6. Bố cục của luận án
3.3. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô hình S-AUV2
3.3.1. Thiết kế hệ thống xilanh – piston
Trong luận án này tác giả dùng hệ thống bơm nước bằng piston. Hệ thống bơm nước vào ra của S-AUV2 là hệ thống gồm 2 bơm piston. Piston được dẫn động bởi
66
động cơ DC 12V thông qua ăn khớp của trục ren, đai ốc và có khả năng bơm tối đa 300 ml nước ở độ sâu 20 m, bản vẽ được thiết kế như Hình 3.11.
Hình 3.11. Bản vẽ 2D hệ thống bơm nước bằng piston
3.3.2. Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước
Hệ thống bao gồm:
- Mạch điều khiển Arduino Uno R3 - Cảm biến vị trí hành trình
- Driver điều khiển động cơ
Mạch điều khiển UnoR3 là một bộ vi điều khiển sử dụng chíp Atmega 328. Có 14 cổng vào ra tín hiệu số. Trong đó có 6 cổng có thể sử dụng xuất xung PWM, 6 cổng vào analog, tần số dao động là 16 MHz, sơ đồ mạch như Hình 3.12.
Hình 3.12. Sơ đồ mạch thử nghiệm hệ thống bơm nước vào ra
3.3.3. Thử nghiệm hệ thống lặn nổi cho S-AUV2
Khi nhận lệnh điều khiển, động cơ có hộp số quay. Trục động cơ được nối với trục ren thông qua khớp nối cứng. Do đó khi động cơ quay thì trục ren cũng quay. Trục
67
ren quay làm quay đai ốc, đai ốc được gắn cố định với ống inox tròn, đầu còn lại của ống inox nối cố định với piston. Tùy thuộc vào hướng động cơ của động cơ làm cho trục ren quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, do đó piston sẽ tịnh tiến về phía trước hoặc phía sau làm thay đổi thể tích nước chiếm chỗ của xilanh, nếu thể tích chiếm chỗ của nước giảm thì sẽ làm nổi thiết bị lặn.
Hình 3.13. Hệ thống bơm nước vào và đẩy nước ra được chế tạo
Hình 3.14. Hệ thống ống bọc bên ngoài hệ thống bơm
Bơm piston được chế tạo như Hình 3.13 và Hình 3.14. Điều khiển chế độ PWM cho động cơ với các giá trị khác nhau từ 0 đến 255 xung. Hệ thống được thử nghiệm trong môi trường nước.
68
Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ độ sâu lặn, PWM và thời gian
Như Hình 3.15 trên cho thấy ở giai đoạn đầu khi giá trị xung PWM nhỏ hơn 100, tốc độ lặn của mô hình thiết kế rất chậm. Khi giá trị xung bắt đầu tăng trên 100, tốc độ lặn tăng nhanh. Cho thấy khi sức nổi của mô hình chuyển sang trạng thái âm và lúc đó độ lệch giữa trọng lực và lực đẩy achimet tăng lên thì tốc độ lặn tăng nhanh.
3.4. Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời 3.4.1. Cơ sở lý thuyết 3.4.1. Cơ sở lý thuyết
Thiết bị lặn tự hành dưới nước AUV là một thiết bị tự động, hoạt động dựa vào chương trình điều khiển được cài đặt sẵn, tùy thuộc vào thiết kế của chúng, có thể tự hành, hoặc gửi các lệnh thực thi từ xa mà không cần người điều khiển theo thời gian thực [81]. Khả năng tích trữ năng lượng trên thiết bị lặn tự hành là một yếu tố quan trọng khi thiết kế và vận hành thiết bị lặn AUV. Với những hạn chế về kích thước, khối lượng và các yêu cầu thiết kế khác nhau việc lưu trữ năng lượng trên AUV thường bị hạn chế, do đó thời gian hoạt động của AUV có những giới hạn. Thông thường các thiết bị lặn chỉ hoạt động tối đa từ 4 -12 giờ liên tục, sau đó muốn hoạt động tiếp cần thu hồi để sạc lại. Đây là một trong những hạn chế của thiết bị lặn. Việc tích hợp các hệ thống bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự hành đã được nghiên cứu. Viện nghiên cứu các vấn đề về Công nghệ Hàng hải IMTP và Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã đánh giá các công nghệ cần thiết cho một SAUV chạy bằng năng lượng mặt trời [82]. Một trong những sản phẩm của chương trình phát triển này là chế tạo và thử nghiệm mẫu thiết bị thu năng lượng mặt trời với tên SAUV I có các thông số kỹ thuật là: Khối lượng 90 kg, chiều dài 1,7 m, rộng 0,7 m, đường kính vỏ là 0,24 m, như Hình 3.16.
69
Hình 3.16. Thiết bị SAUV I [82]
SAUV I được trang bị 2 tấm panel pin mặt trời công suất mỗi tấm là 30 W, các thử nghiệm đã chứng minh SAUV I đã đạt được hiệu quả tốt về thời gian hoạt động lâu dài hoặc liên tục.
Một thiết bị khác có tên gọi SAUV II đã được nghiên cứu chế tạo [83]. SAUV II có chiều dài 2,3 m, rộng 1,1 m và cao 0,5 m; tấm panel pin mặt trời rộng khoảng 1 m2; khối lượng trong không khí là 200 kg. Đây là một thiết bị lặn chạy bằng năng lượng mặt trời được thiết kế cho các nhiệm vụ giám sát, khảo sát và bảo trì trong thời gian dài, đảm bảo thông tin liên lạc vào bờ trong điều kiện thời gian thực. Thiết bị này có thể thu từ 300 đến 900 W giờ/mỗi ngày và mang pin tối đa 2,4 KWh dự trữ trên thiết bị. SAUV II có khả năng hoạt động nhiều ngày bằng việc sử dụng năng lượng mặt trời để sạc lại pin lithium ion vào ban ngày và thực hiện nhiệm vụ được lập trình sẵn vào ban đêm. Chiến lược này quản lý mức tiêu thụ năng lượng và cho phép SAUV II hoạt động tại trạm giám sát trong vài tháng. Nghiên cứu này đã chế tạo một thiết bị lặn SAUV II nhằm mục đích phục vụ giám sát ven biển với hệ thống thu năng lượng mặt trời có độ bền cao [83-84].
70
Với khả năng di chuyển tự động trong môi trường nước, AUV rất phù hợp cho những nhiệm vụ thám hiểm vùng nước sâu, độc hại hoặc cần hoạt động dài ngày. Tuy nhiên việc thiết kế cánh năng lượng cố định sẽ làm tăng lực cản chuyển động lên thiết bị lặn tự hành AUV khi di chuyển. Vì kết cấu hình dáng của thiết bị lặn ảnh hưởng đến lực cản khi di chuyển. Lực cản càng lớn thì khả năng di chuyển càng khó khăn, tổn thất năng lượng càng lớn.
Một thiết bị nổi hoạt động bề mặt chạy bằng năng lượng mặt trời ứng dụng cho nghiên cứu khoa học về khí quyển và hải dương học được trình bày trong [85, 86]. Trong nghiên cứu [87] tác giả xây dựng một mô hình thiết bị lặn có tích hợp bổ sung năng lượng mặt trời cỡ nhỏ như Hình 3.18, gồm 3 tấm panel pin mặt trời, mỗi tấm có hiệu suất 50 mA, điện áp 6V. Hiệu suất của các tấm pin mặt trời là 15%. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả chỉ mới đặt các tấm pin nhỏ ở phía đỉnh của thiết bị lặn, không có cánh năng lượng nên khả năng thu năng lượng thấp. Do đó không đủ năng lượng để thiết bị hoạt động. Để hoạt động thì cần nhiều tấm pin hơn và thời gian sạc cần nhiều hơn.
Hình 3.18. Thiết bị lặn tích hợp năng lượng mặt trời [87]
Trong luận án này tác giả đưa ra ý tưởng thiết kế, chế tạo một thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ S-AUV2 có bổ sung năng lượng bằng cánh năng lượng mặt trời linh hoạt. Ở trạng thái S-AUV2 di chuyển thì cánh năng lượng đóng, chỉ mở ra khi thiết bị lặn nổi lên gần bề mặt nước thu năng lượng trong thời gian có nắng trong ngày. Việc tối ưu cánh năng lượng nhằm giảm kích thước, hình dáng thiết bị lặn, có thể thay đổi khi di chuyển do đó giảm lực cản tác dụng lên thiết bị lặn tự hành, tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời, giảm năng lượng tiêu hao. Giúp thiết bị lặn S-AUV2 có thể hoạt động dài ngày mà không cần thu hồi để sạc bổ sung.
71
3.4.2. Mô hình S-AUV2 có cánh năng lượng linh hoạt
Mô hình được tác giả thiết kế có kích thước chiều dài 1,45 m, rộng từ 0,3 m - 0,8 m và cao 0,3 m; tấm panen pin mặt trời gồm 6 tấm mắc song song. Gồm 2 tấm cố định phía trên và 4 tấm panen pin mặt trời linh hoạt ở hai cánh. Kích thước S-AUV2 tương đối nhỏ và có cánh năng lượng linh hoạt do đó dễ dàng triển khai và vận hành. Hệ thống cánh năng lượng cố định, cánh năng lượng linh hoạt được thể hiện như Hình 3.19, Hình 3.20.
Hình 3.19. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 trường hợp cánh năng lượng đóng
Hình 3.20. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 trường hợp cánh năng lượng mở Cánh năng lượng mặt trời cố định Cánh năng lượng mặt trời linh hoạt
72
Hệ thống điều khiển một thiết bị tự động nói chung, một thiết bị lặn tự hành nói riêng là một hệ phức tạp có cấu trúc gồm nhiều thành phần. Tùy từng nhiệm vụ cụ thể mà hệ thống điều khiển phải có các chức năng phù hợp. Đối với S-AUV2 về cơ bản hệ thống điều khiển gồm các thành phần như Hình 3.21. Tuy nhiên trong luận án này tác giả chưa tích hợp cụm cảm biến đo độ sâu và GPS, camera. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 có thể được lập trình chương trình trước hoặc tích hợp bộ điều khiển từ xa.
Hình 3.21. Sơ đồ hệ thống điều khiển S-AUV2 tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời
3.4.3. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2
Thiết bị lặn S-AUV2 được bố trí 6 tấm pin mặt trời, mỗi tấm có thông số kỹ thuật như Bảng 3.1. Các tấm pin mặt trời được mắc song song với nhau như sơ đồ Hình 3.22. Cụm số 1 gồm 2 tấm pin mặt trời gắn cố định phía trên đỉnh thân của thiết bị lặn. Cụm số 2 gồm 4 tấm pin mặt trời được lắp đặt ở 2 cánh năng lượng linh hoạt. Cánh linh hoạt được đóng mở bằng hệ thống xi lanh, cánh năng lượng linh hoạt chỉ mở khi thu năng lượng mặt trời. Thông số một tấm pin năng lượng mặt trời do nhà sản xuất đưa ra như Bảng 3.1.
73
Hình 3.22. Sơ đồ kết nối các tấm pin mặt trời
74
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lượng mặt trời
Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị Công suất định mức P 30 W Điện áp danh định Vmp 18 V Dòng danh định Imp 1,67 A Điện áp hở mạch Voc 22.3 V Dòng hở mạch Isc 1.82 A Loại Pin mặt
trời Silic đơn tinh thể
Kích thước dài x rộng x dày 45 cm x 28 cm x 0,3 cm
Nguồn năng lượng để thiết bị lặn tự hành hoạt động luôn là vấn đề được quan tâm. Hầu hết các loại thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ và vừa hầu hết sử dụng pin là nguồn năng lượng chính. Trong nghiên cứu này tác giả cũng sử dụng pin Lithium làm nguồn năng lượng gồm: 8 pin LiFePO4 32650; 3,2 V; 6.000 mAh. Lắp thành 2 cụm, mỗi cụm mắc nối tiếp 4 pin tạo ra nguồn có điện áp 12,8V, 6.000 mAh. Sau đó mắc 2 cụm song song với nhau tạo nguồn điện 12,8 V, 12.000 mAh.
75
Hình 3.25. Lắp phần đầu và phần đuôi và cánh năng lượng linh hoạt
Hình 3.26. Lắp cánh năng lượng linh hoạt
Như Hình 3.25 và Hình 3.26 cánh năng lượng linh hoạt được bố trí lắp trên hai giá đỡ có thanh trượt ngang. Việc đóng mở được thực hiện bằng 2 xi lanh khí nén. Do đó cánh năng lượng trái và phải được đóng mở tùy theo việc S-AUV di chuyển hay ở trạng thái thu năng lượng mặt trời.
3.4.4. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2
Sau khi thiết kế và lắp đặt hệ thống thử nghiệm hoàn thành, thiết bị lặn được thiết lập tại các độ sâu khác nhau, tại các độ sâu khác nhau giá trị điện áp và dòng điện được đo và ghi lại. Mỗi vị trí, thời điểm đo được đo 5 lần để lấy số liệu trung bình để
76
đảm bảo số liệu đo ổn định. Thời gian đo trong ngày từ 12 giờ đến 12 giờ 30 để không bị ảnh hưởng nhiều của góc chiếu ánh nắng mặt trời.
Hình 3.27. S-AUV2 trong trường hợp cánh năng lượng đóng
77 Công suất được xác định theo công thức sau:
.
PU I (3.8)
P: Công suất (W)
U: Hiệu điện thế (V)
I: Cường độ dòng điện (A)
Hình 3.29. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Vĩnh Bảo – Hải Phòng (8/2020)
Hình 3.30. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Hạ Long – Quảng Ninh(8/2020)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Cô n g su ất th u n ăn g lượ n g P (Wp )
Độ sâu lặn của S-AUV2 (m)
Khi cánh năng lượng đóng Khi cánh năng lượng mở
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Cô n g su ất th u n ăn g lượ n g P (Wp )
Độ sâu lặn của S-AUV2 (m)
Cánh năng lượng đóng Cánh năng lượng mở
78
Hình 3.31. Biểu đồ tổng lượng bức xạ trong năm tại Quảng Ninh – Hải Phòng
Hình 3.32. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Hà Đông – Hà Nội (8/2020)
0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổ n g b ứ c xạ m ặt trời M J/ m 2/ngày Tháng Quảng Ninh 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Cô n g su ất th u n ăn g lượ n g P (Wp )
Độ sâu lặn của S-AUV2 (m)
Cánh năng lượng đóng Cánh năng lượng mở
79
Hình 3.33. Biểu đồ tổng lượng bức xạ trong năm tại Hà Nội ( Theo GIS do Ngân hàng Thế giới kết hợp với Bộ Công Thương và phía Tây Ban Nha, năm 2017)
Hình 3.34. Biểu đồ khả năng thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng tại Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020)
0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổ n g b ứ c xạ m ặt trời M J/ m 2/ngày Tháng Hà Nội
80
Hình 3.35. Biểu đồ khả năng thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng mở tại Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020)
Qua các Hình 3.29 đến Hình 3.35 cho thấy khi thiết bị lặn tự hành tăng dần độ sâu lặn thì công suất thu năng lượng mặt trời khi đóng cánh và mở cánh đều giảm dần. Trong nghiên cứu này tác giả đặt ngưỡng thử nghiệm độ sâu lặn tối đa là 1,5 m. Tuy nhiên tại hồ thử nghiệm tại Hà Nội tác giả chỉ đo được tại độ sâu tối đa là 1,1 m vì hồ nước nông khống chế độ sâu. Mức giảm công suất của hệ thống thu năng lượng mặt trời khi thử nghiệm tại Hạ Long - Quảng Ninh là 25.1% tại độ sâu là 1,5m. Vĩnh Bảo - Hải Phòng mức giảm là 29.8 % tại độ sâu 1,5m. Tuy nhiên tại Hà Nội thì mức giảm công suất của hệ thống là là 42,2 % tại độ sâu là 1,1 m. Nguyên nhân mức giảm công suất tại Hà Nội, Hải Phòng và Quảng Ninh khác nhau do các yếu tố như vị trí địa lý khác nhau, thời điểm, độ đục của nước khác nhau.
Do đó khi thu năng lượng mặt trời thì S-AUV2 nổi càng gần mặt nước càng tốt. Đặc biệt khi tích hợp cánh năng lượng mặt trời linh hoạt theo thiết kế có thể tăng khả năng thu năng lượng mặt trời của thiết bị lặn lên khoảng 2,7 lần so với không có cánh năng lượng linh hoạt trong cùng điều kiện thử nghiệm về vị trí và thời gian.
3.4.5. Thử nghiệm khả năng sạc năng lượng cho Pin
Hệ thống pin năng lượng mặt trời được nối theo sơ đồ như hình sau Hình 3.22 nguồn và điện áp của pin năng lượng mặt trời sẽ được bộ chỉnh lưu ổn định điện áp đầu ra để đảm bảo nguồn sạc cho pin ổn định. Để kết quả đo thời gian sạc đầy pin đảm bảo độ chính xác, trước khi sạc pin được xả đến giá trị tới hạn giống nhau. Do