Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

Thiết kế hệ thống động lực tàu thiết kế và tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời.. Kết hợp giữa lý thuyết về thiết kế hệ thống động lực tàu thủy, những kiến thức và kĩ năng khác đã đượ

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY

CBHD: Th.S HUỲNH VĂN NHU

Nha Trang, tháng 06 năm 2014

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY

Nha Trang, tháng 06 năm 2014

LỜI CẢM ƠN!

Có câu châm ngôn nói rằng: “Học vấn là chùm rễ đắng cay nhưng hoa trái lại rất ngọt ngào” Vâng đúng thế, những chùm rễ đắng sẽ kết hoa tươi, những chùm rễ cay ấy lại cho trái ngọt Nhưng để có được hoa tươi, trái ngọt chẳng phải một sớm một chiều mà là cả một quá trình phấn đấu và rèn luyện Bên cạnh đó, nó còn kết tinh từ sự giúp đỡ nhiệt tình, chân thành từ nhiều phía khác

Để hoàn thành đề tài này, em đã nhận rất nhiều sự giúp đỡ Trong trang đầu tiên này

em muốn gởi những lời cảm ơn đến những người đã giúp đỡ

Lời đầu tiên cho phép em gởi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Giao thông – Trường Đại học Nha Trang, các thầy trong Bộ môn Kỹ thuật Tàu thuỷ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài Các thầy đã truyền đạt những kiến thức trong suốt thời gian qua Những lời nhận xét quý giá của các thầy đã có hiệu quả rất nhiều cho em trong quá trình thực hiện đề tài

Bên cạnh đó, gia đình, người thân và tất cả các bạn bè là những nguồn động lực không ngừng khuyến khích, động viên em trong hoàn cảnh khó khăn nhất Em xin cảm ơn

Lời cuối cùng, em xin được phép gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Th.sĩ Huỳnh Văn Nhu Dưới sự hướng dẫn của thầy em trưởng thành hơn về mặt kiến thức và kĩ năng với nghề nghiệp tương lai Những kinh nghiệm đáng quý học tập được từ thầy mãi là hành trang cho em trong tương lai sau này

Hy vọng rằng kinh nghiệm rút ra từ sự học hỏi sẽ được thực tiễn hóa Em xin hứa sẽ

cố gắng hết sức để không phụ công lao to lớn mà mọi người đã giúp đỡ

Xin thành thật biết ơn !

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài : “Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng

năng lượng mặt trời”

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Cảnh Lớp 52TT

Ngành : Kỹ thuật tàu thủy (đóng tàu thủy)

Cán bộ hướng dẫn : Th.s Huỳnh Văn Nhu

Nội dung thực hiện :

1 Đặt vấn đề

2 Cơ sở lý thuyết

3 Kết quả nghiên cứu

4 Kết luận và kiến nghị

I ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng nghiên cứu

Tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

2 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế hệ thống động lực tàu thiết kế và tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

3 Mục tiêu nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết về thiết kế hệ thống động lực tàu thủy, những kiến thức

và kĩ năng khác đã được học từ thực hành để: “ Thiết kế hệ thống động lực cho tàu

mô hình sử dụng năng lượng mặt trời”

II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.Tổng quan về đề tài nghiên cứu

1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3.Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

1.3.1.Mục tiêu

1.3.2.Phương pháp

1.3.3.Phạm vi nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Giới thiệu về tàu mô hình

2.2.Sơ lược về vật liệu composite

2.3.Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời và pin mặt trời

2.4.Tổng quan về thiết kế hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Sức cản cho tàu thiết kế

3.4.1 Hệ số dòng theo

3.4.2 Hệ số dòng hút

3.4.3 Đường kính chân vịt

3.4.4 Hiệu suất thân tàu

3.4.5 Hiệu suất xoáy

3.5.3.Đầu khóa chân vịt

3.5.4.Ống bao trục cáp mềm

3.5.5.Ống bao trục chân vịt

3.5.6.Hệ thống lái

3.5.7.Cơ cấu giá giữ bánh lái và ống đạo lưu

3.6 Hệ thống pin năng lượng mặt trời và acquy

3.6.1.Pin năng lượng mặt trời

3.6.2.Acqui

3.6.3.Bộ điều khiển nạp phóng

3.7 Hệ thống điều khiển từ xa

3.7.1.Tổng quan về mô đun thu phát NRF24L01

3.7.2 Chip Atmega 8

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1.Kết luận

4.2.Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nha Trang, ngày 15 tháng 6 năm 2014

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH xiii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1.Tổng quan về đề tài nghiên cứu 3

1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.3.Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 5

1.3.1.Mục tiêu 5

1.3.2.Phương pháp 5

1.3.3.Phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1.Giới thiệu về tàu mô hình 6

2.2.Sơ lược về vật liệu composite 7

2.3.Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời và pin mặt trời 10

2.4.Tổng quan về thiết kế hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời 11

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 12

3.1 Sức cản cho tàu thiết kế 12

3.1.1 Cơ sở lý thuyết 12

3.1.1.1 Sức cản sóng 13

3.1.1.2 Sức cản ma sát 13

3.1.1.3 Sức cản áp suất 15

3.1.1.4 Sức cản không khí và gió 16

3.1.2 Tính sức cản 16

3.1.2.1 Tính sức cản dư 17

3.1.2.2 Tính sức cản ma sát 19

3.1.2.3 Tính sức cản không khí và gió 20

3.1.2.4 Tính sức cản phụ bổ sung 21

3.1.2.5 Tính sức cản do tác động của môi trường 22

3.1.3 Tính sức cản bằng phương pháp Savitsky 27

3.2 Trang bị động lực cho tàu thiết kế 35

3.2.1 Tính chọn máy chính 35

3.2.1.1 Hệ số dòng theo 35

3.2.1.2 Hệ số dòng hút 35

3.2.1.3 Đường kính chân vịt 36

3.2.1.4 Hiệu suất thân tàu 36

3.2.1.5 Hiệu suất xoáy 37

3.2.1.6 Hệ số dự trữ công suất 37

3.2.1.7 Hiệu suất đường trục 37

3.2.1.8 Hiệu suất hộp số 37

3.2.1.9 Hiệu suất môi trường 37

3.2.1.10 Hệ số ảnh hưởng thân tàu 37

3.2.1.11 Số cánh chân vịt 37

3.2.1.12 Tỷ số mặt đĩa 37

3.2.1.13 Chọn máy 38

3.2.2 Thiết kế chân vịt sử dụng hết công suất máy 43

3.2.2.1 Kiểm tra bền theo công thức Romson 45

3.2.2.2 Tính khối lượng và momen quán tính chân vịt 48

3.2.2.3 Xây dựng bảng vẽ chân vịt 50

3.2.3 Thiết kế hệ trục 53

3.2.3.1 Công dụng của hệ trục tàu và yêu cầu khi thiết kế hệ trục tàu 53

3.2.3.2 Phương án bố trí hệ trục 54

3.2.3.3 Xác định kích thước hệ trục 55

3.2.3.4 Phương án bôi trơn, kết cấu 57

3.2.3.5 Kiểm tra sức bền tĩnh hệ trục 59

3.2.3.6 Xác định phản lực trên các gối đỡ 62

3.2.3.7 Kiểm tra bền hệ trục 66

3.2.4 Trang thiết bị 67

3.2.4.1 Máy chính 67

3.2.4.2 Thiết bị lái 67

3.2.4.3 Phương tiện tín hiệu 74

3.2.4.4 Thiết bị vô tuyến điện 75

3.3 Tính sức cản cho tàu mô hình 78

3.3.1 Tính sức cản ma sát 78

3.3.2 Tính sức cản dư 78

3.3.3 Tính sức cản không khí và gió 81

3.3.4 Tính sức cản phụ bổ sung 81

3.3.5 Tính sức cản do tác động của môi trường 83

3.4 Tính chọn máy chính cho tàu mô hình 84

3.4.1 Hệ số dòng theo 84

3.4.2 Hệ số dòng hút 84

3.4.3 Đường kính chân vịt 84

3.4.4 Hiệu suất thân tàu 85

3.4.5 Hiệu suất xoáy 85

3.4.6 Hệ số dự trữ công suất 85

3.4.7 Hiệu suất đường trục 85

3.4.8 Hiệu suất hộp số 85

3.4.9 Hiệu suất môi trường 86

3.4.10 Hệ số ảnh hưởng thân tàu 86

3.4.11 Số cánh chân vịt 86

3.4.12 Tỷ số mặt đĩa 86

3.4.13 Tính chân vịt để chọn máy 86

3.5 Các bộ phận của hệ thống động lực tàu mô hình 89

3.5.1 Chân vịt 89

3.5.2 Trục chân vịt 90

3.5.2.1 Trục mềm 91

3.5.2.2 Trục gá chân vịt 91

3.5.3.Đầu khóa chân vịt 92

3.5.4.Ống bao trục cáp mềm 92

3.5.5.Ống bao trục chân vịt 93

3.5.6.Hệ thống lái 93

3.5.6.1.Bánh lái 93

3.5.6.2.Động cơ quay lái 94

3.5.6.3.Cơ cấu truyền lực 94

3.5.7.Cơ cấu giá giữ bánh lái và ống đạo lưu 96

3.6.Hệ thống pin năng lượng mặt trời của acquy 96

3.6.1.Pin năng lượng mặt trời 96

3.6.1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo 97

3.6.1.2 Thiết kế và lắp đặt hệ thống pin 98

3.6.2.Acqui 100

3.6.3.Bộ điều khiển nạp phóng 100

3.7 Hệ thống điều khiển từ xa 101

3.7.1.Tổng quan về mô đun thu phát NRF24L01 101

3.7.1.1 Giới thiệu về mô đun thu phát NRF24L01 101

3.7.1.2.Chíp Atmega8 111

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

4.1.Kết luận 122

4.2.Kiến nghị 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Sức cản của phần nhô 22

Bảng 3.2: Thông số tàu thiết kế 23

Bảng 3.3: Bảng tính sức cản 24

Bảng 3.4: Thông số dùng tính sức cản Savitsky 31

Bảng 3.5: Tính sức cản 1 thân tàu 34

Bảng 3.6: Áp suất hơi bão hòa 38

Bảng 3.7: Bảng mẫu máy 39

Bảng 3.8: Bảng tính chọn máy 40

Bảng 3.9: Bảng các thông số khác 42

Bảng 3.10: Bảng tính chân vịt sử dụng hết công suất máy 43

Bảng 3.11: Thông số chính chân vịt 44

Bảng 3.12 Đường bao cánh chân vịt 44

Bảng 3.13: Các hệ số và giá trị 47

Bảng 3.14: Bảng đường bao cánh chân vịt 52

Bảng 3.15: Phương tiện tín hiệu giao thông 74

Bảng 3.16: Định mức trang thiết bị: 75

Bảng 3.17: Trang thiết bị hàng hải 76

Bảng 3.18: Sức cản của phần nhô 83

Bảng 3.19: Áp suất hơi bão hòa 87

Bảng 3.20: Bảng tính chân vịt để chọn máy 88

Bảng 3.21: Chức năng các chân chip NRF24L01 105

Bảng 3.22: Các thanh ghi trong NRF24L01 103 Bảng 3.23: Chức năng các chân Atmega8 117

DANH MỤC HÌNH

Trang Hình 1.1: Mô hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lượng mặt trời 4

Hình 1.2: Thuyền Turanor Planet Solar và Sun21 5

Hình 2.1: Ứng dụng composite trong dân dụng 9

Hình 2.2: Ứng dụng composite trong đóng tàu 10

Hình 3.1: Đồ thị xác định hệ số sức cản ma sát 14

Hình 3.2: Đường cong sức cản dư của các tàu có tỷ số L/B khác nhau 19

Hình 3.3: Đồ thị Savitsky 1964 30

Hình 3.4: Hình vẽ khai triển, hình chiếu thẳng, hình chiếu cạnh, của cánh chân vịt 45 Hình 3.5: Hình vẽ đường cắt của mặt bụng cánh chân vịt và củ chân vịt 45

Hình 3.6: Xác định các giá trị b1, b2, b 52

Hình 3.7: Phương án bố trí hệ trục 55

Hình 3.8: Sơ đồ bố trí hệ trục 59

Hình 3.9: Sơ đồ kiểm tra sức bền tĩnh của hệ trục 60

Hình 3.10: Tàu mô hình 78

Hình 3.11: Chân vịt tàu mô hình 90

Hình 3.12: Trục mềm tàu mô hình 91

Hình 3.13: Trục gá chân vịt tàu mô hình 91

Hình 3.14: Đầu khóa chân vịt tàu mô hình 92

Hình 3.15: Ống bao trục mềm tàu mô hình 92

Hình 3.16: Ống bao trục chân vịt tàu mô hình 93

Hình 3.17: Bánh lái tàu mô hình 93

Hình 3.18: Động cơ Servo giúp quay lái 94

Hình 3.19: Thanh truyền được nối vào Servo 94

Hình 3.20: Thanh truyền được nối với cơ cấu lái 95

Hình 3.21 Thanh truyền lực từ bánh lái trái tới bánh lái phải 95

Hình 3.22: cơ cấu giữ bánh lái và ống đạo lưu 96

Hình 3.23: Pin năng lượng mặt trời 96

Hình 3.24: Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời 97

Hình 3.25: Cấu tạo modun 98

Hình 3.26: Ví dụ về sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 98

Hình 3.27: Bình acquy sử dụng cho tàu mô hình 100

Hình 3.28: Bộ điều khiển Phocos Cis 101

Hình 3.29: Modun thu phát dữ liệu không dây NRF24L01 102

Hình 3.30: Sơ đồ cấu trúc Mô đun NRF24L01 103

Hình 3.31: Sơ đồ phần cứng NRF24L01 103

Hình 3.32: Sơ đồ nguyên lý và các chân của chip NRF24L01 104

Hình 3.33: Sơ đồ chân của chip NRF24L01 104

Hình 3.34: Sơ đồ kết nối với vi điều khiển 108

Hình 3.35: Cấu trúc khung truyền nhận dữ liệu 108

Hình 3.36: Điều khiển đa luồng 109

Hình 3.37: Giao tiếp SPI đọc dữ liệu từ mô đun NRF24L01 110

Hình 3.38: Giao tiếp SPI gửi dữ liệu đến mô đun NRF24L01 110

Hình 3.39: Xe, máy bay mô hình điều khiển từ xa dùng NRF20L01 111

Hình 3.40: Sơ đồ cấu trúc AVR 112

Hình 3.41: Register file 114

Hình 3.42: Sơ đồ các chân chip Atmega8 116

Bảng 3.23: Chức năng các chân Atmega8 117

Hình 3.43: Liên kết SPI giữa 1 chip Master và 3 chip Slave 118

Hình 3.44: Mô tả quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave 120

Hình 3.45: Động cơ Servo 120

Hình 3.46: Remote điều khiển 118

Hình 3.47: Tàu hoàn thiện 121

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nước ta đang phát triển mạnh mẽ Nhiều nhà máy, cụm công nghiệp đóng tàu được đầu tư xây dựng trên khắp các tỉnh thành ven biển, nhiều dự án mới, hợp đồng mới liên tiếp được ký kết, tỉ lệ nội địa hóa của ngành đóng tàu ngày một nâng cao

Tuy nhiên, năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu nước ta còn thấp, công nghệ còn lạc hậu, trình độ quản lý yếu kém, chủ yếu dựa vào lợi thế giá nhân công trẻ Điều này khiến ngành đóng tàu nước ta phát triển chưa bền vững Để cải thiện năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu, nâng cao vị thế với thế giới cần có đội ngũ nhà quản lí và nhà chuyên môn giỏi

Những con tàu phục vụ du lịch biển ở thành phố Nha Trang thì yêu cầu không những phải đẹp mà cần phải chạy nhanh, êm và tối ưu hơn là sử dụng nguồn năng lượng sạch

Đồ án tốt nghiệp là cơ hội giúp sinh viên hệ thống hóa lại toàn bộ kiến thức chuyên ngành đã được học Mặt khác, nó còn trang bị cho sinh viên khả năng tư duy, tính toán, thiết kế, nó trang bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để làm cơ

sở cho việc thiết kế cho những con tàu sau này Do vậy tôi được Khoa phân công

thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng năng

lượng mặt trời” với mong muốn thiết kế được hệ thống động lực cho tàu sử dụng

năng lượng và ở đây cụ thể là tàu mô hình

Trên cơ sở đó, đề tài gồm các nội dung chính như sau:

Vì thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận

đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy để đề tài đƣợc giao đạt kết quả tốt nhất

Nha Trang, tháng 06 năm 2014

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nước ta đang có những bước phát triển mạnh mẽ Chúng ta đã đóng được những con tàu có tải trọng lớn được bạn hàng trong nước và quốc tế đánh giá cao Tuy nhiên, loại tàu chúng ta đóng chủ yếu vẫn là tàu hàng khô, tàu hàng rời, tàu dầu cỡ nhỏ… Đây là những loại tàu có giá trị kinh tế không cao Thông thường giá thành của một chiếc tàu hàng thường chỉ từ vài đến vài chục triệu đô la, trong khi đó giá thành của một du thuyền du lịch có thể

có giá vài trăm triệu đến cả tỉ đô la

- Thị trường du thuyền du lịch những năm trở lại đây liên tục phát triển, nhiều

du thuyền sang trọng đã được ra đời, đặc biệt là các du thuyền cá nhân phục vụ cho giới doanh nhân, giới thượng lưu Trong các loại du thuyền cá nhân thì du thuyền

hai thân vẫn được đặt hàng nhiều nhất do có nhiều ưu điểm như tính ổn định cao, độ

lắc êm và tốc độ vượt trội so với tàu một thân cùng kích cỡ Tàu có sức cản thân tàu nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất trong các loại tàu cao tốc Tàu hai thân còn là loại tàu có hình dáng đẹp xét về mỹ thuật và cảnh quan du lịch

- Vì lý do về môi trường, sức khỏe người dân, giá trị thương mại…nên những nước phát triển đã và đang chuyển từ đóng tàu sử dụng nguồn năng lượng truyền thống sang đóng tàu sử dụng nguồn năng lượng sạch và vô tận đó là năng lượng mặt trời Đây là nguồn năng lượng được đánh giá là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay Nguồn năng lượng đó đã giúp các nhà khoa học ứng dụng và vận hành thành công nhiều phát minh khoa học, đồng thời mở ra những cơ hội khai thác năng lượng mới cho toàn nhân loại Trong tương lai, đây có thể sẽ là nguồn năng lượng của nhiều thiết bị di động như: máy tính xách tay, điện thoại di động, camera, ipod, thậm chí cả người máy Những thiết bị này có thể được đem đi khắp nơi mà người sử dụng không cần phải lo lắng đến việc chúng bị hết pin hay phải tìm cách sạc năng lượng thường xuyên để duy trì hoạt động, bởi luôn được tìm thấy ở khắp mọi nơi

- Thực tế này đặt ra cho ngành đóng tàu nước ta một câu hỏi: tại sao chúng ta không nghiên cứu và đóng các loại tàu chạy bằng năng lượng mặt trời như du thuyền, tàu hai thân vì diện tích mặt boong của chúng lớn rất thích hợp cho ta bố trí

hệ thống pin mặt trời Vẫn biết rằng đóng du thuyền thì đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao hơn nhưng với sự quan tâm và đầu tư thích đáng chúng ta hoàn toàn có thể đóng được loại tàu này Chúng ta hãy đi lên từ những chiếc tàu mô hình rồi dần dần tới tàu lớn Đây là một hướng đi mới đầy khả quan cho việc đóng những chiếc tàu du lịch ở nước ta bởi lẽ với sự phát triển của ngành du lịch thì nhu cầu vui chơi, giải trí, nghỉ dưỡng của người dân dần được nâng cao, thu hút được khách du lịch nước ngoài và sẽ đem lại nguồn lợi to lớn cho đất nước

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

- Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng đang được chú trọng và khá mới ở

Việt Nam

- Ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời vào ngành tàu thủy ở Việt Nam thì vẫn còn đang nghiên cứu chưa có đóng mới tàu thật nào, chỉ có những nghiên cứu của

sinh viên và dừng ở việc chế tạo mô hình

- Năm 2013 nhóm sinh viên trường ĐH Bách Khoa TP HCM đã cho ra đời mô

hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.1: Mô hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lượng mặt trời

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

- Trên thế giới thì năng lượng mặt trời được sử dụng và phát triển rất mạnh Không chỉ ứng dụng cho sinh hoạt mà còn được sử dụng làm nhiên liệu cho xe, tàu

thủy, tàu hỏa…

- Tàu sử dụng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới hiện nay là tàu MS TURANOR PlanetSolar được sản xuất tại Kiel (Đức) trong 14 tháng, hoàn thành tháng 3/2010 với chi phí 15 triệu EURO Tàu này cũng đã từng cập cảng Nha

Trang

Hình1.2: Thuyền Turanor Planet Solar và Sun21

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế hệ thống động lực tàu thiết kế và cho tàu mô hình chạy bằng năng lượng

mặt trời

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về tàu mô hình

- Tàu mô hình là tàu du lịch, hai thân (catamaran) Tàu hai thân có nhiều tính năng hàng hải ưu việt như tính ổn định cao, độ lắc êm và tốc độ hơn hẳn so với tàu một thân cùng kích cỡ Tàu có sức cản thân tàu nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất trong các loại tàu cao tốc Catamaran còn là loại tàu thuyền có hình dáng đẹp xét về mỹ thuật và cảnh quan du

+ Vật liệu thân tàu: composite

+ Chiều dài lớn nhất: Lmax = 21,45 m = 70,4 feet

+ Chiều dài thiết kế: Ltk = 20,54 m = 67,4 feet

+ Chiều rộng 2 trụ: BOA = 9,31 m = 30,5 feet

+ Lượng chiếm nước không tải: 47 T

+ Lượng chiếm nước đầy tải: 64 T

- Tàu mô hình có các thông số chính như sau:

+ Chiều dài lớn nhất: Lmax = 1,67 m

2.2 Sơ lược về vật liệu composite

- Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho

các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau

- Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt

và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các biện pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

- Phân loại: Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

Phân loại theo hình dạng

+ Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi,

ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền

+ Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng

hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên

Phân loại theo bản chất, thành phần

+ Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

+ Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…

+ Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

- Vật liệu composite đã được nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nước đã sản xuất mày bay, tàu chiến và vũ khi phục vụ cho cuộc chiến này Cho đến nay thì vật liệu composite polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô Dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một

số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như

y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác

- Ở Việt Nam thì vật liệu composite được áp dụng hầu hết ở các ngành, các

lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu composite được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8

đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố được tuyển trọn, theo đó vật liệu composite được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu composite vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện

Hình 2.1: Ứng dụng composite trong dân dụng

- Vật liệu composite trong đóng tàu: composite được sử dụng rộng rãi trong

việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano do chi phí đầu tư chế tạo phương tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng

gỗ, nhôm hoặc thép Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng đơn giản hơn Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dưỡng rất ít, không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước biển Composite cũng được sử dụng trong các tàu quân sự do tính trong suốt với rada của loại vật liệu này

Hình 2.2: Ứng dụng composite trong đóng tàu

2.3 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời và pin mặt trời

- Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mới và đang được đầu tư nghiên cứu và sử dụng Năng lượng mặt trời được xem như là nguồn năng lương ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí Do vậy nên

ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới

- Ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu Một là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời, các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để

2.4 Tổng quan về thiết kế hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng

lượng mặt trời

- Tàu sử dụng năng lượng mặt trời, vì thế hệ động lực bao gồm:

+ Pin mặt trời: Pin mặt trời dưới ánh nắng mặt trời và hiện tượng bức xạ tạo nên dòng điện sử dụng cho tàu

+ Acquy: Dòng điện sinh ra từ pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào lượng nắng, góc đặt tấm pin, thời tiết… điều này dẫn đến đôi lúc lượng điện trực tiếp

từ pin mặt trời không đủ cho các tải sử dụng trên tàu vì vậy cần một bộ phận dữ trữ đó là acquy Acquy sẽ tích trữ điện từ pin mặt trời và sử dụng cho các tải của tàu

+ Động cơ điện: động cơ chính quay chân vịt giúp tàu chuyển động

+ Hệ trục: vì điều kiện thiết kế nên không thể bố trí hệ trục thẳng trên tàu

mô hình mà ta phải bố trí hệ trục cong Việc bố trí hệ trục cong dẫn đến trục chân vịt sử dụng trên tàu mô hình là trục cáp mềm

+ Chân vịt: Chân vịt của tàu mô hình được tìm mua trên thị trường từ những chiếc tàu đua mô hình Việc mua chân vịt được làm sẵn dẫn đến thông số chân vịt khi ta tính toán sẽ không trùng với thông số chân vịt bán sẵn Nhưng chúng ta cũng không thể tự chế tạo, đó cũng là khó khăn khi thiết

kế hệ động lực tàu mô hình

- Tấm pin mặt trời của tàu mô hình được đặt trên boang Nguồn năng lượng chính cho hoạt động của tàu là năng lượng mặt trời được nạp vào acquy qua hệ thống điều khiển nạp phóng Khi pin đã nạp đầy acquy thì động cơ tàu sẽ sử dụng nguồn năng lượng trực tiếp từ tấm pin mặt trời

- Động cơ sử dụng cho tàu mô hình là động cơ điện nên công suất không thể lớn và tốc độ vòng quay không cao dẫn đến tốc độ tàu chạy sẽ hơi chậm

Vì tàu mô hình nhỏ, không thể bố trí người điều khiển trực tiếp ngồi trên tàu

để điều khiển nên hệ thống điều khiển của tàu là điều khiển từ xa

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Sức cản của tàu thiết kế

3.1.1 Cơ sở lý thuyết

- Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu cầu tốc độ tàu, chúng ta phải xác định được sức cản khi tàu chạy Khi chuyển động tàu gặp hai dòng gây sức cản cho tàu là nước và không khí Trong đó sức cản do nước tạo nên là rất lớn và lớn

hơn nhiều so với sức cản không khí, phụ thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ tàu

- Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, tuy nhiên đến nay sức cản của nước vẫn chưa được giải thích một cách rõ ràng và chặt chẽ vì quá trình diễn biến của hiện tượng phức tạp Đã có những công thức kinh nghiệm dựa trên hàng loạt lần thử

và khảo sát cho phép xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa cao và chưa bao quát được toàn bộ các loại tàu, hoạt động trong môi trường thực tế với ảnh hưởng phức tạp Vì vậy hiện nay, khi xác định sức cản thường có sự so sánh giữa những tàu đã đóng mới với những mô hình thân tàu thí nghiêm được trong bể thử Sức cản toàn bộ của tàu bao gồm:

R = Rs + Rms + Rc + Rkk Trong đó:

- RS : Sức cản sóng Sức cản sóng xuất hiện do sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu mũi và lái với giữa tàu

- Rms: sức cản ma sát Do độ nhớt của nước, các phần tử nước ở gần thân tàu chuyển động cùng thân tàu làm xuất hiện lực ma sát giữa các phần tử nước với vỏ cũng như giữa các phân tử nước Tổng hình chiếu của tất cả các lực

ma sát tác dụng lên phần tàu chìm trong nước lên phương chuyển động của tàu gọi là sức cản ma sát

- Rc: Dòng nước tách khỏi đuôi tàu là nguyên nhân xuất hiện vùng áp suất thấp phía sau và tạo xoáy phía sau đuôi tàu, gây sức cản gọi là sức cản áp suất và kí hiệu Rc

- Rkk : là sức cản không khí

3.1.1.1 Sức cản sóng

Phương trình sức cản sóng biểu diễn dưới dạng :

S v C

2



Trong đó :

Rs : sức cản sóng (kG)

Cs : Hệ số sức cản sóng (không thứ nguyên)

 : Mật độ của nước (kG.s2/m4)

Nước biển :  = 104,8 kG.s2/m4 Nước ngọt :  = 102,0 kG.s2/m4

v : Tốc độ tương đối của tàu so với nước (m/s)

3.1.1.2 Sức cản ma sát

Để tính sức cản ma sát ta dùng công thức :

S v C

R ms mS 2

2



Trong công thức tính sức cản ma sát trên :

Rms : Sức cản ma sát (kG)

Cms : Hệ số sức cản ma sát (không thứ nguyên)

: Mật độ của nước (kG.s2/m4)

Nước biển :  = 104,8 kG.s2/m4 Nước ngọt :  = 102,0 kG.s2/m4

t = 300C, v=1,01.10- 6

(m/s2)

* Độ nhẵn tương đối Ks/L

L – Chiều dài thiết kế

Ks – Độ nhẵn tuyệt đối, đối với:

+ Xuồng thể thao, ván trượt, tàu phóng ngư lôi : Ks= 0,10.10-3 (m)

+ Tàu trong kênh, thuyền buồm, tàu chuyên tuyến : Ks= 0,15.10-3 (m)

+ tàu chở bưu kiện, tàu khách chuyên tuyến : Ks= 0,20.10-3 (m)

Phần trăm sức cản ma sát trong sức cản toàn bộ của tàu là không cố định, mà thay đổi theo tốc độ Sự thay đổi có thể biểu diễn theo hàm froude Đối với tàu có

Fr nhỏ (10-12 hải lý/h, Khi L = 100 m sức cản ma sát là thành phần chủ yếu chiếm 70% - 80% sức cản toàn phần, tốc độ tăng thì sức cản ma sát giảm đến khoảng 30%

Độ nhám, lồi lõm bề mặt vỏ tàu cũng ảnh hưởng đến sức cản ma sát Tuy nhiên đối với tàu thiết kế mới coi như bề mặt trơn chuẩn

3.1.1.3 Sức cản áp suất

- Hiện tượng tách dòng chảy khỏi vỏ bao gây ra sự giảm áp suất vùng đuôi tàu

so với vùng mũi Sức cản áp suất là kết quả hiệu số áp suất phần mũi và phần đuôi tàu

- Đối với những vật thể có hình dáng thủy động học như tàu thủy bình thường thì điểm tách dòng chảy nằm gần sau lái và sức cản áp suất không lớn lắm, thường không vượt quá vài phần trăm sức cản toàn bộ

- Việc xác định sức cản áp suất là một vấn đề rất khó và đến nay chưa có lời giải Khi khảo sát một hình chúng ta chỉ có thể đo sức cản toàn bộ của mô hình sau khi trừ sức cản ma sát được tính ở trên còn lại chúng ta có tổng sức cản sóng và sức cản áp suất nhưng không xác định được chính xác sức cản áp suất là bao nhiêu

- Hình dáng tàu quyết định hai loại sức cản đó, vì vậy gọi hai loại sức cản đó

là sức cản hình dáng hoặc sức cản dư

Trị số sức cản áp suất có thể tính gần đúng theo công thức :

S v Cc

2.



Trong công thức trên :

Rc : Sức cản áp suất (kG)

Cc : Hệ số sức cản áp suất (không thứ nguyên)

: Mật độ của nước (kG.s2/m4)

Nước biển :  = 104,8 kG.s2/m4Nước ngọt : = 102,0 kG.s2/m4

F

C

209

.0

- Khi gió thổi, sức cản cũng phụ thuộc tốc độ, hướng gió tương đối của nó cộng thêm sóng mà nó làm tăng sức cản

3.1.2 Tính sức cản

- Sức cản của loại tàu 2 thân (catamaran) có những điểm khác so với sức cản của tàu 1 thân bình thường Về phương diện sức cản, một ưu điểm rất lớn cửa tàu 2 thân là độ thon của thân rất lớn, mớn nước nhỏ so với tàu cùng tải trọng Do vậy sức cản sinh sóng, sức cản áp suất gọi chung là sức cản hình dáng của tàu 2 thân rất nhỏ

so với tàu một thân cùng tải trọng

- Tuy nhiên, tàu 2 thân có 2 thân cùng nằm dưới nước, vì vậy diện tích mặt ướt của tàu 2 thân sẽ lớn hơn tàu 1 thân ở cùng tải trọng thiết kế làm cho sức cản ma sát

của tàu tăng lên Ở tốc độ thấp, sức cản hình dáng chỉ chiếm một lượng nhỏ so với sức cản ma sát, vì thế sức cản của tàu 2 thân sẽ lớn hơn tàu một thân ở cùng tải trọng thiết kế Ở tốc độ cao, sức cản hình dáng là chủ yếu, sức cản ma sát chỉ chiếm một lượng nhỏ vì vậy sức cản tổng của tàu 2 thân sẽ giảm so với tàu một thân

- Một đặc tính nữa của tàu 2 thân là sự tương tác lẫn nhau giữa các thân tàu

Sự tương tác này ảnh hưởng mạnh đến thành phần sức cản sinh sóng trong sức cản tổng Thành phần sức cản này chịu ảnh hưởng nhiều nhất của hiện tượng giao thoa giữa các thân Có thể giảm sức cản sinh sóng bằng cách: giảm lượng chiếm nước, kéo dài thân tàu so với mặt đường nước, tạo nên sự giao thoa sóng mong muốn Sức cản tàu 2 thân cũng như sức cản tàu 1 thân được tính theo công thức:

R = Rms + RD + Rkk + RX+ RMT Trong công thức trên:

+ R - Sức cản toàn bộ 2 thân

+ Rms - Sức cản ma sát

+ RD - Sức cản dư (bao gồm sức cản sinh sóng, sức cản áp suất và tác động

tương hỗ giữa 2 thân) + RX- Sức cản phụ bổ sung do các phần nhô của thân tàu: giá đỡ trục chân

vịt, bánh lái, và độ nhám bề mặt quá tiêu chuẩn + RMT - Sức cản do tác động của môi trường khi tàu chạy như sóng biển, sự

hạn chế về luồng lạch

3.1.2.1 Tính sức cản dư

Sức cản dư được tính theo công thức:

2 / /

2

1

V K K SC

+ S : Diện tích mặt ƣớt (m2) S = 147,892 m2

+ KB / T : hệ số điều chỉnh khi B/T của tàu thiết kế khác B/T của nhóm tàu mẫu

đƣợc nội suy giữa hai nhóm đồ thị có B/T gần nhau Lấy K B / T = 1 + Kδ; Hệ số điều chỉnh khi  của tàu thiết kế khác  của nhóm tàu mẫu

đƣợc nội suy giữa hai nhóm đồ thị có  gần nhau Lấy K = 1

004 , 1 5 , 10 05 , 1 10

014 , 3 4 4 10

Hình 3.2: Đường cong sức cản dư của các tàu có tỷ số L/B khác nhau

3.1.2.2 Tính sức cản ma sát

- Để tính sức cản ma sát chúng ta sử dụng công thức nhƣ đối với các loại tàu khác

S v C

31 , 1

24 , 20 8611 ,

3

10.74,010.4,724,20

10.15,

R = F =

)cos(

cossin2 2

A A

V K

- Lực gió lớn nhất tác dụng lên tàu khi gió thổi vuông góc với mạn tàu, vì khi này diện tích chắn gió là lớn nhất Tuy nhiên nó không tương ứng với sức cản tối đa khi tàu chạy ngược gió mà sức cản tối đa xuất hiện khi gió thổi bên mũi 300

- Các giá trị trong công thức trên:

+ AL : Diện tích hình chiếu dọc

+ AT : Diện tích hình chiếu ngang

+  : góc của hợp lực do gió và không khí tác dụng lên tàu so với đường dọc tâm

tàu Khi gió thổi chính diện vào mũi thì =0

+  : Góc của hướng gió thổi so với đường dọc tâm tàu  = 30 0gây sức cản lớn

nhất

+ Vtd : Vận tốc tương đương tính bằng feet/s là tốc độ tương đối của gió so với

tàu Khi tàu chạy trong không khí tĩnh Vtd = Vt

Tính các giá trị trong công thức

* V td

Tàu được thiết kế ở tốc độ 25 hl/h trong trường hợp chạy trong thời tiết có gió mạnh vừa phải, sóng dài vừa phải (khoảng 1,2 m) đã xuất hiện bụi và bọt nước Theo thang gió Beaufort, tốc độ gió khoảng 30 -39 km/h

Chọn tốc độ gió thiết kế V = 10 m/s = 36 km/h

Trường hợp tính sức cản là khi gió thổi bên mũi 300 Vậy tốc độ gió so với hướng chuyển động của con tàu là:

077

* Diện tích hình chiếu ngang

Thân chính dưới boong thời tiết có sức cản riêng bé hơn nhiều so với thượng tầng vì nó có độ thon cao Vì thế :

- Từng phần nhô tạo nên sức cản phụ tham khảo [ ]

Bảng 3.1: Sức cản của phần nhô Các phần nhỏ Tàu hàng và tàu khách Tàu chạy nhanh, tàu

khách Giá đỡ trục 1 chân vịt 2 chân vịt

- Khi mặt biển có sóng, nếu tàu chạy theo hướng đường thẳng phải thực hiện thêm những chuyển động chu kỳ phức tạp gồm có chòng chành dọc, chòng chành ngang và thẳng đứng Các chuyển động phụ này làm tăng sức cản của tàu Khi chiều cao sóng càng lớn và tốc độ tàu càng cao thì sức cản tăng càng nhiều Hơn nữa khi tàu chạy nhanh hết tốc độ, biển động mạnh sẽ có hiện tượng nước tạt lên boong, sóng va đập, xuất hiện gia tốc quá lớn ảnh hưởng rất lớn đến sức cản của tàu

- Do vậy để tàu đạt được vận tốc thiết kế thì cần phải tăng một lượng công suất thích hợp Lượng tăng công suất này được tính bằng cách tăng số phần trăm trong sức cản toàn bộ của tàu Tăng sức cản với hệ số thích hợp gọi là hệ số thời tiết

Kw phụ thuộc vào tuyến đường và mùa Hệ số này có thể lấy từ 1,15 đến 1,2, đôi khi

có thể lên đến 1,3

Ta lấy hệ số Kw cho tàu là 1,15

Bảng 3.2: Thông số tàu thiết kế

sát (Rms)

(KG)

574.2632 826.939 1125.56 1470.11 1860.61 2297.05 2779.43 3307.76 3589.14 3882.02 4502.22

Bảng 3.3: Bảng tính sức cản