phát triển dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay

Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và một trục quay theo góc vĩ độ 23 Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống xoay hai trục 24 Hình 2.14 Mô tả g

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

PHÁT TRIỂN DÀN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ XOAY

NGUYỄN HOÀNG GIANG

THÁI NGUYÊN, 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN HOÀNG GIANG

PHÁT TRIỂN DÀN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ XOAY

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2011

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Nguyễn Hoàng Giang

Tháng 10 năm 2011

Lời cám ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Dự, giáo

viên hướng dẫn khoa học của tôi, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến người bạn là đồng nghiệp, anh Lê Duy Hội đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghiệp trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ tôi, người đã cho tôi những lời khuyên, những lời động viên và là hậu phương vững chắc để tôi có thể yên tâm học tập, lao động và nghiên cứu luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi tham gia khóa học này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong khoá học

Tóm tắt

Luận văn này trình bày cách tính toán kết cấu, công suất cơ cần thiết để xoay dàn pin mặt trời theo hướng tia nắng; chế tạo và thử nghiệm cho dàn pin tự xoay có công suất trên 100W Kết quả cho thấy, sử dụng truyền đông vít me đai

ốc làm cho dàn hoạt động êm và ổn định hơn so với kết cấu dùng bọ truyền trục vít bánh vít trước đây Kết quả đo thực nghiệm cho thấy công suất cần thiết để quay dàn 100W chỉ khoảng 5W Có thể kết luận rằng, công suất tiêu thụ cho hệ thống xoay dàn nhỏ hơn nhiều so với công suất phát điện của dàn

Dàn pin xoay quanh một trục có góc nghiêng theo vĩ độ gồm có hai thành phần chính Thành phần thứ nhất là mô đun cơ khí, bao gồm khung dàn, trục quay, bộ giảm tốc, trụ đỡ và động cơ điện Thành phần thứ hai là mô- đun điều khiển bao gồm bộ cảm biến quang điện, mạch điều khiển, bộ vi xử lý, và hai công tắc hành trình Dàn quay được điều khiển thông qua bộ vi xử lý được lập trình trước, bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ bộ cảm biến quang điện và công tắc hành trình, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dùng để quay động cơ theo chiều thuận, chiều nghịch hoặc dừng Kết quả tính toán cho thấy, công suất cần thiết để xoay dàn luôn luôn nhỏ hơn rất nhiều so với công suất điện do dàn phát

ra

Dựa vào kết quả tính toán tổng quát, một dàn pin tự xoay có công suất đầu

ra 110W đã được chế tạo Quá trình vận hành thử nghiệm cho thấy dàn hoạt động

ổn định ở chế độ điều khiển bằng tay cũng như điều khiển tự động, sử dụng ánh sáng của bóng đèn sợi đốt cũng như ánh sáng mặt trời Lỗi điều khiển làm cho dàn quay trở về vị trí ban đầu khi không có ánh sáng của các nghiên cứu trước làm đã được khắc phục hoàn toàn trong nghiên cứu này

Chương 3: Phát triển mô hình tính toán thông số chế tạo hệ dẫn động dàn

3.3 Giải bài toán vị trí kết cấu dàn xoay 36

3.5 Bài toán động lực học cơ cấu xoay dàn 37

3.5.1 Mômen quán tính của dàn pin 37

3.5.3 Tính toán công suất động cơ xoay dàn 40

3.6.1 Các tải trọng tác dụng lên dàn tự xoay một trục 41

3.6.3.2 Tải trọng của pin và khung dàn 43

b Trọng lượng của khung dàn 44

3.7 Giới thiệu các mẫu pin - Các thí nghiệm kiểm chứng với dàn

3.9 Kết luận 68 Chương 4 Thực nghiệm chế tạo và đánh giá dàn xoay 69

4.1 Lựa chọn giá trị kết cấu và các thông số 69

Danh mục các hình ảnh

Hình 2.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời 16

Hình 2.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha 18 Hình 2.4 Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời 18

Hình 2.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng

Hình 2.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn 21

Hình 2.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn

cố định giảm dần khi góc quay tăng dần 22

Hình 2.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc

phương vị và một trục quay theo góc vĩ độ 23 Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống xoay hai trục 24

Hình 2.14 Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất 30

Hình 2.16 Mô hình dàn xoay pin mặt trời tự xoay một trục có góc

Hình 3.1a Sơ đồ kết cấu không gian dàn pin 35

Hình 3.1b Sơ đồ kết cấu phẳng dàn pin 35

Hình 3.4 Hình ảnh tấm pin đơn vị 10W (diện tích 0,1m2

; nặng 1,15kg) 44

Hình 3.6 Hình không gian lắp ráp thanh 1, thanh 2 và trục xoay 45 Hình 3.7 Sơ đồ hóa và biểu đồ mômen của thanh đỡ pin 46

Hình 3.9 Sơ đồ tính và biểu đồ mômen của thanh số 2 48

Hình 3.11 Kích thước dàn pin 1000W (3500x2800) 49 Hình 3.12 Hình 3.12 Kích thước tiết diện thanh 3 50 Hình 3.13 Sơ đồ tính và biểu đồ mômen của thanh số 4 51

Hình 3.15 Đường khối lượng ước lượng cho dàn pin tự xoay 52

Hình 3.16 Mô hình thí nghiệm dàn xoay một trục và dàn cố định 60 Hình 3.17a Mô hình thí nghiệm đo công suất điện của dàn xoay một trục 60 Hình 3.17b Mô hình thí nghiệm đo công suất điện của dàn cố định 60

Hình 3.18 Một số hình ảnh thí nghiệm so sánh công suất điện thu được

giữa hai dàn cùng thời điểm trong các giờ khác nhau 62 Hình 3.19 Đồ thị so sánh công suất điện thu được giữa dàn xoay một

Hình 4.1a Mô hình tổng thể dàn xoay nhìn từ phía trước 71 Hình 4.2b Mô hình tổng thể dàn xoay nhìn từ cạnh bên 72

Hình 4.6 Sơ đồ đo dòng điện qua động cơ khi làm việc 77

Hình 4.7 Đồ thị đường đặc tính dòng điện qua động cơ hoạt động

Danh mục các bảng, biểu

Bảng 3.11 Lựa chọn giá trị công suất động cơ và kích thước kết cấu dàn 66

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Sử dụng những nguồn năng lượng như: than đá, dầu mỏ,…đã thải ra khí quyển một lượng chất thải nguy hiểm, những chất này làm cho trái đất ngày càng ấm lên, là nguyên nhân gây ra những biến đổi về khí hậu theo hướng tiêu cực Để hạn chế những tác động trên, những nhà khoa học trên thế giới, những quốc gia phát triển đã tích cực tìm ra những nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng trên như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển,…, trong đó nguồn năng lượng lấy từ mặt trời được quan tâm nhiều hơn cả do những ưu việt về độ ổn định, tính dễ khai thác và cấu trúc đơn giản của hệ thống

Cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng dễ lưu trữ, dễ phân phối, truyền tải và tiện dụng nhất Vấn đề khó khăn đặt ra là giá thành các tấm pin mặt trời thường rất đắt, do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng

Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng 1800 so với một điểm cố định trên mặt đất Rõ ràng, một dàn pin đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin luôn có xu hướng hứng trọn ánh nắng mặt trời

Hệ thống xoay tự động là một hệ thống luôn giữ cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng hiệu suất của dàn pin Hệ thống xoay tự động đã được F.M.AL NAIMA and N.A.YAGHOBIAM chế tạo năm 1990 [14] và được vận hành hoàn toàn dựa vào truyền dẫn cơ khí Kể từ đó, đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển [2, 15, 16, 17, 18, 19] để tăng hiệu quả của các dàn năng lượng mặt trời

Mặc dù có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, phép xoay dàn năng lượng đều được phân tách thành hai chuyển động xoay độc lập: xoay theo góc phương vị và xoay theo góc vĩ độ Nói theo góc độ cơ khí, có thể thực hiện xoay dàn năng lượng quanh 2 trục vuông góc với nhau

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất cao hơn

40 % so với dàn cố định Các dàn xoay quanh 1 trục theo hướng Bắc – Nam, mặc dù có hiệu suất thấp hơn khoảng 10% so với dàn quay 2 trục, nhưng lại có kết cấu đơn giản hơn hẳn Công suất cần thiết để xoay dàn thường chiếm khoảng 10 đến 30% công suất điện thu được từ dàn pin mặt trời Điều này cho phép có thể xem xét đầu tư cho bài toán thiết kế, chế tạo các hệ thống dẫn động

và điều khiển dàn tự xoay [2]

Mặc dù đã có nhiều dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng đến nay chưa

có một tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí nào cho các hệ thống này được công bố Kết cấu, kích thước chế tạo của các dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm

Quan tâm đến vấn đề này, có một số câu hỏi cần được giải đáp như:

1) Các công thức tổng quát tính toán công suất cần thiết để xoay dàn, tốc

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán dàn năng lượng mặt trời tự xoay, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm trên mô hình dàn thực có công suất trên 100 W

1) Phát triển các công thức lý thuyết để tính toán các thông số chế tạo cho

hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí;

2) Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay Từ đó đưa ra các khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay; 3) Áp dụng các công thức để thử nghiệm chế tạo mô hình dàn tự xoay có công suất trên 100W

1.3 Đối tượng nghiên cứu

1) Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay;

2) Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo góc điều khiển

3) Mô hình thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1) Nghiên cứu lý thuyết:

Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán về sức bền, chi tiết máy, bài toán vị trí, động học, động lực học…để thiết lập công thức tính toán chung cho hệ dẫn động của hệ thống dàn xoay

2) Nghiên cứu thực nghiệm:

- Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt Nam theo các mùa

- Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả dàn pin tự xoay so với dàn cố định;

- Chế tạo mô hình thực nghiệm cho dàn tự xoay;

1.5 Các kết quả đạt được

Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là phát triển dàn năng lượng mặt trời tự xoay đây là các kết quả chính mà nghiên cứu này đạt được:

1 Đã giới thiệu và phân tích quy luật chuyển động tương đối của mặt trời, dùng làm cơ sở xác định nguyên tắc xoay dàn năng lượng;

2 Các công thức lý thuyết để tính toán các thông số chế tạo (bài toán vị trí, động học, động lực học) cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí;

3 Bộ dữ liệu Excel dùng cho tính toán thiết kế các thông số kết cấu cho các giá trị công suất phát điện khác nhau;

4 Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay Từ đó đưa ra các khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay;

5 Đã thiết kế, chế tạo và lắp ráp thành công một mô hình dàn đỡ pin mặt trời tự xoay theo một trục và có góc nghiêng ban đầu cố định;

6 Đã vận hành thử nghiệm và phân tích các ưu, nhược của kết cấu cơ khí,

từ đó thấy được các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, chế tạo dàn năng lượng tự xoay

1.6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: trình bày những tác động đến môi trường sống do việc sản năng

lượng điện từ thang đá, khí ga, thủy năng,…, những ưu điểm của nguồn năng lượng được sản xuất từ mặt trời Tìm hiểu tình hình sử dụng năng lượng mặt trời

và các kiểu dàn đỡ pin trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2: Tìm hiểu quy luật thay đổi phương của tia trực xạ mặt trời đối

với một điểm nằm trên mặt phẳng trái đất ở những vị trí khác nhau và vào những thời điểm khác nhau để áp dụng kiểu điều khiển phù hợp Phân tích, so sánh ưu nhược điểm của từng loại dàn đỡ để từ đó đưa ra lựa chọn kiểu dàn tối ưu

Chương 3: Xây dựng các công thức lý thuyết để tính toán các thông số

chế tạo (bài toán vị trí, động học, động lực học) cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay Khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay

Chương 4: Thiết kế chế tạo, lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin trên 100W,

vận hành thử nghiệm và phân tích các ưu, nhược của kết cấu cơ khí, từ đó thấy được các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, chế tạo dàn năng lượng tự xoay

Phần cuối cùng là các Kết luận và đề xuất

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão, đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm Trước thực trạng trên, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những những nguồn năng lượng thay thế Một trong những giải pháp chủ yếu là tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng lượng mà khi khai thác cũng như tiêu thụ tác động ít nhất đến môi trường như: năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời,…Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, nguồn năng lượng này có ở khắp trên bề mặt của trái đất

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vô tận Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn

bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2] Nếu thu năng lượng mặt trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3]

Tại Việt Nam, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng 2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản xuất

từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009% [4] Việt Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khai thác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác [5]

2.2 Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời

Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau:

Chuyển trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng Hình 2.1 là một

động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xuân Hùng nghiên cứu Nguyên lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở không khí do nhiệt của mặt trời Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng

Hình 2.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời

Khai thác trực tiếp năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng Hình 2.2 là

bếp sử dụng năng lượng mặt trời Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng mặt cầu parabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu điểm đó Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu suất cao do nhận nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời

nên rất bất lợi Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt động khi có ánh nắng mặt trời

Hình 2.2 Bếp năng lượng mặt trời

Chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng Đây là một kiểu khai thác

năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n,

duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Dàn pin mặt trời Hình 2.3 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ

Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha và nhà máy này cung cấp một lượng điện đủ cho 8000 hộ dân Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc ban đầu [7]

Hình 2.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha [7]

Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời Hình 2.4 là một chiếc du

thuyền hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, tổng diện tích của các tấm pin lắp trên thuyền là 356 m2 và có thể tích điện để thuyền vận hành trong 72 giờ mà không cần ánh sáng mặt trời [6]

Hình 2.4 Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời [6]

Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng, tích trữ trong các bình ắc-quy hoặc hòa vào lưới điện, được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau Do đó chủ động trọng việc cung cấp năng lượng Hiện nay, các nhà chế tạo đã sản xuất ra được các tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng trắng (không có ánh nắng mặt trời vẫn sản xuất được điện năng), không lệ thuộc vào ánh sáng mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp thụ cao nhất khi tia sáng của mặt trời luôn vuông góc với mặt phẳng tấm thu Vấn đề này được giải quyết bằng cách lắp những tấm pin năng lượng mặt trời trên dàn pin xoay được, dàn pin này luôn luôn hướng tấm pin vào mặt trời vuông góc với tia sáng mặt trời

2.3 Một số kiểu dàn pin tự xoay

2.3.1 Nguyên tắc xoay

Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó Năng lượng hấp thụ giảm dần theo cosin của góc phương vị , hình 2.5 thể hiện vấn đề đó

Hình 2.5 Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm

ngang [2]

Nguyên tắc xoay của dàn pin là luôn luôn hướng dàn pin vào mặt trời sao

cho góc được tạo bởi giữa phương của tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến

của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới  trên hình vẽ) là nhỏ nhất Nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế các kiể dàn xoay

2.3.2 Các kết cấu xoay

Hiện nay, trên thế giới, có nhiều kiểu dàn tự xoay đang được vận hành, khai thác cả ở phạm vi công nghiệp lẫn trong các phòng thí nghiệm Tuy nhiên, có thể xếp các kết cấu xoay theo các nhóm dưới đây

Kết cấu xoay một trục Dàn pin xoay quanh một trục và có góc nghiêng

ban đầu (góc vĩ độ) Hình 2.6 là cấu trúc và mô hình của một kiểu dàn pin tự xoay Ở mô hình này, các tấm pin được lắp trên một dàn, dàn này lắp về một phía (dàn công xơn) và có góc nghiêng ban đầu Kiểu dàn này có ưu điểm là góc quay của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng phù hợp đặt ở những vị trí có vĩ độ lớn Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao, vì quay theo một trục tự do nên hiệu suất thu được không cao lắm Với kiểu dàn quay một trục này, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của nó tăng lên đến 40% [2] so với kiểu dàn cố định Hình 2.7 là biểu đồ so sánh mức năng lượng thu được của kiểu dàn cố định và dàn quay quanh một trục trong một ngày Qua đồ thị này cho ta thấy, đối với dàn pin quay quanh một trục thì mức năng lượng thu được cao hơn rất nhiều so với dàn cố định vào các thời điểm buổi sáng

và chiều

Hinh 2.6 Mô hình dàn pin tự xoay theo một trục [2]

Hình 2.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn [2]

Kết cấu xoay hai trục Tính toán theo lý thuyết, năng lượng đầu ra của dàn

2 trục xoay tự động dựa trên giả thiết rằng cường độ bức xạ lớn nhất là I = 1100W/m2 và tia bức xạ luôn vuông góc với bề mặt tấm pin và dàn sẽ xoay tự động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của dàn W1 = 13,2 kWh/m2 Trong khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W2 = 8,41 kWh/m2 So sánh hai giá thị này ta thấy năng lượng hấp thụ của dàn 2 trục xoay

tự động sẽ cao hơn 57% so với dàn cố định Nhưng khi góc theo dõi của dàn 2 trục lớn hơn 600 thì năng lượng thu được của dàn sẽ không chênh lệch nhiều

so với dàn cố định và được minh họa như biểu đồ ở hình 2.8 [3]

Hình 2.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định

giảm dần khi góc quay tăng dần

Trong điều kiện trời nhiều mây, sương mù kéo dài làm giảm hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động xuống khoảng 20% Nói chung, ở những khu vực có điều kiện tốt thì hàng năm hiệu suất đầu ra tăng khoảng 30-40% Mặt khác, năng lượng hấp thụ trong ngày có thể tăng từ 0-100% [4]

Năm 2000 Helwa et al đã làm thí nghiệm để so sánh hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay theo góc phương vị và góc vĩ độ (hình 2.9) với dàn cố định nghiêng một góc 400 so với phương ngang Dàn 2 trục được điều khiển qua một

bộ vi xử lý trung tâm Công suất tiêu thụ của bộ vi xử lý, các thiết bị điện, các sensor điều khiển và các động cơ điện vào khoảng 50Wh/ngày hay 22Wh/ngày khi mà độ chính xác của dàn tương ứng là 0.560 và 100 Kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất của dàn 2 trục lớn hơn 30% so với giàn cố định như trên [5]

Hình 2.9 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và

một trục quay theo góc cao độ

Năm 2007, Chicco et al đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do

và dàn cố định được đặt tại ba vị trí Ở vị trí thứ nhất, ông điều khiển quay riêng

lẻ một trục của giàn 2 trục để so sánh với dàn cố định có góc phương vị 00 và nghiêng một góc 360 Ở vị trí thứ 2, ông điều khiển quay độc lập 2 trục của dàn xoay so với dàn cố định có góc phương vị 00 và có góc nghiêng 300 Ở vị trí thứ

3, vị trí các tấm pin của dàn 2 trục sẽ được thay đổi 15 phút một lần so với dàn cố định nghiêng một góc 300

so với phương ngang Kết quả thu được trung bình hàng năm như sau, dàn 2 trục có hiệu suất hơn 32,9%, 35,1% từ mô phỏng và 37,7%, 30,4% từ thực nghiệm tương ứng tại 2 vị trí đầu Ở vị trí thứ 3, dàn 2 trục

có thể đạt hiệu suất 31,5% hàng năm [6]

Ngoài những ưu điểm so với dàn cố định như trên, dàn 2 trục xoay tự động cho hiệu suất đầu ra lớn hơn so với dàn 1 trục xoay tự động Điều đó đã được chứng minh qua nghiên cứu của Gordon Ông đã mô phỏng thí nghiệm nhờ

sự hỗ trợ của máy tính để so sánh hiệu suất hấp thụ ánh sáng giữa dàn theo dõi theo 2 trục với dàn 1 trục xoay theo trục Bắc-Nam và dàn quay quanh trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ tại nơi lắp đặt (hình 4) Kết quả thu

được, dàn thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay quanh trục Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ hàng năm [7]

Bắc-Kalogirou SA đã tính toán dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ thống năng lượng hai trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục Đông – Tây Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống 2 trục lớn hơn 10,9% so với

hệ thống theo dõi 1 trục trên [7]

Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ thống 1 trục xoay tự động Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá nhiều so với hệ thống cố định Gần đây nhất, năm 2009 Sefa et al đã làm thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so với hệ thống cố định Kết quả cho thấy công suất đầu ra của hệ thống xoay tự động lớn hơn khá nhiều so với kiểu cố định [8] Kết quả thu được như ở hình 2.7: Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay quanh

2 trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S Abdallah, S Nijmeh [9] cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao hơn rất nhiều so với giàn cố định Ông đã đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình 2.11:

Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố định

Trong kết luận ông có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất cả các mùa lớn hơn 41,3 % lần so với hệ thống dàn cố định

2.3.3 Các phương án điều khiển

Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương án xoay được trình bày theo sơ đồ ở hình 2.11 Mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm

Hình 2.11 Các kiểu điều khiển [2]

2.3.4 Cở sở để xoay dàn pin

Mặt trời quay quanh quỹ đạo trái đất (lấy trái đất làm chuẩn), do đó hướng

của tia sáng mặt trời đối với mặt phẳng trái luôn luôn thay đổi theo thời gian

Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia sáng mặt trời và tâm của trái đất được biểu diễn như sau (hình 2.12):

Hình 2.12 Mô tả các góc chiếu sáng [2]

CM,CE, CP tương ứng là 3 trục đi qua tâm của trái đất và lần lượt hướng về đường kinh tuyến gốc, hướng đông và trục thẳng đứng Vector xác định vị trí của mặt trời S được xác định dựa vào ma trận sau:

S =

M

E P

S S S

Trong đó  góc quay theo giờ,  là góc lệch mặt trời

Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trí nào đó trên bề mặt trái đất ta

có sơ đồ xác định các góc như sau (hình 2.13):

Hình 2.13 Minh họa các góc nghiêng [2]

Khi đó vecto xác định vị trí của mặt trời được xác định theo công thức:

os Cos

V H R

Từ đó ta tính được góc tới của tia sáng mặt trời:

2



   và góc nghiêng của dàn arcsin

Những giá trị ở trên là những giá trị tổng quát trong tất cả các trường hợp điều khiển hệ thống

Khi xét trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo góc phương vị

và góc nâng ( Từ đó góc  và góc  sẽ tính được như sau:

Hoặc

Hình 2.14 Mô tả góc nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó

Hình 2.14 mô tả góc nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất một góc 23,50, chính góc nghiêng này đã tạo ra các mùa trong năm Ở nước ta, đông chí diễn ra vào khoảng ngày 21 tháng 12, hạ chí diễn ra vào ngày

21 tháng 6, xuân phân xảy ra vào ngày 20 tháng 3 và thu phân diễn ra vào ngày

23 tháng 9

Từ những phân tích và các kết quả nêu trên, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động có khả năng tạo ra hiệu suất cao hơn nhiều so với hệ thống

cố định Cụ thể, hệ thống xoay quanh 2 trục cho hiệu suất cao hơn 41,3% so với

hệ cố định Bởi vì chúng có lắp đặt hệ thống xác định phương hướng của mặt trời, do đó làm tăng thêm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày có nắng Lượng tiêu thụ năng lượng của bộ điều khiển không đáng kể Điều này khẳng định tính thiết thực của kết quả chọn lựa mô hình hệ thống pin mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta

Ở Việt Nam, hiện nay rất ít nhà khoa học quan tâm vấn đề này Hình 2.15

là một mô hình dàn pin tự xoay do một bạn sinh viên tại trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, thiết kế và chế tạo Dàn pin này được điều khiển theo thời

gian, 15 phút quay một lần, bằng góc quay của mặt trời trong khoảng thời gian

đó

Hình 2.15 Dàn pin xoay theo một trục

Hình 2.16 dưới đây là mô hình dàn pin xoay tự động một trục do tác giả Văn Công Bích [ ] thiết kế và chế tạo Dàn pin này được điều khiển theo cảm biến hướng tia sáng mặt trời

Hình 2.16 Mô hình dàn xoay pin mặt trời tự xoay một trục

có góc nghiêng ban đầu

1- Bộ truyền động; 2- Dầm chính dàn; 3- Khung dàn; 4- Động cơ; 5- Trụ đỡ; 6- Chân trụ đỡ; 7- Bảng gắn hộp điều khiển; 8- Trục vĩ độ; 9-Gối đỡ ổ lăn; 10- Tay đỡ dàn

Ở Hồ Chí Minh, một người dân đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay (hình 2.17) (theo báo khoa học cho nhà nông đang ngày 10/07/2008)

Hình 2.17 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay

Với hai kiểu dàn quay ở hình 2.15 và 2.17 của hai tác giả trên, nhược điểm của nó là không có góc nghiêng ban đầu nên chỉ phù hợp để lắp ở những vị trí có

vĩ độ thấp (gần xích đạo) Hơn nữa, điều khiển tuyến tính không thích hợp trong trường hợp này (khi không có mặt trời dàn vẫn xoay, làm tiêu hao năng lượng thu được của dàn)

Ở mô hình dàn quay hình 2.16 của tác giả Văn Công Bích có nhược điểm là kết cấu yếu, nếu khối lượng dàn lớn và diện tích dàn rộng thì không quay được, trong nghiên cứu này tác giả Văn Công Bích trong chưa khắc phục được nhược điểm của hệ thống điều khiển dàn pin tự động quay trở về vị trí ban đầu

Tìm ra một hướng mới và tổng quát về dạng kết cấu xoay để giải quyết vấn

đề về kết cấu, điều khiển, đó là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay có thể lắp ở những

chuẩn khoa học Điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ bộ cảm biến quang điện và công tắc hành trình, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dùng để quay động cơ Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, căn cứ vào vị trí địa lí ở Việt Nam, căn cứ vào khả năng của bản thân Tác giả mạnh dạn lựa chọn

phương án thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh một trục có góc nghiêng vĩ độ

ban đầu, hệ thống điều khiển thích nghi

Do dàn điều khiển thích nghi nên góc tới của tia mặt trời được xác định bằng cảm biến, góc nghiêng của dàn được xác định bằng góc vị độ tại vị trí đặt dàn

Dàn được thiết kế lắp tại tỉnh Thái Nguyên nên góc nghiêng theo vĩ độ 

bằng vĩ độ tại Thái Nguyên:

về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay

Chương 3 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ TẠO

HỆ DẪN ĐỘNG DÀN TỰ XOAY 3.1 Giới thiệu

Chương này trình bày về mô hình tính toán, kết cấu và hệ dẫn động dàn tự xoay Gồm có bài toán về vị trí, động học, động lực học của dàn Các kết quả tính toán được thực hiện bằng một mô đun tính toán tự động do tác giả xây dựng trong môi trường Excel Đồng thời, tác giả cũng thực hiện đánh giá và so sánh các kết quả đo thực tế công suât phát điện từ năng lượng mặt trời tại Thái Nguyên giữa dàn xoay một trục và dàn cố định

3.2 Xây dựng mô hình kết cấu hệ thống xoay dàn

Sau khi khảo sát các kết cấu dàn tự xoay đã có, một mô hình kết cấu hệ thống xoay dàn đã được đề xuất Kết cấu này được minh họa như trên hình 3.1a

và 3.1b

12

346

7

5

89

Hình 3.1a Sơ đồ kết cấu không gian dàn pin

1- Chân đế 2- Dàn xoay đỡ Pin 3- Bộ truyền động 4- Dầm đỡ chính 5- Trục xoay 6- Trục vĩ độ 7- Cần điều chỉnh góc vĩ độ 8- Bộ điều khiển 9- Trụ cố

định

TÊm Pin

Hình 3.1b Sơ đồ kết cấu dàn pin dạng 2D

Toàn bộ khung dàn quay (2) được liên kết với trục quay (5), được gá trên gối đỡ gắn cố định với dầm đỡ chính (4) Dàn được xoay nhờ vào bộ truyền động (3) Dầm đỡ chính (4) được điều chỉnh nghiêng một góc ban đầu bằng với góc vĩ

độ qua trục (6), hệ thống được giữ thăng bằng qua cần điều chỉnh (7) Bộ điều khiển (8) xoay tự động cho dàn được gắn lên trụ cố định (9)

Kết cấu khung dàn áp dụng nguyên lý dạng xy lanh quay có những ưu điểm sau:

- Độ cứng vững cao, lực đẩy lớn

- Lực đẩy của vít me êm, dàn không bị giật trong quá trình khởi động

- Kết cấu đẩy của vit me có tính tự hãm cao

- Tỉ số truyền cao của bộ truyền trục vớt bỏnh vớt phự hợp với dàn cú cụng suất lớn

3.3 Bài toỏn vị trớ kết cấu dàn xoay

Sơ đồ vị trớ tổng quỏt của dàn xoay được thể hiện dưới đõy

Trong sơ đồ này:

cố định) Sơ đồ hóa

Hỡnh 3.2 Kớch thước kết cấu xoay

Thiết lập mối liờn hệ như sau:



cos

2 1 5

2 1 2 5 2

2 2 2 3 2

2 2 2 2

L L L L L

5 1

2 2 2 3 2 1 2 5

2

cos

L L

L L L



Theo công thức (3.4) ta thấy có hai biến số là cos và L3

+ Biến số  được chọn nhỏ hơn 1800 (thực tế chọn từ 1200 tới 1600) + Giá trị L3 sẽ được chọn tùy thuộc vào L5 và góc xoay 

Như vậy trong bài toán vị trí thì các giá trị đầu vào sẽ là L1, L2, L5 và góc xoay 

Đầu ra sẽ là giá trị của L3

3.4 Bài toán động học của dàn xoay

- Cơ cấu được xoay liên tục theo chu kì của thời gian xoay dàn vì vậy góc xoay  sẽ là hàm bậc nhất theo thời gian

- Theo (3.4) mối liên hệ giữa  và L3 là một hàm phi tuyến

Vì vậy công thức (3.4) sẽ là hàm phản hồi giữa biến  và L3 trong bài toán điều khiển dàn xoay

3.5 Bài toán động lực học cơ cấu xoay dàn

Động lực học là bài toán tính toán được lực đẩy cần thiết của vitme L3 và mối liên hệ giữa công suất của động cơ và công suất xoay dàn qua các thông số trung gian

3.5.1 Mômen quán tính của dàn pin

Ta giả thiết coi hệ dàn và tấm pin là một tấm phẳng đồng chất

- Gọi chiều dài của dàn pin là a (Chiều dài của dàn pin nằm song song và dọc theo trục quay 4)

- Chiều rộng dàn pin là b

Theo cơ học lý thuyết : Mô men quán tính của một tấm phẳng đồng chất có trục

đi qua trọng tâm là:

J∆c =

12

.b2m

J∆c : Mô men quán tính của vật rắn đối với trục quay qua khối tâm C

∆c: Là trục quay đi qua khối tâm của dàn

m: Khối lượng của pin và dàn

(m= mp + md ; Q/g trong đó Q là trọng lượng pin và dàn)

Vậy mô men của dàn quay là:

M∆c = J∆c.td =

12

.b2m

.td (Nm) (3.6)

td : Là gia tốc góc tức thời của trục xoay dàn tại thời điểm bắt đầu khởi động

dt

d d td

1'

2'1

2

A0

1800- A02

1800+A02

180cos(

2

0 0 5

1 2 1 2 5 2 4

A L

L L L

2 5 4 2 4 2 5 2