17 Như các đặc điểm của xe máy điện đã nêu ở trên ta thấy xe máy điện vẫn còn nhiều hạn chế cần được giải quyết để thực sự là xu hướng cho tương lai. Trong đó có những hạn chế đã được hãng xe Vinfast giải quyết rất tốt như khả năng chống nước được áp dụng cho xe máy điện và chính sách cho thuê và đổi pin, thay vì phải tự sạc và chờ pin đầy mỗi khi hết điện, khách hàng chỉ cần đến các trạm đổi pin của Vinfast để thay pin mới, với mức phí tương đương chi phí đổ xăng cho cùng một quãng đường. Bên cạnh đó vẫn còn một số vấn đề mà các hãng xe hiện nay vẫn chưa giải quyết tốt được như :
Quãng đường di chuyển trong một lần sạc không được xa.
Thời gian chờ đợi để ắc quy được nạp đủ để thực hiện hành trình tiếp theo là khá dài
Xe điện tại Việt Nam được đánh giá là không hẳn thân thiện với môi trường, khi sản xuất điện tại Việt Nam phần lớn là nhiệt điện và thủy điện, đều gây ô nhiêm không kém so với xe máy sử dụng động cơ đốt trong.
Công suất xe sẽ giảm khi dung lượng pin thấp.
Và đã có một vài cách giải quyết được đặt ra cũng là các đề tài nghiên cứu về các giải pháp nạp điện cho xe máy điện như là tạo điện năng từ khí hidro, sử dụng phanh tái sinh, sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời.
1.8.3Thiết kế, cải tạo
Từ các thông số như đường kính lốp, chiều dài trục bánh sau ta tiến hành thiết kế trục nối và hai bánh sau xe đảm bảo các yêu cầu như độ cân bằng khi di chuyển, hiệu suất truyền động không thay đổi nhiều.
Dựa vào các thông số như chiều dài, chiều rộng, chiều cao của xe ta thiết kế khung đặt tấm pin năng lượng mặt trời và diện tích của tấm pin để chọn tấm pin cho phù hợp.
Từ các thiết kế trên ta tiến hành cải tạo từ chiếc xe máy điện với hai bánh xe thành chiếc xe ba bánh để đảm bảo độ an toàn khi lắp tấm pin năng lượng trên xe và tạo ra hệ thống nạp điện trực tiếp cho xe từ nguồn năng lượng mặt trời.
1.8.4Thực nghiệm, kiểm chứng
Sau khi nghiên cứu cải tạo xe máy điện xong ta tiến hành thực nghiệm để đo đạt kết quả:
18
Thực nghiệm quãng đường đi được khi xe đã cải tạo xong.
Thực nghiệm bằng cách đo điện áp lúc đầu và cho xe chạy ở ở một tốc độ nhất định cho đến khi xe dừng lại ta đo điện áp lúc sau và ghi lại quãng đường đã di chuyển cùng với thời gian di chuyển. Lặp lại năm lần để ra được giá trị trung bình.
Sau khi hoàn thành thực nghiệm ta có được bảng so sánh quãng đường đi được của xe, thời gian di chuyển của xe từ đó ta có thể tính ra khả năng tạo ra điện của tấm pin năng lượng mặt trời trên lý thuyết và thực tế.
1.8.5Đánh giá
Từ kết quả thực nghiệm, kiểm chứng ta có thể nhận định được mức độ hiệu quả mà đề tài này mang lại. Một mặt có thể giải quyết được phần nào vấn đề hạn chế của xe máy điện. Bên cạnh đó một phần giúp tạo ra chiếc xe giúp người khuyết tật dễ dàng điều khiển xe với 3 bánh.
Sau khi phân tích các đặc điểm của xe máy, xe máy điện, các vấn đề ô nhiễm môi trường do xe sử dụng động cơ đốt trong gây ra, cũng như vấn đề về nguồn năng lượng cạn kiệt và sự phát triển của nguồn năng lượng mặt trời trời. Đồng thời làm rõ mục tiêu của đề tài và các bước thực hiện. Để có thể thực hiện đề tài này chúng ta cần nghiên cứu và tổng hợp lại các cơ sở lý thuyết để phục vụ cho quá trình thiết kế và cải tạo.
19
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời
2.1.1 Giới thiệu năng lượng mặt trời
“Năng lượng mặt trời là ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời được khai thác bằng một loạt các công nghệ không ngừng phát triển như sưởi ấm mặt trời, quang điện, năng lượng mặt trời, kiến trúc mặt trời, nhà máy điện muối nóng chảy và quang hợp nhân tạo.” [2]
Đây là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và các công nghệ của nó có đặc điểm chung là năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời hoạt động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt và phân phối năng lượng mặt trời hoặc chuyển đổi thành năng lượng mặt trời. Các kỹ thuật năng lượng mặt trời tích cực bao gồm việc sử dụng các hệ thống quang điện, năng lượng mặt trời tập trung và sưởi ấm nước mặt trời để khai thác năng lượng. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm định hướng một tòa nhà lên Mặt trời, lựa chọn các vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc tính chất phân tán ánh sáng và thiết kế các không gian lưu thông không khí một cách tự nhiên.
Hình 2.1 Nhà máy điện mặt trời ở Bình Thuận
Năm 2011, Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết "Việc phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời sạch, không cạn kiệt và giá cả phải chăng sẽ mang lại lợi ích lâu dài rất lớn. Nó sẽ tăng cường an ninh năng lượng của các quốc gia thông qua việc phụ thuộc vào nguồn tài nguyên bản địa, không cạn kiệt và chủ yếu là nhập khẩu. Tăng cường tính bền vững, giảm ô nhiễm, giảm chi phí giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu và giữ giá nhiên liệu hóa thạch thấp. Những lợi thế này mang tính toàn cầu. Do đó, chi phí khuyến khích cho việc triển khai sớm nên được xem xét đầu tư học tập cần được chia sẻ rộng rãi ".
20
2.1.2 Cấu tạo pin mặt trời
Pin mặt trời là bộ phận chính yếu của hệ thống năng lượng mặt trời. Tấm pin mặt trời có nhiệm vụ thu nhận năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng điện và tạo ra dòng điện một chiều để cung cấp cho bình ắc quy. Pin mặt trời được cấu tạo bởi những phần tử làm bằng vật liệu bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 được gắn nối tiếp hay song song với nhau. Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n người ta pha tạp chất Donor là Phopho (P) có hóa trị 5 sẽ thừa ra electron dùng để liên kết dễ chuyển động hơn làm cho nó có tính dẫn điện. Còn để có vật liệu bán dẫn loại p thì tạp chất Accetor là Bo có hóa trị 3 tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống vì là thiếu electron nên lỗ trống mang điện dương làm nó có tính dẫn điện lỗ trống. Lớp tiếp giáp giữa hai loại chính là lớp chuyển tiếp p – n.
Hình 2.2 Cấu tạo pin quang điện
Ngoài Si ra người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III – V, Sunfit cadmi – đồng (CuCdS), Galium – Arsenit (GaAs),…
Hình 2.3 Các bộ phần cấu thành nên tấm pin mặt trời
Khung nhôm: Bảo vệ các cạnh phần gỗ chứa các tế bào, cứng và có thể chịu được áp lực lớn từ bên ngoài.
21
Lớp kính: Làm từ kính cường lực với độ dày 3 – 4 mm, để chống lại tải trọng cơ học và thay đổi nhiệt độ.
Lớp EVA: Giữ cố định tế bào, ngăn hơi ẩm bụi bẩm xâm nhập.
Tấm nền: Đóng vai trò chống ẩm và là lớp da bảo vệ bên ngoài, mục đích bảo vệ cơ học và cách điện.
Hộp mạch điện: Nơi tất cả tế bào đặt liên kết.
2.1.3 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền xuyên qua mảnh silic : thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bỏi silic : khi năng lượng của photon lớn hơn năng lương để đưa electron lên mức năng lương cao hơn.
22 Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mảng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Tần số của mặt trời thường tương đương 60000K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc pn bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đường như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một điôt. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh.
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc, … Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trời trong của pin mặt trời).
23
2.1.4 Hiệu suất pin năng lượng mặt trời
Hiệu suất pin mặt trời là phần năng lượng dưới dạng ánh sáng mặt trời có thể được chuyển đổi thông qua quang điện thành điện năng bởi pin mặt trời. Hiệu suất pin mặt trời được xác định là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời. Dùng phương pháp đo lượng ánh sáng mặt trời mà hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể chuyển đổi thành điện thực tế. Kết quả xác định chính là hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời và luôn được đo bằng tỷ lệ phần trăm. 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑂𝐶. 𝐼𝑆𝐶𝐹𝐹 𝑛 = 𝑉𝑂𝐶. 𝐼𝑆𝐶𝐹𝐹 𝑃𝑖𝑛 Trong đó VOC là điện áp mạch hở mạch. ISC là dòng ngắn mạch. FF là hệ số lấp đầy.
n là hiệu suất pin năng lượng mặt trời.
Hiệu suất của pin mặt trời được sử dụng trong hệ thống quang điện, kết hợp với vĩ độ và khí hậu, quyết định sản lượng năng lượng hàng năm của hệ thống. Ví dụ, một tấm pin mặt trời với hiệu suất 20% và diện tích 1 m2 sẽ tạo ra 200 kWh /năm ở Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, nhưng nó có thể tạo ra lượng điện khác nhau tùy vào thành phần vật liệu cấu tạo, vĩ độ, vùng miền, hướng lắp đặt, điều kiện khí hậu như có thể tạo ra nhiều hơn khi mặt trời ở trên trời cao và sẽ tạo ra ít hơn trong điều kiện trời nhiều mây hoặc khi mặt trời thấp trên bầu trời.
2.2 Động cơ điện
Giới thiệu động cơ điện tích hợp trên bánh xe
Hiện nay, để tiện lợi hơn trong việc bố trí động cơ điện lên xe với tiêu chí nhỏ gọn kết cấu đơn giản, người ta đã tích hợp động cơ điện vào bên trong bánh xe. Cùng với đó hệ thống này sẽ được vận hành dưới dạng điện tử ( Drive-by-wire), tức là không thông qua các kết cấu cơ học như hiện nay. Với hệ thống này, bánh xe sẽ là một cụm vận hành độc lập, motor dẫn
24 động trực tiếp lên bánh xe để giúp xe chuyện động từ đó loại bỏ được toàn bộ hệ thống truyền lực của xe, góp phần làm giảm khối lượng của xe và tăng không gian trống cho xe. Động cơ điện được sử dụng để tích hợp có thể là động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều. Loại động cơ này có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ dàng bố trí vào xe, công suất và dãy tốc độ được thiết kế tương ứng các chế độ vận hành của xe trên đường. Mặt khác động cơ tích hợp trong bánh xe hiện đang được sử dụng rộng rãi và trở thành xu thế trong phát triển xe điện, xe lai.
Động cơ điện BLDC 2.2.2.1 Cấu tạo
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên roto và phần ứng trên stato. Vì vậy, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên roto theo nhiều cách kết cấu khác nhau. Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than – cổ góp. Động cơ BLDC không có cơ cấu chổi than – cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định vị trí của roto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây pha phù hợp.
25 Một động cơ gồm có 3 phần chính:
Stato: Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ.Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato.
Roto: Về cơ bản không có gì khác so với động cơ nam châm vĩnh cửu khác. Roto của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi roto.
- Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi.
Hình 2.7 Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi - Roto có nam châm ẩn bên trong lõi.
Hình 2.8 Roto có nam châm ẩn bên trong lõi
Hall sensor ( cảm biến vị trí của roto): do đặc thù sức phản điện động có dạng hình