Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế, chế tạo dàn pin mặt trời tự xoay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------  -------- VĂN CÔNG BÍCH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN VĂN DỰ ( BẢN TÓM TẮT) Thái nguyên – Năm 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP, ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN. HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN VĂN DỰ PHẢN BIỆN 1: PHẢN BIỆN 2: LUẬN VĂN SẼ ĐƯỢC BẢO VỆ TRƯỚC HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TẠI ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN VÀO LÚC: ...... GIỜ...... NGÀY...... THÁNG ...... NĂM 2010. . Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Sử dụng những nguồn năng lượng như: thang đá, dầu,…đã thải ra khí quyển một lượng chất thải nguy hiểm, những chất này làm cho trái đất ngày càng ấm lên, là nguyên nhân gây ra những biến đổi về khí hậu theo hướng tiêu cực. Để hạn chế những tác động trên, những nhà khoa học trên thế giới, những quốc gia phát triển đã tích cực tìm ra những nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng trên như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển,…, trong đó nguồn năng lượng lấy từ mặt trời được quan tâm nhiều hơn cả do những ưu việt về độ ổn định, tính dễ khai thác và cấu trúc đơn giản của hệ thống. Cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới. Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng dễ lưu trữ, dễ phân phối, truyền tải và tiện dụng nhất. Vấn đề khó khăn đặt ra là giá thành các tấm pin mặt trời thường rất đắt. Do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng. Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng 1800 so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin luôn có xu hướng hứng trọn ánh nắng mặt trời. Hệ thống xoay tự động là một hệ thống luôn giữ cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng hiệu suất của dàn pin. Hệ thống xoay tự động đã được F.M.AL NAIMA and N.A.YAGHOBIAM chế tạo năm 1990 [14] và được vận hành hoàn toàn dựa vào truyền dẫn cơ khí. Kể từ đó, đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển [2, 15, 16, 17, 18, 19] để tăng hiệu quả của các dàn năng lượng mặt trời. Mặc dù có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, phép xoay dàn năng lượng đều được phân tách thành hai chuyển động xoay độc lập: xoay theo góc phương vị và xoay theo góc vĩ độ. Nói theo góc độ cơ khí, có thể thực hiện xoay dàn năng lượng quanh 2 trục vuông góc với nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất cao hơn 40 % so với dàn cố định . Các dàn xoay quanh 1 trục theo hướng Bắc – Nam, mặc dù có hiệu suất thấp hơn khoảng 10% so với dàn quay 2 trục, nhưng lại có kết cấu đơn giản hơn hẳn . Công suất cần thiết để xoay dàn thường chiếm khoảng 10 đến 30% công suất điện thu được từ dàn pin mặt trời. Điều này cho phép có thể xem xét đầu tư cho bài toán thiết kế, chế tạo các hệ thống dẫn động và điều khiển dàn tự xoay [2]. Mặc dù đã có nhiều dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng đến nay chưa có một tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí nào cho các hệ thống này được công bố. Kết cấu, kích thước chế tạo của các dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm. Quan tâm đến vấn đề này, có nhiều câu hỏi cần được trả lời, chẳng hạn như: 1) Xác định kết cấu khung – dàn như thế nào để đủ bền? 2) Động học và động lực học của hệ truyền động cần được xác định như thế nào? 3) Có thể xây dựng công thức chung để xác định các thông số chế tạo của hệ khung dàn và hệ dẫn động được không? 4) Hiệu quả về năng lượng, giá thành của các hệ thống tự xoay? Đề tài này được thực hiện nhằm thử nghiệm trả lời hai câu hỏi 1 và 2, đồng thời ứng dụng để chế tạo thử nghiệm một hệ thống dàn tự xoay theo hướng tia sáng. Kết quả tính toán và mô hình thử nghiệm này có thể được dùng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để trả lời hai câu hỏi 3 và 4. 1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài có mục tiêu chủ yếu là Thiết kế và Chế tạo khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời có một bậc tự do. Các mục tiêu cụ thể là: 1) Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp; 2) Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có công suất 500 W. 3) Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển; 4) Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự. 1.3. Đối tượng nghiên cứu 1) Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay; 2) Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời. 3) Mô hình thực tế. 1.4. Phương pháp nghiên cứu. 1) Thu thập và phân tích dữ liệu về quy luật chuyển động của trái đất xung quanh mặt trời theo các mùa trong năm, quy luật chuyển động của mặt trời trong một ngày; 2) Lựa chọn phương án truyền dẫn và kết cấu hệ thống dàn pin tự xoay; 3) Xác định tải tác dụng lên hệ thống, bao gồm cả ảnh hưởng của gió bão; 4) Ứng dụng các kiến thức về tính bền, động học và động lực học truyền dẫn cơ khí để thiết kế và chế tạo mô hình thực; 5) Phân tích kết quả vận hành thử nghiệm để đưa ra các lưu ý và chỉ dẫn thiết kế. 1.5. Các kết quả đạt được Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời. Dưới đây là các kết quả chính mà nghiên cứu này đạt được: 1. Đã giới thiệu và phân tích quy luật chuyển động tương đối của mặt trời, dùng làm cơ sở xác định nguyên tắc xoay dàn năng lượng; 2. Đã giới thiệu cách tính toán thiết kế hệ khung dầm đảm bảo điều kiện bền; 3. Đã tính toán, lựa chọn và bố trí hệ truyền động đáp ứng được yêu cầu về động học và động lực học của hệ thống; 4. Đã thiết kế, chế tạo và lắp ráp thành công một mô hình dàn đỡ pin mặt trời tự xoay theo một trục và có góc nghiêng ban đầu cố định; 5. Đã vận hành thử nghiệm và phân tích các ưu, nhược của kết cấu cơ khí, từ đó thấy được các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, chế tạo dàn năng lượng tự xoay. 1.6. Cấu trúc luận văn. Luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: trình bày những tác động đến môi trường sống do việc sản năng lượng điện từ thang đá, khí ga, thủy năng,…, những ưu điểm của nguồn năng lượng được sản xuất từ mặt trời. Tìm hiểu tình hình sử dụng năng lượng mặt trời và các kiểu dàn đỡ pin trên thế giới và ở Việt Nam. Chương 2: tìm hiểu quy luật thay đổi phương của tia trực xạ mặt trời đối với một điểm nằm trên mặt phẳng trái đất ở những vị trí khác nhau và vào những thời điểm khác nhau để áp dụng kiểu điều khiển phù hợp. Phân tích, so sánh ưu nhược điểm của từng loại dàn đỡ để từ đó đưa ra lựa chọn kiểu dàn tối ưu. Chương 3: Thiết kế, chế tạo dàn đỡ pin quay theo một trục và nghiêng cố định theo một góc. Chương 4: Lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin, tìm ra nững nhược điểm cần khắc phục, hướng dẫn lắp đặt và vậ hành, bảo dưỡng, đưa ra những khuyến cáo khi ứng dụng dàn pin tự xoay. Chương 5: Kết luận và đề xuất. Chương 2: Tổng quan 2.1. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão,... đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng. Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm. Trước thực trạng trên, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những những nguồn năng lượng thay thế. Một trong những giải pháp chủ yếu là tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng lượng mà khi khai thác cũng như tiêu thụ tác động ít nhất đến môi trường như: năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời,…Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, có ở khắp trên bề mặt của trái đất. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vô tận.Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2]. Nếu thu năng lượng mặt trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3]. Tại Việt Nam, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng 2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản xuất từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009% [4]. Việt Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khai thác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác [5]. 2.2. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau: Chuyển năng lượng mặt trời thành cơ năng. Hình 2.1 là một động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xuân Hùng nghiên cứu. Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng. Hình 2.2 là bếp sử dụng năng lượng mặt trời. Hình 2.2. Bếp năng lượng mặt trời. Chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng. Đây là một kiểu khai thác năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay. Dàn pin mặt trời. Hình 2.3 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha và nhà máy này cung cấp một lượng điện cung cấp đủ cho 8000 hộ dân. Hình 2.3. Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha [7] Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời. Hình 2.4 là một chiếc du thuyền hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, tổng diện tích của các tấm pin lắp trên thuyền là 356 (m2) và có thể tích điện để thuyền vận hành trong 72 giờ mà không cần ánh sáng mặt trời [6]. Hình 2.4. Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời [6] Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng, tích trữ trong các bình ắc-quy hoặc hòa vào lưới điện, được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Do đó chủ động trọng việc cung cấp năng lượng. Hiện nay, các nhà chế tạo đã sản xuất ra được các tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng trắng (không có ánh nắng mặt trời vẫn sản xuất được điện năng), không lệ thuộc vào ánh sáng mặt trời. Tấm pin năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp thụ cao nhất khi tia sáng của mặt trời luôn vuông góc với mặt phẳng tấm thu. Vấn đề này được giải quyết bằng cách lắp những tấm pin năng lượng mặt trời trên dàn pin xoay được, dàn pin này luôn luôn hướng tấm pin vào mặt trời vuông góc với tia sáng mặt trời. 2.3. Một số kiểu dàn pin tự xoay 2.3.1. Nguyên tắc xoay Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó. Năng lượng hấp thụ giảm dần theo cosin của góc phương vị , hình 2.3 thể hiện vấn đề đó. Hình 2.5. Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm ngang [2] Nguyên tắc xoay của dàn pin là luôn luôn hướng dàn pin vào mặt trời sao cho góc được tạo bởi giữa phương của tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới  trên hình vẽ) là nhỏ nhất. Nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế các kiể dàn xoay. 2.3.2. Các kết cấu xoay Hiện nay, trên thế giới, có nhiều kiểu dàn tự xoay đang được vận hành, khai thác cả ở phạm vi công nghiệp lẫn trong các phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, có thể xếp các kết cấu xoay theo các nhóm dưới đây. Kết cấu xoay một trục. Dàn pin xoay quanh một trục và có góc nghiêng ban đầu (góc vĩ độ), hình 2.6 là cấu trúc và mô hình của một kiểu dàn pin tự xoay kểu này. Hin h 2.6. Dàn pin tự xoay theo một trục [2] Hình 2.7. Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn[2] Kết cấu xoay hai trục. Tính toán theo lý thuyết, năng lượng đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động dựa trên giả thiết rằng cường độ bức xạ lớn nhất là I = 1100W/m2 và tia bức xạ luôn vuông góc với bề mặt tấm pin và giàn sẽ xoay tự động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của giànW1 = 13,2 kWh/m2. Trong khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W2 = 8,41 kWh/m2 . So sánh hai giá thị này ta thấy năng lượng hấp thụ của dàn 2 trục xoay tự động sẽ cao hơn 57% so với dàn cố định. Nhưng khi góc theo dõi của dàn 2 trục lớn hơn  600 thì năng lượng thu được của dàn sẽ không chênh lệch nhiều so với dàn cố định và được minh họa như biểu đồ ở hình 2.8 [3]. Hình 2.8. Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định giảm dần khi góc quay tăng dần Trong điều kiện trời nhiều mây, sương mù kéo dài làm giảm hiệu suất đầu ra của giàn 2 trục xoay tự động xuống khoảng 20%. Nói chung, ở những khu vực có điều kiện tốt thì hàng năm hiệu suất đầu ra được tăng khoảng 30-40%. Mặt khác, năng lượng hấp thụ trong ngày có thể tăng từ 0-100% [4]. Năm 2000 Helwa et al đã làm thí nghiệm để so sánh hiệu suất đầu ra của dàn 2 trục xoay theo góc phương vị và góc vĩ độ (hình 2.9) với dàn cố định nghiêng một góc 400 so với phương ngang. Dàn 2 trục được điều khiển qua một bộ vi xử lý trung tâm. Công suất tiêu thụ của bộ vi xử lý, các thiết bị điện, các sensor điều khiển và các động cơ điện vào khoảng 50Wh/ngày hay 22Wh/ngày khi mà độ chính xác của dàn tương ứng là  0.560 và  100. Kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất của dàn 2 trục lớn hơn 30% so với giàn cố định như trên [5]. Hình 2.9. Mô phỏng kiểu dàn quay 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và một trục quay theo góc vĩ độ. Năm 2007, Chicco et al đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do và dàn cố điịnh đươạ đặt tại ba vị trí. Ở vị trí thứ nhất, ông điều khiển quay riêng lẻ một trục của giàn 2 trục để so sánh với dàn cố định có góc phương vị 00 và nghiêng một góc 360. Ở vị trí thứ 2, ông điều khiển quay độc lập 2 trục của dàn xoay so với dàn cố định có góc phương vị 00 và có góc nghiêng 300 . Ở vị trí thứ 3, vị trí các tấm pin của dàn 2 trục sẽ được thay đổi 15 phút một lần so với dàn cố định nghiêng một góc 300 so với phương ngang. Kết quả thu được trung bình hàng năm như sau, dàn 2 trục có hiệu suất hơn 32,9%, 35,1% từ mô phỏng và 37,7%, 30,4% từ thực nghiệm tương ứng tại 2 vị trí đầu. Ở vị trí thứ 3, dàn 2 trục có thể đạt hiệu suất 31,5% hàng năm [6]. Ngoài những ưu điểm so với giàn cố định như trên, dàn 2 trục xoay tự động cho hiệu suất đầu ra lớn hơn so với dàn 1 trục xoay tự động. Điều đó đã được chứng minh qua nghiên cứu của Gordon et al . Ông đã mô phỏng thí nghiệm nhờ sự hỗ trợ của máy tính để so sánh hiệu suất hấp thụ ánh sáng giữa dàn theo dõi theo 2 trục với giàn 1 trục xoay theo trục Bắc-Nam và dàn quay quanh trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ tại nơi lắp đặt (hình 4). Kết quả thu được, bộ thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay quanh trục Bắc-Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tướng ứng với góc vĩ độ hàng năm (7). Hình 2.10. Mô phỏng dàn xoay quanh trục nghiêng một góc  tương ứng với góc vĩ độ Kalogirou SA đã tính toán dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ thống năng lượng hai trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục Đông – Tây. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống 2 trục lớn hơn 10,9% so với hệ thống theo dõi 1 trục trên [7]. Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ thống 1 trục xoay tự động. Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá nhiều so với hệ thống cố định. Gần đây nhất, năm 2009 Sefa et al đã làm thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so với hệ thống cố định. Kết quả cho thấy cống suất đầu ra của hệ thống xoay tự động lớn hơn khá nhiều so với kiểu cố định [8]. Kết quả thu được như ở hình 2.7: Các hệ thống năng lương 1 trục xoay tự động mới chỉ tạo ra hiệu suất cao trong một mùa nhất định do trái đất luôn quay quanh trục nó. Các góc độ chiếu lên tấm pin của các tia bức xạ luôn thay đổi. Do đó hiệu suất giữa các mùa không ổn định. Hệ thống có giàn quay quanh 2 trục xoay tự động khắc phục được nhưng nhược điểm trên . Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay quanh 2 trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S. Abdallah, S. Nijmeh [9] cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao hơn rất nhiều so với giàn cố định. Ông đã đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình2.11: Hình 2.11. Biểu đồ mô tả công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố định. Trong kết luận ông có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất cả các mùa lớn hơn 41,3 % lần so với hệ thống giàn cố định. 2.3.3. Các phương án điều khiển Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương án xoay được trình bày theo sơ đồ ở hình 2.7 . Mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm. Hình 2.12. Các kiểu điều khiển [2] 2.2.4. Cở sở để xoay dàn pin. Mặt trời quay quanh quỹ đạo trái đất ( lấy trái đất làm chuẩn), do đó hướng của tia sáng mặt trời đối với mặt phẳng trái luôn luôn thay đổi theo thời gian. Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia sáng mặt trời và tâm của trái đất được biểu diễn như hình sau: Hình 2.13. Mô tả các góc chiếu sáng [2] CM,CE, CP tương ứng là 3 trục đi qua tâm của trái đất và lần lượt hướng về đường kinh tuyến gốc, hướng Đông và trục Polaris. Vector xác định vị trí của mặt trời S được xác định dựa vào ma trận sau:  SM    S = SE    SP  cos cos    = cos sin    sin   Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trí nào đó trên bề mặt trái đất ta có sơ đồ xác định các góc như hình sau: Hình 2.14. Minh họa các góc nghiêng [2] Khi đó vecto xác định vị trí của mặt trời được xác định theo công thức:  SV   Sin      (1) S’ = SH  Cos Sin      SR  Cos Cos  Mặt khác ta có góc vĩ độ  Cos    0   Sin 0 1 0 Sin     Cos  0 Góc quay quanh 3 trục đươc lần lượt xác định lần lượt như sau: 0 1     0 Cos  0 Sin  0   Cos    Sin  ;    Sin  0 Cos    Sin 0   Cos   Cos 0  ;    0   Sin 0 1   Sin   0  0 Cos  0 1 Từ đó ta xác định được S’ 0 1  S’ = .. ..S =  0 Cos  0 Sin    Cos   Sin   Sin Cos   0 0  Sin 0   Cos   Cos 0   0 0 1    Sin Sin  cos cos   0   cos sin    0 Cos  sin  0 1 (2) Từ (1) và (2) ta tìm được góc cao độ của dàn:   arcsin  Cos Cos (cos cos cos  cos sin  sin  sin   sin  cos sin  ) cos sin  (sin  sin   cos sin  cos )  sin  (cos cos sin   cos sin  cos  sin  cos cos ) Góc nghiêng của dàn: cos cos (sin  cos  cos sin  sin   cos sin cos cos    sin  (sin  sin   cos sin  cos )   Sin   cos Từ đó ta tính được góc tới của tia sáng mặt trời:     và góc nghiêng của dàn   arcsin  2 Những giá trị ở trên là những giá trị tổng quát trong tất cả các trường hợp điều khiển hệ thống. Khi xét trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo góc phương vị và góc cao độ, góc   0;   0.và.   0 . Từ đó góc  và góc  sẽ tính được như sau:   2  arcsin  sin  sin   cos cos cos   cos sin   và.  arcsin   , khi.cos  0  cos   cos sin   hay.    arcsin   , khi.cos  0  cos Trên thế giới có rất nhiều vùng lãnh thổ khác nhau. Mỗi một đất nước có những đặc tính vị trí địa lý và khí hậu riêng biệt. Vì vậy, góc độ lắp đặt và kết cấu của các hệ thống năng lượng mặt trời ở mỗi nơi cũng khác nhau. Nước ta là một nước khí hậu nhiệt đới gió mùa, hằng năm số giờ nắng khoảng 1.500 đến 3.000 giờ/năm và nhiệt độ từ 5°C đến 37°C. Tổng lượng bức xạ thực tế chỉ chiếm 50 - 60% tổng lượng bức xạ lý thuyết và đạt khoảng 124 - 126 Kcal/cm2/năm. Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam khá dồi dào, thuộc loại hàng đầu thế giới. Để tạo ra 1 KW từ điện mặt trời, ở Việt Nam chỉ cần 8 m2 pin nhưng ở Đức thì phải tới 24 m2 cũng phần nào nói lên điều đó [10]. Nhưng hiện nay, Đức là một nước có nhà máy điện từ năng lượng mặt có tổng công suất 400Mwp lớn nhất thế giới [11]. Sở dĩ nước Đức có được như vậy là họ đã sớm nhận thấy rằng khai thác nguồn năng lượng mặt trời là một hướng đi cần thiết trong tương lai, khi mà nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Cho đến nay, nước Đức đã đầu tư hàng tỉ đô la Mỹ để xây dựng các nhà máy điện mặt trời trải khắp đất nước. Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay mới chỉ xây dựng được trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về năng lượng mặt trời. Các cơ quan khoa học khác nhau như Trung tâm Năng lượng mới Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, Viện năng lượng thuộc Tổng Công ty điện lực Việt Nam, Trung tâm phát triển công nghệ mặt trời SOLARLAB của Viện Vật Lý Trung tâm khoa học tự nhiên và công ty SELCO… hiện nay đã tiến hành nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời nhưng còn tản mạn và chưa có tính ứng dụng cao. Mới đây, tổ chức Solar Serve của Hà Lan đã tặng 1200 bếp năng lượng mặt trời cho các hộ gia đình nghèo nông thôn miền Trung, và vào thàng 5/2005, hệ thống điện mặt trời do SOLARLAB lắp đặt trên đảo Trường Sa đã đi vào hoạt động, chính thức cung cấp điện liên tục 24/24 cho sinh hoạt và liên lạc viên thông của các chiến sĩ bảo vệ đảo. Hình 2.15. Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất. Hình 2.16 mô tả góc nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất một góc 23,5 0, chính góc nghiêng này đã tạo ra các mùa trong năm. Ở nước ta, đông chí diễn ra vào khoảng ngày 21 tháng 12, hạ chí diễn ra vào ngày 21 tháng 6, xuân phân xảy ra vào ngày 20 tháng 3 và thu phân diễn ra vào ngày 23 tháng 9. Ngoài ra, nước ta là một nước thường xuyên gặp phải nhưng cơn bão xâm nhập vào đất liền, thường thì sức gió mạnh nhất ở vùng gần tâm bão mạnh cấp 10, cấp 11 (tức là từ 89 đến 117 km một giờ). Áp lực tác dụng vào giàn pin rất lớn, do đó vào lúc này ta điều khiển giàn quay về vị trí cân bằng nằm ngang. Giữa các tấm pin ghép với nhau ta không gắn khít lại mà để những khe hở khoảng 2-3 cm để gió có thể lùa qua. Từ những phân tích và các kết quả nêu trên, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động có 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 vì chúng có lắp đặt hệ thống xác định phương hướng của mặt trời, do đó làm tăng thêm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày có nắng. Lượng tiêu thụ năng lượng của bộ điều khiển không đáng kể. Điều này khẳng định tính thiết thực của kết quả chọn lựa mô hình hệ thống pin mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta. Ở Việt Nam, hiện nay rất ít nhà khoa học quan tâm vấn đề này. Hình 2.16. Là một mô hình dàn pin tự xoay do một bạn sinh viên tai trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, thiết kế và chế tạo. Dàn pin này được điều khiển theo thời gian, 15 phút quay một lần, bằng góc quay của mặt trời trong khoảng thời gian đó. Hình 2.16. Dàn pin xoay theo một trục Ở Hồ Chí Minh, một người dân đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay hình (2.37) (theo báo khoa học cho nhà nông đang ngày 10/07/2008). Hình lượng mặt 2.17. Bếp thu năng trời tự xoay Với hai kiểu dàn quay của hai tác giả trên, nhược điểm của nó là không có góc nghiêng ban đầu nên chỉ phù hợp để lắp ở những vị trí có vĩ độ thấp (gần xích đạo). Hơn nữa, điều khiển tuyến tính không thích hợp trong trường hợp này ( khi không có mặt trời dàn vẫn quay, làm tiêu hao năng lượng thu được của dàn). Tìm ra một hướng mới để giải quyết vấn đề trên, đó là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay có thể lắp ở những vĩ độ khác nhau bằng cách tạo góc nghiêng ban đầu cho dàn quay theo một quy chuẩn khoa học. Điều khiển dàn quay không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào hướng của tia sáng mặt trời. Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, căn cứ vào vị trí địa lí ở Việt Nam, căn cứ vào khả năng của bản thân. Tác giả mạnh dạng lựa chọn phương án thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh một trục có góc nghiêng ban đầu ( ) được điều khiển thích nghi. 2.4. Kết luận Trong chương này đã tìm hiểu tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam, mức độ cũng như các kiểu khai thác. Phân tích một số kiểu dàn pin hiện có trên thế giới, ưu nhược điểm của từng kiểu quay, một số giải pháp quay mà các nhà nghiên cứu đang quan tâm. Tìm hiểu mức độ áp dụng dàn quay tại Viêt Nam, từ đó lựa chọn cho mình một kiểu dàn quay để nghiên cứu, thiết kê. Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN TỰ XOAY 3.1. Giới thiệu Trong chương 2 đã trình bày một số kiểu dàn tự xoay đang được nghiên cứu, từ đó đã lựa chọn một kiểu dàn tự xoay phù họp với các điều kiện ở Việt Nam. Trong chương này trình bày cách tính toán thiết kế hai dàn pin tự xoay có công suất lần lượt là 500W và 40W. Các công thức tính toán được sử dụng trong chương này được lấy từ các tài liệu về chi tiết máy, sức bền vật liệu chuẩn. Phần mềm RDM được sử dụng để kiểm tra độ bền của khung đã thiết kế. Sơ đồ kết cấu hệ thống được giới thiệu trong phần 3.2 tiếp theo. Trong phần 3.3 sẽ trình bày quá trình tính toán thiết kế dàn pin có công suất phát điện 500W. Tiếp theo, trong phần 3.4, kết cấu cơ khí của một dàn pin 40W được tính toán theo cách thức tương tự. Kết quả này sẽ được sử dụng để phục vụ cho việc chế tạo một mô hình thực. Việc tính toán cả hai dàn có công suất khác nhau nhằm khẳng định rằng, với các giá trị công suất khác nhau, công suất cần thiết để xoay dàn nhỏ hơn nhiều so với công suất điện mà dàn có thể phát ra. 3.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống 3.2.1. Mô đun cơ khí Sau khi tham khảo các hệ thống các kiểu dàn quay, sơ đồ kết cấu dàn quay một trục có ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo, vận hành nhưng hiệu suất không thấp hơn nhiều so với dàn 2 trục. Kết cấu này được minh họa trên hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ dàn pin 1- Dàn. 2- Bộ truyền động. 3- Trục quay. 4- Trụ đỡ. 5- Ke tăng lực. 6- Chân đế. 7- Gối đỡ Toàn bộ dàn quay (1) được liên kết với truc quay (3) được gá trên hai gối đỡ (7). Trục quay nhờ vào vào truyền động từ động cơ (2) thông qua bộ giảm tốc cơ khí, trụ đỡ (4) có đế (6) đỡ toàn bộ hệ thống dàn (dàn quay, trục truyền động, động cơ và hộp giảm tốc). Giữa trụ đỡ và chân dàn có hàn các ke tăng lực (5) để tăng độ cứng vững. Khi dàn pin mặt trời quay đến vị trí có phương của tia sáng vuông góc với mặt phẳng tấm thu thì dừng lại trong khoảng thời gian 15 phút, không di chuyển dưới tác dụng của bất kì lực nào. Để đảm bảo được điều này, trục quay của dàn pin phải đứng yên. Thêm nữa, tốc độ xoay của dàn không nên quá lớn để tránh rung động do quán tính khi khởi động và khi dừng. Vì vậy, bộ giảm tốc trục vít-bánh vít được lựa chọn để truyền chuyển động từ động cơ đến trục quay của dàn. Ưu điểm của loại bộ truyền này là có tính tự hãm, tỉ số truyền lớn, phù hợp với yêu cầu của thiết kế. Việc tính toán thiết kế khung, trục, lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động cung cấp cơ năng cho trục sẽ được trình bày trong phần 3.3. 3.2.2. Mô đun điều khiển Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đầu vào từ cảm biến hoặc sensor để xử lý. Tín hiệu sau khi được xử lý sẽ điều khiển động cơ hoạt động quay thuận hay quay nghịch tùy thuộc vào tín hiệu từ hai cảm biến truyền về. Nếu cảm biến phía đông phát tín hiệu thì trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh điều khiển động cơ quay để xoay dàn về hướng Đông. Ngược lại, khi cảm biến phía Tây có tín hiệu thì bộ phận điều khiển sẽ ra lệnh động cơ quay theo chiều ngược lại. Dưới đây là các bước cụ thể thiết kế và lựa chọn các phần của dàn quay. 3.3. Thiết kế khung dàn 500W 3.3.1. Lựa chọn kiểu pin Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời, tùy thuộc vào chất lượng mà mỗi tấm pin có gía thành khác nhau, công suất của mỗi tấm từ 25W đến 280W (thùy thuộc vào số cell trên một tấm). Để đơn giản trong việc chế tạo, lắp ráp ta chọn tấm pin có các thông số trình bày như sau: Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của tấm pin cố công suất 250W Tên gọi Mẫu Vật liệu chế tạo Thông số ZTX-P250W polycrystylline Công suất cực đại 250W Sai số 5% Công suất điện thế cực đại (Vpm) 33 Công suất cường độ dòng điện cực đại (Ipm) 7.58 Điện thế mở mạch (Voc) 40.2