Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động điều chỉnh góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM VIỆT HÙNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TS ĐINH VƯƠNG HÙNG HUẾ - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Quốc Huy ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước tiên xin chân thành cảm ơn q thầy giáo khoa Cơ khí – Cơng nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế truyền đạt kiến thức cho tơi suốt khóa học Đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt Hùng, người theo sát bên tơi, tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ kiến thức, vật chất lẫn tinh thần suốt q trình để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn cán giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí – Cơng nghệ giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè động viên tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Huế, tháng 30 tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Quốc Huy iii TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay theo hướng nắng, hoạt động hiệu với hiệu suất thu giữ nhiệt bếp cải thiện đáng kể Cụ thể: Thứ phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu khu vực để làm sở cho việc thiết kế, chế tạo Thứ hai, thiết kế chế tạo mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp ưu điểm bếp parabol bếp hộp truyền thống Thứ ba, tính toán thiết kế điều khiển với hai phương án hoạt động theo nguyên lý hẹn sử dụng cảm biến Trong đó, phương án hẹn sử dụng rơ le thời gian kết hợp với động điện chiều với công suất 0,05 KW số vòng quay 96v/ph điều khiển bếp quay góc 10˚ sau khoảng thời gian 30 phút Phương án điều khiển cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo mạch Arduino động bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời Trên sở phân tích ưu nhược điểm hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động khí, sử dụng truyền động xích đơn giản, hiệu với tỉ số truyền Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả hoạt động bếp hộp cải tiến hiệu bếp hai trường hợp bếp tĩnh bếp động Kết rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt bếp động cao bếp tĩnh 13% Kết tính tốn thơng số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động, sẽ làm sở khoa học cho phát triển việc nghiên cứu ứng dụng khai thác lượng mặt trời iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ .9 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .10 2.1 Mục tiêu chung .10 2.2 Mục tiêu cụ thể .10 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .11 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12 1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12 1.1.1 Nguồn lượng mặt trời 12 1.1.2 Phương pháp sử dụng lượng mặt trời 16 1.1.3 Các thiết bị sử dụng lượng mặt trời 16 1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng lượng mặt trời 22 1.1.5 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị - Các định luật xạ 25 1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .28 1.2.1 Các nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun lượng mặt trời nước giới 28 1.2.2 Nhận xét đề xuất hướng nghiên cứu 29 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .31 2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 31 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .31 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.3.1 Phương pháp vấn chuyên gia 31 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 31 2.3.3 Phương pháp tính tốn, thiết kế 32 2.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 32 v CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 33 3.2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 36 3.2.1 Lựa chọn nguyên lý làm việc 36 3.2.2 Tính tốn thiết kế bếp 38 3.3 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP 41 3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42 3.4.1 Mục đích yêu cầu 42 3.4.2 Lựa chọn phương án điều khiển 42 3.5 TÍNH TỐN LỰA CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN .49 3.6 TÍNH TỐN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49 3.6.1 Bộ truyền đai .49 3.6.2 Bộ truyền xích .42 3.6.3 Bộ truyền trục vít 51 3.6.4 Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp .52 3.7 KHẢO NGHIỆM 53 3.7.1 Khảo nghiệm khả hoạt động bếp hộp 53 3.7.2 Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu bếp trước sau lắp bảng điều khiển 56 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .59 4.1 KẾT LUẬN 59 4.2 KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Đặc trưng chế nhiệt độ Thừa Thiên Huế .34 Bảng 3.2 Vài đặc trưng độ ẩm – mây – nắng .35 Bảng 3.3 Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu 54 Bảng 3.4 Bảng biến thiên nhiệt độ bếp tĩnh bếp động hai ngày khảo nghiệm 56 Bảng 3.5 Bảng giá thành thiết bị 58 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời .12 Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời 13 Hình 1.3 Góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng .15 Hình 1.4 Hai loại bếp nấu lượng mặt trời 17 Hình 1.5 Xe điện lượng mặt trời 18 Hình 1.6 Thiết bị vơ trùng nước lượng mặt trời 18 Hình 1.7 Ơ tơ sử dụng nhiêu liệu Hydro 19 Hình 1.8 Lều sưởi ấm lượng mặt trời 19 Hình 1.9 Mẫu máy lượng mặt trời 20 Hình 1.10 Đèn giao thơng lượng mặt trời 20 Hình 1.11 Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella .21 Hình 1.12 Sạc pin lượng mặt trời 21 Hình 1.13 Tình hình khai thác lượng mặt trời giới 23 Hình 1.14 Số nắng trung bình tháng năm 2002-2003 Việt Nam 24 Hình 1.15 Hàm số phân bố E0λ theo λ T .25 Hình 1.16 Định luật dịch chuyển Wien 26 Hình 1.17 Hiệu ứng lồng kính 28 Hình 3.1 Đồ thị so sánh nhiệt độ tháng Huế 33 Hình 3.2 Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp lượng mặt trời 37 Hình 3.3 Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp lượng mặt trời 38 Hình 3.4 Hình 3D bếp hộp lượng mặt trời 38 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ mặt thu nhiệt thời gian 40 Hình 3.6 Bếp hộp lượng mặt trời hình hộp 41 Hình 3.7 Áp to mát pha .35 Hình 3.8 Máy biến áp 43 Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo máy biến áp .43 Hình 3.10 Rơ le trung gian 44 Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian 44 Hình 3.12 Rơ le thời gian .45 Hình 3.13 Sơ đồ nối dây rơ le thời gian 45 Hình 3.14 Mạch chỉnh lưu tồn sóng với điốt 46 Hình 3.15 Sơ đồ mạch 47 Hình 3.16 Sơ đồ mạch bán kỳ dương 47 Hình 3.17 Sơ đồ mạch bán kỳ âm 48 viii Hình 3.18 Bảng hệ thống điều khiển tự động .48 Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện bảng điều khiển 49 Hình 3.20 Bộ truyền đai .50 Hình 3.21 Bộ truyền xích .50 Hình 3.22 Bộ truyền trục vít 51 Hình 3.23 Đồ thị biến thiên nhiệt độ bếp .54 Hình 3.24 Khảo nghiệm bếp 55 Hình 3.25 Cơm sau nấu .55 Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình bếp tĩnh bếp động .57 Hình 3.27 Khảo nghiệm bếp động 57 MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Trong q trình Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu lượng ngày tăng Trong đó, nguồn lượng truyền thống than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên… đóng vai trị chủ chốt Tuy nhiên, việc khai thác sử dụng nguồn lượng truyền thống mức gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đồng thời, với trữ lượng có hạn, nguồn lượng truyền thống có khả dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm khiến cho nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng trầm trọng Vì vậy, nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, lượng thủy triều, lượng sóng biển, lượng địa nhiệt… nguồn lượng triển vọng, coi nguồn lượng tương lai, sẽ đáp ứng tốt nhu cầu lượng, tiết kiệm điện góp phần bảo vệ môi trường Trong số nguồn lượng tái tạo nêu trên, lượng mặt trời nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn biến đổi thời kỳ biến đổi khí hậu Vì vậy, sử dụng lượng mặt trời nguồn lượng dần thay cho dạng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội chiến lược phát triển lượng có ý nghĩa cao mặt kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng Hơn nữa, Việt Nam nước nhiệt đới, nằm vành đai nội chí tuyến, tổng số nắng năm lớn Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 nắng/năm với cường độ xạ cao, lên đến 950W/m2 Vì thế, việc triển khai ứng dụng thiết bị sử dụng lượng mặt trời triển vọng Năng lượng mặt trời coi giải pháp hoàn toàn phù hợp ứng dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Tuy nhiên, việc khai thác nguồn lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng giới nước ta hạn chế nhiều nguyên nhân cơng nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu cao… Đặc biệt, hiệu suất thiết bị sử dụng lượng mặt trời phục vụ nhu cầu dân sinh thấp Các thiết bị tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, hệ thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập Hiệu suất loại thiết bị sử dụng lượng mặt trời nói chung bếp lượng mặt trời nói riêng cịn hạn chế nhiều nguyên nhân Một số việc hiệu suất thiết bị sử dụng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều góc tới chùm xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ nhiệt ánh sáng thiết bị vị trí mặt trời thay đổi liên tục ngày Bếp sử dụng lượng mặt trời có nhiều dạng chia hai nhóm theo hai nguyên tắc hội tụ (bếp parabol) bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình hộp) Nhìn chung, hai loại bếp có nguyên lý hoạt động đơn giản, có hiệu suất thấp bất tiện cho người sử dụng Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu tập trung ánh sáng mặt trời tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu đặt tiêu 48 - Ở bán kỳ âm nguồn điện, D1 D3 phân cực thuận dẫn điện lúc D2, D4 phân cực nghịch xem hở mạch (Hình 3.17) Hình 3.17 Sơ đồ mạch bán kỳ âm Sản phẩm: Bảng hệ thống điều khiển kèm với động chiều 12V, cơng suất 50W Hình 3.18 Bảng hệ thống điều khiển tự động Áp tô mát 1pha điện áp 220V để cấp điện cho mạch, dòng điện qua rơ le thời gian (timer) Sử dung Rơ le thời gian để cài đặt thời gian để hệ thống hoạt động theo yêu cầu Dòng điện qua biến áp, chuyển dòng 220V thành dòng 12V Dòng điện xoay chiều 12V (AC) qua chỉnh lưu trở thành dòng điện chiều 12V (DC) Dòng điện 12V (DC) qua Rơ le trung gian Các chân tiếp điểm Rơ le trung gian mở chuyển dòng điện đến động 49 Timer MBA Mạch chỉnh lưu 12V (DC) 220V 12V (AC) Rơ le trung gian Nút đảo chiều ĐC Động 12V (DC) Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện bảng điều khiển 3.5 TÍNH TỐN LỰA CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ta bỏ qua lực cản ma sát ổ bi hệ số ma sát ổ bi nhỏ (0,0012 ÷ 0,0035) Mơ men cản lớn bếp bếp quay góc lớn Mmax = G.emax [3.12] Trong đó: G = 170 (N) - Trọng lượng bếp hộp emax = 0.02 m - Độ lệch tâm lớn Mmax = 170.0,02 = 3,4 (Nm) Liên hệ công suất động điện đến mô men ta công thức: Mmax = 7162Pct 0,736.n = 9740 Pct n [3.13] Với Pct: Công suất cần thiết động điện (kW) n: Số vòng quay trục truyền động phút (96v/p) Ta được: Pct = M.n 9740 = 3,4.96 9740 = 0,033 kW [3.14] Công suất động điện phải lớn công suất cần thiết động Pđm ≥ Pct Tra bảng công suất động ta chọn Pđm = 0,05 (kW), n= 96 (v/p), U = 12 (v) 3.6 TÍNH TỐN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.6.1 Bộ truyền đai Bộ truyền đai thường dùng để truyền chuyển động hai trục song song quay chiều số trường hợp truyền chuyển động trục 50 song song quay ngược chiều (truyền động đai chéo) truyền hai trục chéo (truyền động đai nửa chéo) Hình 3.20 Bộ truyền đai Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng: Sử dụng truyền động đai có ưu điểm có khả truyền chuyển động trục xa Làm việc êm dịu không gây tiếng ồn Giữ an toàn cho chi tiết máy khác bị tải (đai sẽ trượt trơn bánh) Ngoài giá thành rẻ kết cấu đơn giản Truyền động đai có nhược điểm định khn khổ kích thước lớn (khi điều kiện làm việc, thường riêng đường kính bánh đai lớn đường kính bánh khoảng lần) Tỷ số truyền khơng ổn định có trượt đàn hồi đai bánh Lực tác dụng lên trục ổ lớn phải căng đai (Lực tác dụng lên trục ổ tăng thêm – lần so với truyền động bánh răng) tuổi thọ thấp làm việc vận tốc cao Về phạm vi hoạt động truyền động đai thường dùng để truyền công suất không 40- 50 kW, vận tốc thông thường khoảng 5- 30 m/s Bộ truyền đai thường bố trí cấp tốc độ nhanh, bánh dẫn lắp vào trục động 3.6.2 Bộ truyền xích Hình 3.21 Bộ truyền xích 51 Xích chuỗi mắt xích nối với lề Xích truyền chuyển động tải trọng từ trục dẫn (trục chủ động), sang trục bị dẫn (trục bị động) nhờ ăn khớp mắt xích với đĩa xích Sử dụng truyền động xích có ưu điểm truyền chuyển động trục cách tương đối xa So với truyền động đai, kích thước truyền xích nhỏ gọn hơn, làm việc khơng có trượt, hiệu suất cao ( = 0,96  0,98) lực tác dụng lên trục tương đối nhỏ Khơng địi hỏi nhiều phải căng xích nên lực tác dụng lên trục ổ nhỏ thích hợp cho việc giảm tốc Ngồi ra, lúc truyền động công suất cho nhiều trục Giá thành thấp, thông dụng Nhược điểm truyền động xích có nhiều tiếng ồn làm việc, vận tốc tức thời xích đĩa bị dẫn lại khơng ổn định nhanh chóng bị mài mịn không thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng Phạm vi sử dụng truyền động xích thường cho trục có khoảng cách trung bình, u cầu kích thước nhỏ gọn làm việc khơng trượt Truyền động xích dùng để giảm tốc độ quay trục song song Công suất truyền không 100 kW Hiện nay, truyền động xích sử dụng rộng rãi nhà máy vận chuyển ( mơ tơ, xe đạp, xích tải…), máy nông nghiệp, máy công cụ cỡ nhỏ 3.6.3 Bộ truyền trục vít Hình 3.22 Bộ truyền trục vít Bộ truyền trục vít – bánh vít, gọi tắt truyền trục vít, xếp vào loại truyền động vít Kết hợp truyền bánh trục vít Bộ truyền trục vít dùng để truyền chuyển động công suất cho hai trục chéo Thông thường góc hai trục 90˚ Bộ truyền trục vít có ưu điểm tỷ số truyền lớn, làm việc êm khơng gây tiếng ồn có khả tự hãm, độ xác động học cao Nhưng có nhược điểm hiệu suất lại thấp, trình hoạt động nhiệt lượng sinh nhiều nên phải thường xuyên dùng biện pháp làm nguội Vật liệu chế tạo bánh vít phải dùng kim loại màu (đồng thanh) để giảm ma sát nên giá thành tương đối đắt, khơng thơng dụng 52 Vì có hiệu suất thấp nên truyền động trục vít thường dùng trường hợp cơng suất nhỏ trung bình (khơng q 50-60 kW) Người ta thường sử dụng truyền động trục vít với trục vít dẫn động bánh vít bị dẫn Tỷ số truyền khoảng 2060 lên đến 100 nên truyền thường dùng máy nâng chuyển, máy cắt kim loại, ô tô v.v… 3.6.4 Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp Qua nghiên cứu ưu nhược điểm phương án truyền động trên, lựa chon hệ thống dẫn động truyền động xích có ưu điểm sau: - Có thể truyền chuyển động trục cách tương đối xa - So với truyền động đai, kích thước truyền xích nhỏ gọn hơn, làm việc khơng có trượt, hiệu suất cao ( = 0,96  0,98) lực tác dụng lên trục tương đối nhỏ - Khơng địi hỏi nhiều phải căng xích nên lực tác dụng lên trục ổ nhỏ - Thích hợp cho việc giảm tốc - Có thể lúc truyền động công suất cho nhiều trục - Giá thành thấp, thơng dụng Cơ sở tính tốn truyền động xích Dựa thơng số đầu vào lựa chọn: Công suất động điện P = 0,05 KW, số vịng quay đĩa xích dẫn 96v/ph, tỉ số truyền u = 02 chế độ bôi trơn nhỏ giọt, tải trọng tĩnh, làm việc ca/ngày Chọn loại xích ống lăn Chọn số đĩa xích đĩa xích theo công thức: Z1 = 29 – 2u = 25 𝑍2 = 2𝑍1 = 2.25 = 50 Xác định hệ số điều kiện sử dụng xích K k = 𝑘𝑟 𝑘𝑎 𝑘𝑜 𝑘𝑑𝑐 𝑘𝑏 𝑘𝑙𝑣 Với 𝑘𝑟 – Hệ số tải trọng động Nếu dẫn động động điện tải trọng tác động lên truyền tương đối êm 𝑘𝑟 = 𝑘𝑎 – Hệ số xét đến ảnh hưởng khoảng cách trục a = (30÷50)t 𝑘𝑎 = 𝑘𝑜 – Hệ số xét đến ảnh hưởng cách bố trí truyền, đường nối tâm đĩa xích hợp với đường nằm ngang góc nhỏ 60° 𝑘𝑜 = 𝑘𝑑𝑐 - Hệ số xét đến ảnh hưởng khả điều chỉnh lực căng xích Trục khơng tự điều chỉnh nên 𝑘𝑑𝑐 = 1,25 𝑘𝑏 - Hệ số xét đến điều kiện bôi trơn, bôi trơn nhỏ giọt nên 𝑘𝑏 = 𝑘𝑙𝑣 - Hệ số xét đến số ca làm việc ngày, làm việc ca nên 𝑘𝑙𝑣 = 1,12 Vậy ta có K = 1.1.1.1,25.1.1,12 = 1,4 Cơng suất tính tốn 𝑝𝑡 𝑝𝑡 = 𝑘𝑘𝑧 𝑘𝑛 𝑝1 𝑘𝑥 [3.15] 53 25 Trong đó: Hệ số đĩa xích 𝑘𝑧 = Hệ số số vòng quay 𝑘𝑛 = 25 = =1 𝑧1 25 𝑛01 200 = 𝑛1 96 [3.16] =2,08 [3.17] (𝑛01 tra bảng: lựa chọn bước xích theo cơng suất cho phép) Hệ số xét đến số dãy xích 𝑘𝑥 , chọn dãy xích nên 𝑘𝑥 = 𝑝𝑡 = 1,4.1.2,08.0,05 = 0,14 kW Theo bảng trị số cơng suất cho phép truyền xích với (n01=200v/ph) chọn xích dãy có bước t = 12,7 có ký hiệu IIP 12,7 – 9000 – 2, công suất cho phép 0,68 KW Xác định vận tốc trung bình xích V= 𝜋𝑑𝑛 60000 = 𝑛𝑧𝑡 60000 = 96.25.12,7 = 0,5 m/s 60000 [3.18] Chọn khoảng cách trục sơ a = (30÷50)t = 30.12,7 = 381 mm Số mắt xích X tương ứng 𝑋 2𝑎 𝑧 +𝑧 𝑧 −𝑧 𝑡 = + + ( 1) 𝑡 2𝜋 𝑎 2.240 25+50 50−25 = 12,7 + +( 2.3,14 ) + 12,7 381 = 77,3 Ta chọn số mắt xích 𝑋 = 77 Chiều dài xích 𝐿 = 𝑡𝑋 = 12,7.77 = 978 mm [3.19] [3.20] [3.21] Tính lại xác trục a a = 0,25𝑡 [𝑋 − 𝑧1 +𝑧2 = 0,25.12,7 [77 − + √(𝑋 − 25+50 𝑧1 +𝑧2 2 + √(77 − ) − 12,7 ( 𝑧2 −𝑧1 2𝜋 25+50 2 ) ] ) − 12,7 ( 25−50 2.3,14 ) ] = 242,4 mm [3.22] Đường kính đĩa xích 𝑑1 = 𝑡𝑧1 𝜋 = 12,7.25 3,14 = 101 mm [3.13] 𝑑2 = 𝑡𝑧2 𝜋 = 12,7.50 3,14 = 202 mm [3.23] 3.7 KHẢO NGHIỆM 3.7.1 Khảo nghiệm khả hoạt động bếp hộp Để khảo nghiệm khả nấu bếp, lượng gạo nước không đổi sử dụng để nấu cơm Khả bếp đánh giá thông qua thời gian nấu, nhiệt độ nồi nấu, nhiệt độ khơng khí hộp bếp đánh giá cảm quan chất lượng cơm Khảo nghiệm thực lặp lại nhiều ngày với trường hợp bếp đặt cố định mặt thu nhiệt (bếp tĩnh) Thời gian bố trí thí nghiệm 10h30 sáng đến 12h trưa (thời gian thường nấu cơm hàng ngày) Địa điểm khảo nghiệm khoa Cơ khí – Cơng nghệ, trường Đại học Nông Lâm Từ số liệu đo số liệu ngày có 54 cường độ xạ chọn, tính trung bình ngày đánh giá kết Kết khảo nghiệm trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu 15 30 45 60 Nhiệt độ khơng khí hộp (oC) 30 50 68 71 75 Nhiệt độ nồi (oC) 30 72 85 94 104 75 80 107 90 90 115 Stt Thời gian (phút) 120 110 Biểu đồ nhiệt độ khơng khí bếp nồi nấu Nhiệt độ (oC) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 0,25 0,5 0,75 1,25 Thời gian (giờ) Nhiệt độ khơng khí bếp Nhiệt độ nồi nấu Hình 3.23 Đồ thị biến thiên nhiệt độ bếp 1,5 55 Hình 3.24 Khảo nghiệm bếp Nhận xét: Đồ thị hình 3.23 thể rõ: - Nhiệt độ tăng nhanh thời gian 15 phút đầu từ 30oC lên 50oC (tăng 20oC) với khơng khí bếp từ 30oC lên 75oC (tăng 45oC) với nhiệt độ nồi nấu - Nhiệt độ tiếp tục tăng đên 115oC sau thời gian gần 30 phút cơm chín Hình 3.25 Cơm sau nấu 56 3.7.2 Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu bếp trước sau lắp bảng điều khiển Khảo nghiệm thực lặp lại nhiều ngày với hai trường hợp bếp đặt cố định mặt thu nhiệt (bếp tĩnh) trường hợp bếp tự quay theo hướng nắng (bếp động) Thời gian bố trí thí nghiệm 13h30 sáng đến 15h Địa điểm khảo nghiệm khoa Cơ khí – Cơng nghệ, trường Đại học Nông Lâm Thời gian bắt đầu khảo nghiệm (13h30) chọn sở bếp tĩnh bếp động đặt trời nắng trước để có nhiệt độ cao ổn định Từ thời điểm sẽ tiến hành đo số liệu với hai trường hợp bếp tĩnh bếp động Việc lựa chọn thời điểm khảo nghiệm dựa sở bếp lượng Mặt Trời thời điểm từ 11h trưa đến 13h sai khác bếp tĩnh bếp động không đáng kể Đây thời điểm lý tưởng để trường hợp bếp đạt nhiệt độ cao ổn định Tại thời điểm đo từ 13h30 đến 15h lại thời gian mà góc tới chùm tia xạ đến bề mặt thu nhiệt hai trưởng hợp khác Điều sẽ sở để so sánh hiệu bếp tĩnh bếp động Số liệu đo hai trường hợp ngày có cường độ xạ chọn để so sánh, đánh giá kết Kết khảo nghiệm trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Bảng biến thiên nhiệt độ bếp tĩnh bếp động hai ngày khảo nghiệm Bếp tĩnh Bếp động Nhiệt độ Nhiệt độ khơng khí nồi (oC) bếp (oC) Thời gian nấu Nhiệt độ nồi (oC) Nhiệt độ khơng khí bếp (oC) 13h30 100 74 102 79 13h45 94 70 95 73 14h 90 70 97 74 14h15 88 69 99 74 14h30 84 64 99 75 14h45 80 55 98 74 15h 79 50 93 72 57 Biểu đồ nhiệt độ 110 100 90 Nhiệt độ (oC) 80 70 60 Nhiệt độ khơng khí bếp - bếp động Nhiệt độ nồi nấu - bếp động 50 40 Nhiệt độ khơng khí bếp - bếp tĩnh Nhiệt độ nồi nấu - bếp tĩnh 30 20 0,25 0,5 0,75 1,25 1,5 Thời gian (giờ) Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình bếp tĩnh bếp động Hình 3.27 Khảo nghiệm bếp động Đánh giá thảo luận: Dựa vào bảng 3.4 đồ thị hình 3.26 ta thấy thời điểm 13h30, nhiệt độ nồi nấu khơng khí thành bếp bếp thường 100˚C 74˚C bếp quay tự động 102˚C 79˚C Nhiệt độ hai loại bếp gần nhau, đến thời điểm nhiệt độ hai bếp giảm dần cường độ xạ bắt đầu giảm dần Trong nhiệt độ nồi nấu khơng khí trường hợp bếp tĩnh 58 giảm mạnh bếp động gần giảm Điều thể đồ thị trường hợp bếp động gần nằm ngang mặt thu nhiệt vng góc với chùm tia xạ làm cho nhiệt độ bếp bổ sung trì Trong khi, với bếp tĩnh, thời điểm mặt thu nhiệt nhận ánh nắng Mặt trời xuống Đến 3h chiều nhiệt độ nồi nấu bếp thường lại 79˚C nhiệt độ nồi nấu bếp quay tự động giữ 93˚C Qua đó, thấy với việc nấu lượng thức ăn lớn cần khoảng thời gian nấu lâu (2 tiếng trở lên) hiệu suất thu giữ nhiệt bếp kết hợp với bảng điều khiển tự động quay theo hướng nắng cao hẳn so với bếp thường Kết luận: so sánh nhiệt độ biến thiên theo thời gian bếp tĩnh bếp động hình 3.26, kết luận việc kết hợp bảng điều khiển với bếp hộp giúp cho bếp quay theo hướng nắng giúp tăng hiệu suất thu giữ nhiệt bếp lên 13% so với bếp thường 3.7.3 Tính toán giá thành thiết bị Để chế tạo hệ thống bếp hộp lượng Mặt Trời quay tự động, vật tư bao gồm: Bảng 3.5 Bảng giá thành thiết bị Mặt hàng STT Số lượng Đơn giá Thành tiền Tấm 75.000 đ 150.000 đ Thép V4 6m 20.000 đ 120.000 đ Thép tròn 25 1m 50.000 đ 50.000 đ Gương Thủy 0,4 x 0,4 x 0,004 Tấm 40.000 đ 80.000 đ Gương Kính 0,46 x 0,46 x 0,005 Tấm 60.000 đ 60.000 đ Bộ truyền xích 280.000 đ 280.000 đ Động gạt nước 12V 110.000 đ 110.000 đ Bảng điều khiển 500.000 đ 500.000 đ Công chế tạo ngày 200.000 đ 600.000 đ Gỗ Coppha 0,025 x 0,2 x Tổng cộng Giá thành cho thiết bị (bếp + bảng điều khiển) là: 1.950.000 đ 1.950.000 đ 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành đạt số kết sau: - Xác định số liệu điều kiện khí hậu Tỉnh Thừa Thiên Huế làm sở cho tính tốn, thiết kế - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hồn chỉnh mẫu bếp cải tiến có hiệu suất cao - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống truyền động mạch điều khiển đơn giản, hiệu tự động xoay bếp theo hướng nắng - Kết khảo nghiệm khẳng định hiệu suất bếp cao 13% so với bếp truyền thống khác - Tính tốn giá thành hệ thống, thiết bị 4.2 KIẾN NGHỊ Đây đề tài mang ý nghĩa thiết thực, lựa chọn có sở cho hộ người dân nghèo, người dân sống khu bảo tồn rừng …Vì vậy, tơi đề nghị tạo điều kiện để tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn, sâu nhằm nâng cao hiệu việc khai thác nguồn lượng Đề nghị quyền địa phương, tổ chức xã hội cần quan tâm đến việc đầu tư để ứng dụng thay nguồn lượng cho người dân địa phương 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Đỗ Minh Cường nhóm sinh viên (2009), Đề tài nghiên cứu khoa học nghiên cứu thiết kế, chế tạo 02 kiểu bếp lượng mặt trời phục vụ đời sống nông hộ địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế [2] Trương Hữu Chí, Võ Thị Ry (2005), Giáo trình Cơ Điện Tử: Các thành phần bản, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Nguyễn Hoàng Giang – Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên (2011) Phát triển dàn pin lượng Mặt Trời tự xoay (http://thuvien.ued.vn:8080/dspace/bitstream/TVDHSPDN_123456789/4259/2/0146.pdf) [4] Hoàng Dương Hùng – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng (2005), Giáo trình Năng lượng mặt trời – lý thuyết ứng dụng [5] Nguyễn Trọng Hiệp (2011), Giáo trình chi tiết máy, tập 1, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [6] Nguyễn Trọng Hiệp (2011), Giáo trình chi tiết máy, tập 2, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [7] Bùi Hải, Trần Thế Sơn (1999), Giáo trình kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật [8] Phan Hịa (2000), Giáo trình sở kỹ thuật Công nghiệp, Nhà xuất Nông Nghiệp Hà Nội [9] Đặng Quốc Lương (2001), Giáo trình Phương pháp tính kỹ thuật, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [10] Lý Ngọc Thắng – Bộ Công Thương (2013), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí Mặt Trời nhằm nâng cao hiệu thiết bị sử dụng lượng Mặt Trời (http://ievn.com.vn/UserFile/Files/News/2013/thangtt2/Bai%20bao%20tong%20ket% 20De%20tai%20I203_O%20Thang%20TT2.pdf) [11] Nguyễn Trọng Thắng, Lê Thị Thanh Hoàng (2008), Giáo trình kỹ thuật điện, Nhà xuất Trường Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [12] Nguyễn Duy Thiện (2001), Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời, Nhà xuất Xây Dựng 61 Tài liệu tiếng Anh [13] A Valan Arasu and T Sornakumar (2007), Design,development and performance studies of embedded electronic controlled one axis solar tracking system ( http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1934-6093.2007.tb00319.x/abstract) [14] Lwin Lwin 0o and Nang Kaythi HLaing (2010), Microcontroller-Based TwoAxis Solar Tracking System (http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5489600&url=http%3A%2F% 2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D5489600) [15] J Rizk, and Y Chaiko (2008), Sorlar tracking system: more efficient use of Sorlar Panels (http://waset.org/publications/10334/solar-tracking-system-more-efficient-use-of-solarpanels) 62 9-13,15,16,25,30,33,35-38,39,40,42,43,46,47,49 1-8,14,17-24,26-29,31,32,34,39,41,44,45,48,50-53 49,47,46,43,42,40,39,38-35,33,30,25,16,15,13-9 0914958795 ... là: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng bếp lượng mặt trời? ?? MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh. .. phổ biến hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành nhiệt hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời, bếp nấu ăn lượng mặt trời, hệ thống sấy lượng mặt trời hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành... tiến, - Hệ thống truyền động khí, - Bộ điều khiển tự động 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh bếp hộp lượng Mặt trời tự động quay theo hướng nắng điều kiện