giá cả, độ tin cậy về thời gian sử dụng cũng như tuổi thọ của bình, ta chọn bình ắc quy kín khí AGM VRLA (ắc quy duy trì - deep cycle battery) hiệu GLOBE WP12-12, có các thông số sau:
- Giá: 450.000 đồng Để cung cấp đủ công suất tải động cơ ta sử dụng 03 bình ắc quy mắc nối tiếp
3.3.4 Tính toán th ờ i gian s ử d ụ ng ắ c quy và quãng đườ ng xe ch ạ y
Ta xét trường hợp xe đầy tải chuyển động với Vmax = 25 km/h trên đường băng Khi đó, theo phương trình cân bằng công suất (Mục 3.2.2), ta xác định được công suất sử dụng của xe là Ne8,79 W
Ta chọn hiệu suất động cơ là η = 0,8, do đó công suất điện cần cung cấp cho động cơ là 250W
Thời gian sử dụng ắc quy phụ thuộc vào dung lượng của ắc quy và công suất của tải Công thức tính như sau:
T - thời gian sử dụng điện từ ắc quy (giờ) A – dung lượng ắc quy (Ah)
V – điện áp ắc quy (V) η – hệ số sử dụng ắc quy
- Công thức trên được tính cho những ắc quy có sự đảm bảo về chất lượng
Dòng xả cực đại của ắc quy không được vượt quá 3 lần dung lượng của ắc quy, đồng thời thời gian hoạt động ở chế độ này chỉ nên dưới 3 phút liên tục Việc tuân thủ giới hạn này giúp đảm bảo an toàn cho ắc quy, kéo dài tuổi thọ và tránh tình trạng hư hỏng do quá dòng.
Thông thường nên chọn dung lượng ắc quy để xe có thể hoạt động từ 2 giờ trở lên
Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cung cấp cho ắc quy
- Hiệu suất, tuổi thọ cao
- Đủ điện áp, dòng điện sạc
- Đủ công suất cung cấp cho ắc quy
- Có sẵn trên thị trường, giá thấp
3.4.2 Tính toán công su ấ t t ấ m pin m ặ t tr ờ i
Với bình ắc quy 12V – 12Ah, ta lựa chọn tấm pin có điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch là: UOCmax > 14,2 V; ISCmax > C/5 = 2,4 A
Tính toán sơ bộ công suất theo công thức sau:
PM – Công suất của tấm pin mặt trời [Wp]
C – dung lượng ắc quy [Ah]
UA – điện áp ắc quy [V] η A – hiệu suất ắc quy n – hệ số dự phòng (Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần) T – thời gian nắng trong ngày [h]
Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng các sản phẩm trên thị trường, chúng tôi đã lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời RedSun có công suất 55 Wp Sản phẩm này đáp ứng các thông số kỹ thuật và đặc tính làm việc như sau:
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật tấm pin mặt trời 55Wp
Hình 3.5 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 55Wp
Bộ điều khiển sạc (Solar Charge Controller)
- Điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của ắc quy
- Đảm bảo phương pháp nạp đúng theo quy định nhà sản xuất ắc quy
- Công suất của bộ điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ắc quy
- Khi dòng từ pin mặt trời thấp, bộ điều khiển sạc làm nhiệm vụ boost, nâng dòng lên để nạp vào bình
- Khi dòng từ pin mặt trời cao, bộ điều khiển sạc làm nhiệm vụ buck, hạ dòng xuống để bảo vệ bình
- Ngăn dòng điện chạy ngược từ ắc quy về pin mặt trời khi dòng điện từ pin mặt trời thấp
- Nạp quá: Nếu điện áp nạp của ắc quy quá cao sẽ dẫn đến dòng vào ắc quy tăng mạnh sau khi ắc quy được nạp đầy Sự cố này làm nước bị phân ly thành các electron và làm giảm tuổi thọ của pin Nếu ắc quy thường xuyên trong tình trạng bị nạp quá đầy, nhiệt độ trong ắc quy sẽ tăng lên Đến một mức độ nào đó, dòng điện vào ắc quy sẽ nhiều hơn và làm nhiệt độ trong ắc quy tiếp tục tăng lên có thể phá hỏng ắc quy chỉ sau vài giờ đồng hồ
- Nạp thiếu: Hiện tượng nạp thiếu thường xuyên xảy ra với ắc quy làm việc với hệ thống pin mặt trời do thời gian ánh sáng yếu thường diễn ra trong thời gian dài Nếu điện áp nạp của ắc quy ở mức quá thấp, dòng điện vào ắc quy không đạt giá trị cần thiết trước khi ắc quy được nạp đầy sẽ làm dư lại một số sunfat chì ở các cực ắc quy, làm giảm dung lượng của ắc quy, làm giảm tuổi thọ của ắc quy
- Sunfat hoá: Do các tinh thể chì sunfat được biến đổi thành chì trong thời gian ắc quy nạp, nên nếu sau khi phóng hết, ắc quy lâu ngày không được nạp lại, một số các tinh thể chì sẽ còn bám lại trên các tấm bản cực Những tinh thể này như những lớp cách ly gây trở ngại cho ắc quy khi nạp Đây gọi là hiện tượng sunfat hoá Hiện tượng này làm dung lượng của ắc quy giảm và có thể làm hỏng ắc quy Để tránh hiện tượng này, có thể áp dụng chế độ nạp cân bằng để có thể làm tươi lại ắc quy, tạo sự đồng đều của dung dịch trong các ngăn của ắc quy
3.5.2 Các ch ế độ c ủ a b ộ đ i ề u khi ể n s ạ c ắ c quy
Gồm 3 chế độ sau đây: nạp với dòng không đổi, nạp với áp không đổi và nạp nổi Lựa chọn chế độ nạp nào cho ắc quy còn tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của ắc quy (hoạt động thường xuyên theo chu kỳ hay chỉ hoạt động theo nhu cầu), tính kinh tế, thời gian nạp lai, giữ gìn tuổi thọ của ắc quy Mục đích của các phương pháp nạp ắc quy chủ yếu là điều khiển dòng điện nạp ở cuối quá trình nạp ắc quy
Hình 3.6 Các chế độ nạp ắc quy
3.5.2.1 Nạp với dòng không đổi Đây là chế độ nạp bình thường của ắc quy, sẽ đưa dung lượng của ắc quy lên 80 đến 90% dung lượng đầy Với ắc quy chì - axit dòng nạp thường lấy là C/10 Chế độ này được duy trì nếu điện áp ắc quy ở trong khoảng 1,8V