thiết kế, chế tạo dàn pin mặt trời tự xoay

- 1- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY VĂN CÔNG BÍCH Thái nguyên – 2010 - 2- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY Học viên: VĂN CÔNG BÍCH Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Người HD khoa học: TS NGUYỄN VĂN DỰ NGƯỜI HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Văn Dự HỌC VIÊN Văn Công Bích KHOA ĐÀO TẠO SĐH ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN - 3- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. Văn Công Bích Tháng 09 năm 2010 - 4- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cám ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, 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 bạn Hoàng Tiến Đạt, sinh viên khóa K41- CCM04, đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo trường Cao đẳng Công nghiệp Huế 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, những chỉ bảo để tôi ngày càng hoàn thiện hơn. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bà cô của tôi, bà Văn Thị Hường, người đã cho tôi những lời khuyên bổ ích, động viên tôi, người đã cho tôi một phần kinh phí để hoàn thành khóa học này. Tôi vô cùng cám ơn người vợ thương yêu của, một “hậu phương” vững chắc đã động viên, chăm lo gia đình, hỗ trợ tinh thần để tôi yên tâm trong công tác nghiên cứu, hoàn thành khóa học này. 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. - 5- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tóm tắt Luận văn này trình bày một giải pháp cho vấn đề tính toán, thiết kế và chế tạo dàn năng lượng mặt trời tự xoay theo hướng tia sáng nhằm thu được quang năng lớn nhất. Mặc dù dàn năng lượng tự xoay đã được giới thiệu lần đầu năm 19…, nhưng đến nay, chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế nào về hệ thống này được công bố. Các dàn tự xoay có mục tiêu là đảm bảo tia sáng mặt trời luôn vuông góc với bề mặt hấp thụ ánh sáng. Cơ sở để xác định cách bố trí và phương thức xoay của hệ thống bao gồm quy luật chuyển động tương đối của mặt trời so với vị trí đặt dàn thu, các lý thuyết tính toán xác định phương bố trí trục xoay và góc xoay. Các vấn đề này đã được sưu tập, giới thiệu và phân tích trong luận văn. Bài toán sức bền của hệ khung, dầm, giá đỡ của hệ thống được tính toán dựa trên lý thuyết sức bền vật liệu và được giải trên máy tính. Tải trọng đặt lên hệ thống được xác định bao gồm trọng lượng các chi tiết, tải trọng gió cũng như quán tính của hệ. Tốc độ quay của dàn được lựa chọn và thử nghiệm nhằm đảm bảo yêu cầu chuyển động êm, ít gây rung động. Các thông số tải trọng và tốc độ xoay được dùng làm đầu vào cho bài toán lựa chọn động cơ và hệ truyền dẫn cơ khí. Các vấn đề này đã được giải quyết trọn vẹn trong luận văn. Các kết quả tính toán nói trên đã được dùng làm cơ sở để triển khai thiết kế và chế tạo một mô hình dàn xoay thực. Kết quả vận hành thử nghiệm cho thấy, hệ thống cơ khí có kết cấu hợp lý, bố trí phù hợp, làm việc êm và ổn định. Mô hình có thể dùng để kiểm nghiệm cho các bài toán tính toán khác về dàn tự xoay. - 6- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Lời cam đoan 1 Lời cám ơn 2 Tóm tắt 3 Mục lục 4 Danh mục các hình ảnh 7 Danh mục các bảng biểu 10 Chương 1: Giới thiệu 11 1.1. Đặt vấn đề 11 1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 13 1.3. Đối tượng nghiên cứu 13 1.4. Phương pháp nghiên cứu 13 1.5. Các kết quả đạt được 14 1.6. Cấu trúc luận văn 14 Chương 2: Tổng quan 16 2.1. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời 16 2.2. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời 17 2.3. Một số kiểu dàn xoay 20 2.3.1. Nguyên tắc xoay 20 2.3.2. Các kết cấu xoay 21 2.3.3. Các phương án điều khiển 26 2.3.4. Cơ sở để xoay dàn pin 27 - 7- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4. Kết luận 34 Chương 3:Thiết kế, chế tạo dàn tự xoay 35 3.1. Giới thiệu 35 3.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống 35 3.2.1. Mô đun cơ khí 35 3.2.2. Mô đun điều khiển 37 3.3. Thiết kế dàn 500W 37 3.3.1. Lựa chọn kiểu pin 37 3.3.2. Thiết kế khung dàn 38 3.3.2.1. Bố trí khung dàn 39 3.3.2.2. Kiểm tra độ bền của khung 40 3.3.2.3. Kiểm tra độ bền dầm chính 42 3.3.3. Thiết kế trục 43 3.3.4. Thiết kế khung đỡ 45 3.3.5. Thiết kế trụ đỡ 46 3.3.6. Chọn công suất động cơ 48 3.4. Thiết kế dàn 40W 51 3.4.1. Lựa chọn kiểu pin 51 3.4.2. Thiết kế khung dàn 51 3.4.2.1. Bố trí khung dàn 51 3.4.2.2. Kiểm tra độ bền của khung 52 3.4.2.3. Kiểm tra độ bền dầm chính 54 3.4.3. Thiết kế trục 55 - 8- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.4. Thiết kế trụ đỡ 56 3.4.5. Chọn công suất động cơ 58 3.5. Thiết kế điều khiển chuyển động 60 3.5.1. Lựa chọn kiểu điều khiển 60 3.5.2. Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển 61 3.5.3. Lựa chọn và bố trí cảm biến 65 3.6. Kết luận 68 Chương 4: Kết quả chế tạo và vận hành thử nghiệm 69 4.1. Kết quả chế tạo 69 4.1.1. Mô đun cơ khí 69 4.1.2. Mô đun khiển 71 4.2. Vận hành thử nghiệm 74 4.2.1. Thử nghiệm độ ổn định 74 4.2.2. Thử nghiệm trong phòng 74 4.2.3. Thử nghiệm ngoài trời 75 4.3. Vận hành dàn pin 75 4.4. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế, chế tạo 76 4.5. Kết luận 76 Chương 5: Kết luận và đề xuất 77 5.1. Kết luận 77 5.2. Đề xuất 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 - 9- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các hình ảnh. Hình Nội dung Trang Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời 17 Hình 2.2. Bếp năng lượng mặt trời 18 Hình 2.3. Nhà máy điện năng lượng mặt trời 19 Hình 2.4. Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời 19 Hình 2.5. Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm ngang 20 Hình 2.6. Dàn pin tự xoay theo một trục 22 Hình 2.7. Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn 22 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 23 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 24 Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống xoay hai trục 26 Hình 2.11 Các kiểu điều khiển 27 Hình 2.12 Mô tả các góc chiếu sáng 28 Hình 2.13 Minh họa các góc nghiêng 28 Hình 2.14 Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất 31 Hình 2.15 Dàn pin xoay theo một trục 32 Hình 2.16 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay 33 - 10- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.1 Sơ đồ dàn pin 36 Hình 3.2 Kết cấu khung dàn 39 Hình 3.3 Liên kết giữa thanh giằng và dầm chính 40 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực trên một thanh giằng ngang 41 Hình 3.5 Ứng suất của dầm 42 Hình 3.6 Chi tiết dầm chính 42 Hình 3.7 Mô phỏng lực tác dụng lên dầm chính 43 Hình 3.8 Mô phỏng ứng suất của dầm 43 Hình 3.9 Cụm các chi tiết trục 44 Hình 3.10 Chi tiết trục 44 Hình 3.11 Mô phỏng trục chịu lực 45 Hình 3.12 Mô phỏng ứng suất 45 Hình 3.13 Khung đỡ 46 Hình 3.14 Trụ đỡ dàn pin 47 Hình 3.15 Mô phỏng ứng suất của dầm 48 Hình 3.16 Kết cấu khung dàn 52 Hình 3.17 Sơ đồ phân bố lực trên một thanh 53 Hình 3.18 Ứng suất của dầm 54 Hình 3. 19 Chi tiết dầm chính 54 Hình 3.20 Mô phỏng lực tác dụng lên dầm chính 55 Hình 3.21 Mô phỏng ứng suất trên dầm 55 Hình 3.22 Chi tiết trụ 55 [...]... 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. .. là Thiết kế và Chế tạo khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời có một bậc tự do Các mục tiêu cụ thể là: 1) Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp; 2) Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời. .. 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... 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. .. cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có công suất 500 W 3) Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển; 4) Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự 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 hướng mặt trời 3) Mô hình thực tế 1.4 Phương... http://www.lrc-tnu.edu.vn 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... 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... để thiết kế và chế tạo mô hình thực; 5) Phân tích kết quả vận hành thử nghiệm để đưa ra các lưu ý và chỉ dẫn thiết kế 1.5 Các kết quả đạt được Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời Dưới đây... 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. .. 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 . hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời. Dưới đây. 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. Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY Học viên: VĂN CÔNG BÍCH Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy