Mặt trời quay quanh quỹ đạo trỏi đất (lấy trỏi đất làm chuẩn), do đú hướng của tia sỏng mặt trời đối với mặt phẳng trỏi luụn luụn thay đổi theo thời gian.
Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia sỏng mặt trời và tõm của trỏi đất được biểu diễn như sau (hỡnh 2.12):
Hỡnh 2.12. Mụ tả cỏc gúc chiếu sỏng [2]
CM,CE, CP tương ứng là 3 trục đi qua tõm của trỏi đất và lần lượt hướng về đường kinh tuyến gốc, hướng đụng và trục thẳng đứng. Vector xỏc định vị trớ của mặt trời S được xỏc định dựa vào ma trận sau:
S = M M E P S S S = os os os sin sin c c c
Trong đú gúc quay theo giờ, là gúc lệch mặt trời
Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trớ nào đú trờn bề mặt trỏi đất ta cú sơ đồ xỏc định cỏc gúc như sau (hỡnh 2.13):
Hỡnh 2.13. Minh họa cỏc gúc nghiờng [2]
Khi đú vecto xỏc định vị trớ của mặt trời được xỏc định theo cụng thức:
S’ = os os Cos V H R S Sin S C Sin S C (1)
Trong đú là gúc nõng, là gúc nghiờng của dàn so với mặt phẳng nằm ngang.
Mặt khỏc ta cú gúc vĩ độ
=
Gúc quay quanh 3 trục lần lượt được xỏc định như sau:
Gúc quay quanh trục Z = Gúc quay quanh trục R’: = = Gúc quay quanh trục H: =
Từ đú ta xỏc định được phương của tia sỏng mặt trời đối với một điểm trờn mặt phẳng nghiờng:
Thay cỏc cụng thức đó biết ở trờn, ta được:
Từ đú ta tớnh được gúc tới của tia sỏng mặt trời:
2
và gúc nghiờng của dàn arcsin
Những giỏ trị ở trờn là những giỏ trị tổng quỏt trong tất cả cỏc trường hợp điều khiển hệ thống.
Khi xột trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo gúc phương vị và gúc nõng ( . Từ đú gúc và gúc sẽ tớnh được như sau:
Hỡnh 2.14. Mụ tả gúc nghiờng của trục trỏi đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nú
Hỡnh 2.14 mụ tả gúc nghiờng của trục trỏi đất so với mặt phẳng quỹ đạo trỏi đất một gúc 23,50, chớnh gúc nghiờng này đó tạo ra cỏc mựa trong năm. Ở nước ta, đụng chớ diễn ra vào khoảng ngày 21 thỏng 12, hạ chớ diễn ra vào ngày 21 thỏng 6, xuõn phõn xảy ra vào ngày 20 thỏng 3 và thu phõn diễn ra vào ngày 23 thỏng 9.
Từ những phõn tớch và cỏc kết quả nờu trờn, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động cú khả năng tạo ra hiệu suất cao hơn nhiều so với hệ thống cố định. Cụ thể, hệ thống xoay quanh 2 trục cho hiệu suất cao hơn 41,3% so với hệ cố định. Bởi vỡ chỳng cú lắp đặt hệ thống xỏc định phương hướng của mặt trời, do đú làm tăng thờm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày cú nắng. Lượng tiờu thụ năng lượng của bộ điều khiển khụng đỏng kể. Điều này khẳng định tớnh thiết thực của kết quả chọn lựa mụ hỡnh hệ thống pin mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta.
Ở Việt Nam, hiện nay rất ớt nhà khoa học quan tõm vấn đề này. Hỡnh 2.15 là một mụ hỡnh dàn pin tự xoay do một bạn sinh viờn tại trường Đại học Cụng nghiệp Thỏi Nguyờn, thiết kế và chế tạo. Dàn pin này được điều khiển theo thời
gian, 15 phỳt quay một lần, bằng gúc quay của mặt trời trong khoảng thời gian đú.
Hỡnh 2.15. Dàn pin xoay theo một trục
Hỡnh 2.16 dưới đõy là mụ hỡnh dàn pin xoay tự động một trục do tỏc giả Văn Cụng Bớch [ ] thiết kế và chế tạo. Dàn pin này được điều khiển theo cảm biến hướng tia sỏng mặt trời.
Hỡnh 2.16. Mụ hỡnh dàn xoay pin mặt trời tự xoay một trục cú gúc nghiờng ban đầu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1- Bộ truyền động; 2- Dầm chớnh dàn; 3- Khung dàn; 4- Động cơ; 5- Trụ đỡ; 6- Chõn trụ đỡ; 7- Bảng gắn hộp điều khiển; 8- Trục vĩ độ; 9-Gối đỡ ổ lăn; 10- Tay đỡ dàn.
Ở Hồ Chớ Minh, một người dõn đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay (hỡnh 2.17) (theo bỏo khoa học cho nhà nụng đang ngày 10/07/2008).
Hỡnh 2.17. Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay
Với hai kiểu dàn quay ở hỡnh 2.15 và 2.17 của hai tỏc giả trờn, nhược điểm của nú là khụng cú gúc nghiờng ban đầu nờn chỉ phự hợp để lắp ở những vị trớ cú vĩ độ thấp (gần xớch đạo). Hơn nữa, điều khiển tuyến tớnh khụng thớch hợp trong trường hợp này. (khi khụng cú mặt trời dàn vẫn xoay, làm tiờu hao năng lượng thu được của dàn).
Ở mụ hỡnh dàn quay hỡnh 2.16 của tỏc giả Văn Cụng Bớch cú nhược điểm là kết cấu yếu, nếu khối lượng dàn lớn và diện tớch dàn rộng thỡ khụng quay được, trong nghiờn cứu này tỏc giả Văn Cụng Bớch trong chưa khắc phục được nhược điểm của hệ thống điều khiển dàn pin tự động quay trở về vị trớ ban đầu.
Tỡm ra một hướng mới và tổng quỏt về dạng kết cấu xoay để giải quyết vấn đề về kết cấu, điều khiển, đú là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay cú thể lắp ở những vĩ độ khỏc nhau bằng cỏch tạo gúc nghiờng ban đầu cho dàn quay theo một quy
chuẩn khoa học. Điều khiển nhận tớn hiệu đầu vào từ bộ cảm biến quang điện và cụng tắc hành trỡnh, tớn hiệu đầu ra của bộ điều khiển dựng để quay động cơ.
Căn cứ vào những kết quả nghiờn cứu của cỏc tỏc giả trờn, căn cứ vào vị trớ địa lớ ở Việt Nam, căn cứ vào khả năng của bản thõn. Tỏc giả mạnh dạn lựa chọn phương ỏn thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh một trục cú gúc nghiờng vĩ độ ban đầu, hệ thống điều khiển thớch nghi.
Do dàn điều khiển thớch nghi nờn gúc tới của tia mặt trời được xỏc định bằng cảm biến, gúc nghiờng của dàn được xỏc định bằng gúc vị độ tại vị trớ đặt dàn.
Dàn được thiết kế lắp tại tỉnh Thỏi Nguyờn nờn gúc nghiờng theo vĩ độ bằng vĩ độ tại Thỏi Nguyờn:
= 21,560
Cỏc gúc vĩ độ tại cỏc vị trớ địa lớ khỏc được tra trong bảng
2.4. Kết luận
Trong chương này đó tỡm hiểu tỡnh hỡnh sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam, mức độ cũng như cỏc kiểu khai thỏc. Phõn tớch một số kiểu dàn pin hiện cú trờn thế giới, ưu nhược điểm của từng kiểu quay, một số giải phỏp quay mà cỏc nhà nghiờn cứu đang quan tõm. Tỡm hiểu mức độ ỏp dụng dàn quay tại Viờt Nam, từ đú tỏc giả lựa chọn một kiểu kết cấu dàn xoay để xõy dựng cỏc cụng thức lý thuyết tớnh toỏn cỏc thụng số chế tạo (bài toỏn vị trớ, động học, động lực học) cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khớ đồng thời khuyến nghị về mức cụng suất khởi điểm nờn đầu tư dàn tự xoay.
Chương 3
PHÁT TRIỂN Mễ HèNH TÍNH TOÁN THễNG SỐ CHẾ TẠO HỆ DẪN ĐỘNG DÀN TỰ XOAY