Nghiên Cứu Mẫu Xe Năng Lượng Mặt Trời Trong Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Ô Tô Máy Kéo

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu mẫu xe năng lượng mặt trời, ứng dụng công nghệ hiện đại, hướng tới phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Trí
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Hường
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu mẫu xe năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Ô Tô Máy Kéo

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào nghiên cứu và phát triển mẫu xe năng lượng mặt trời, một hướng đi tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô và máy kéo. Đề tài được thực hiện bởi Nguyễn Trọng Trí tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu ứng dụng năng lượng tái tạo vào giao thông. Luận văn gồm hai phần chính: thiết kế và thi công, nhằm tạo ra một mẫu xe thân thiện với môi trường, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn thạc sĩ là nghiên cứu và thiết kế một mẫu xe năng lượng mặt trời một chỗ ngồi, phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán lựa chọn động cơ, nguồn ắc quy, và hệ thống pin mặt trời. Đề tài cũng tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao tính kinh tế.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu mẫu xe năng lượng mặt trời không chỉ mang lại lợi ích về mặt môi trường mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ ô tô xanh. Mẫu xe này có thể được ứng dụng trong các khu du lịch, khu công nghiệp, và trường học, nơi yêu cầu về phương tiện di chuyển thân thiện với môi trường ngày càng cao.

II. Nghiên Cứu Mẫu Xe Năng Lượng Mặt Trời

Phần này tập trung vào việc phân tích và thiết kế mẫu xe năng lượng mặt trời, bao gồm các yêu cầu về động lực học, tính linh hoạt, và kỹ thuật. Luận văn đưa ra các phương án bố trí chung, từ việc lựa chọn động cơ điện đến thiết kế hệ thống pin mặt trời và ắc quy. Mục tiêu là tạo ra một mẫu xe có khả năng vận hành ổn định và hiệu quả trong điều kiện thực tế.

2.1. Phương án bố trí chung

Luận văn đề xuất các phương án bố trí chung cho mẫu xe năng lượng mặt trời, bao gồm việc lựa chọn động cơ điện, nguồn ắc quy, và hệ thống pin mặt trời. Các yêu cầu về động lực học và tính linh hoạt của xe được đặt lên hàng đầu để đảm bảo khả năng vận hành ổn định và hiệu quả.

2.2. Thiết kế kỹ thuật

Phần thiết kế kỹ thuật tập trung vào việc tính toán và lựa chọn các thành phần chính của xe, bao gồm động cơ, ắc quy, và hệ thống pin mặt trời. Luận văn cũng đề cập đến việc thiết kế khung xe và hệ thống lái, đảm bảo tính bền vững và an toàn trong quá trình vận hành.

III. Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời

Luận văn đi sâu vào việc nghiên cứu và phân tích hệ thống năng lượng mặt trời, bao gồm các nguyên lý hoạt động của pin mặt trời và quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Phần này cũng đề cập đến các yêu cầu kỹ thuật và phương án lựa chọn pin mặt trời phù hợp với điều kiện vận hành của xe.

3.1. Nguyên lý hoạt động

Hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện, trong đó ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng thông qua các tấm pin mặt trời. Luận văn phân tích chi tiết quá trình này, từ việc hấp thụ photon đến tạo ra dòng điện một chiều.

3.2. Yêu cầu kỹ thuật

Luận văn đưa ra các yêu cầu kỹ thuật cụ thể cho hệ thống năng lượng mặt trời, bao gồm hiệu suất chuyển đổi, độ bền, và khả năng hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Các phương án lựa chọn pin mặt trời cũng được đề xuất để đảm bảo hiệu quả tối đa.

IV. Thử Nghiệm và Kết Quả

Phần thử nghiệm tập trung vào việc đánh giá hiệu suất và khả năng vận hành của mẫu xe năng lượng mặt trời. Các thử nghiệm bao gồm đo thời gian sạc và sử dụng ắc quy, cũng như khả năng vận hành của xe trong điều kiện thực tế. Kết quả thử nghiệm cho thấy mẫu xe đạt được hiệu suất cao và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

4.1. Thử nghiệm thời gian sạc

Luận văn tiến hành thử nghiệm thời gian sạc ắc quy bằng năng lượng mặt trời, đánh giá hiệu suất của hệ thống pin mặt trời và khả năng tích trữ năng lượng của ắc quy. Kết quả cho thấy thời gian sạc phù hợp với yêu cầu vận hành của xe.

4.2. Thử nghiệm vận hành

Các thử nghiệm vận hành được thực hiện để đánh giá khả năng di chuyển và ổn định của mẫu xe năng lượng mặt trời. Kết quả cho thấy xe có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện đường xá khác nhau, đáp ứng được yêu cầu về tính linh hoạt và an toàn.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển

Luận văn kết luận rằng mẫu xe năng lượng mặt trời là một giải pháp tiềm năng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc cải tiến thiết kế, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã thành công trong việc nghiên cứu và thiết kế một mẫu xe năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam. Mẫu xe này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao.

5.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm việc cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, cũng như mở rộng ứng dụng của mẫu xe trong các lĩnh vực như giao thông công cộng và dịch vụ du lịch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Dòng qua diode: q.T Trong đó: Id: dòng qua diode [A/m2]; Is: dòng bão hòa của diode [A/m2]; q: điện tích electron, q=1,602. 10-19 [C]; k: hằng số Boltzmann, k = 1,381. 10-23 [J/K]; T: nhiệt độ lớp tiếp xúc [0K]; n: hệ số lý tưởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin Mặt Trời. Gần đúng có thể lấy n = 1.I I = I ph − I d − I sh = I ph − I s [ exp − 1] − (1.T Rsh Trong đó: Rs: nội điện trở của pin mặt trời [Ω] Rsh: điện trở shunt [Ω] 1.

Dòng ngắn mạch Isc Hình 1. Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 13 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0. Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (1.I I = I ph − I d − I sh = I ph − I s [ exp − 1] − s sc (1.T Rsh Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp RS có thể bỏ qua và Id = 0 và do đó có thể suy ra: Isc=Iph=α.4) Trong đó: E: cường độ sáng; α: hệ số tỷ lệ.

Ở điều kiện bình thường dòng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 14 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1. Điện áp hở mạch VOC Áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0.

Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (1.2) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau: n.T ⎛ I ph ⎞ VOC = ln ⎜ + 1⎟ (1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo công thức: P=U.I U OC 0 Tại điểm làm việc U = = 0 và U = = I SC , Công suất làm việc của I I pin cũng có giá trị bằng 0. Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 15 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Hình 1.

Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời Từ phương trình (1.2) ta thấy: - Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ 1. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính).

Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 16 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Hình 1. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời. Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 17 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI - Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin (hình 1. Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 18 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI - Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP.

Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời Trên hình vẽ 1.9 đường OA và OB là những đường đặc tính tải. Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA. Khi đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1. Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2.

Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải. Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 19 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2. Chọn mẫu xe sử dụng năng lượng mặt trời 2. Mục tiêu thiết kế Với mục đích thiết kế ra một sản phẩm có thể đưa vào sử dụng, một mẫu xe điện gọn nhẹ sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn cung cấp năng lượng điện góp phần giảm ô nhiễm môi trường thông qua việc sử dụng một nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống, siêu sạch, vô tận và miễn phí.

Do đó, mẫu xe cần có những yêu cầu sau: 2. Yêu cầu về động lực học: - Khả năng di chuyển nhẹ nhàng, êm dịu và ổn định. - Điều khiển dễ dàng. Có thể tới, lui, quay vòng ở tốc độ cho phép.

- Với các ưu điểm của động cơ DC là êm, ít ồn, không gây ô nhiễm môi trường, điều khiển nhẹ và dễ dàng. Và đặc biệt là động cơ DC có moment ở tốc độ thấp lớn nên thoả mãn nhu cầu đi lại và dừng thường xuyên. Ta chọn dùng động cơ điện DC. - Có nhiều mức tốc độ để vừa di chuyển trong khu viên nhỏ (trường học, công viên, khu công nghiệp, …) vừa có thể tham gia lưu thông.

- Tốc độ khi đi trên đường đạt đến 25 km/h. - Quãng đường đi được 30 km. - Có khả năng leo dốc hơn 10%. Yêu cầu về tính linh hoạt của xe: - Kích thước nhỏ gọn để di chuyển trong khuôn viên trường học, công sở, linh hoạt trên đường.

Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 20 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT - Trong điều kiện thời tiết không đủ nắng thời gian dài phải có hệ thống sạc bằng điện lưới 220V hoặc có hệ thống bình ắc quy dự phòng. - Khi hết bình ắc quy, phải có hệ thống báo sắp hết nguồn ắc quy. Yêu cầu khác: - Có hệ thống đèn, còi. Có khả năng che mưa, nắng.

- Cung cấp sự tiện nghi tốt nhất có thể cho người điều khiển. - Kết cấu đơn giản, bền, ít đòi hỏi bảo dưỡng sửa chữa. - Kiểu dáng đẹp, thanh nhã. - Giá thành thấp.

Yêu cầu kỹ thuật Xe được dùng chủ yếu trong các khu du lịch giải trí và hoạt động trong các khu công nghệ, di chuyển trên những đoạn đường bằng phẳng, ít gồ ghề với quãng đường ngắn…. Trên phương diện an toàn, xe phải thỏa những tính chất sau: - Xe có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo phù hợp với trình độ công nghệ chế tạo ở Việt Nam hiện nay. - Giá thành chế tạo xe thấp để có thể đưa vào sử dụng rộng rãi. - Xe có tuổi thọ cao.

- Trọng lượng nhẹ để đạt vận tốc cao. - Gia tốc luôn phải ở mức thấp. - Xe vừa chạy vừa có thể vừa nạp năng lượng. - Động cơ tương thích tối ưu với chủng loại panel.

- Thiết kế hệ thống cảm ứng xoay tấm panel theo hướng vuông góc để hấp thu tối đa nguồn năng lượng mặt trời. - Trọng tâm xe không quá cao để đảm bảo ổn định. - Hệ thống lái phải chính xác vì nếu khó lái sẽ dễ mất đà. - Hệ thống phanh đảm bảo an toàn cho người sử dụng xe.

Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 21 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT - Các yếu tố cơ khí động lực phải hài hòa: giảm tối đa lực cản, lực ma sát. - Phải có các tín hiệu báo sự an toàn (đèn phanh, còi, năng lượng, …). - Nguồn năng lượng dự trữ lớn để đảm bảo cho xe điện chạy lâu dài, ít tốn năng lượng, nâng cao tuổi thọ cho động cơ, bình ắc quy do đó xe điện phải có tự trọng nhỏ. - Bán kính quay vòng của xe càng nhỏ càng tốt.

Phương án xe năng lượng mặt trời 2. Phân tích các phương án 2. Phương án 1: Xe không có mái che, tấm năng lượng được bố trí thấp (xem hình 2. Mô hình xe năng lượng mặt trời không có mái che Ưu điểm: - Độ ổn định xe cao do phân bố trọng tâm thấp.

Nhược điểm: - Không có khả năng che mưa nắng cho người ngồi trên xe. Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 22 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT - Khoang hành khách chất hẹp do giới hạn bởi kích thước tấm pin. Phương án 2: Xe 4 bánh có mái che, tấm năng lượng bố trí trên trần xe (xem hình 2. Mẫu xe năng lượng mặt trời có mái che Ưu điểm: - Có khả năng che mưa, nắng cho người ngồi trên xe.

- Khoang hành khách rộng do tấm pin được bố trí bên trên. Nhược điểm: - Tăng lực cản do nhiều bánh xe. - Tổn hao công suất truyền lực. - Độ ổn định thấp hơn xe có tấm pin bố trí thấp.

Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 23 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT 2. Phương án 3: Xe 3 bánh đơn giản có mái che, với hai bánh trước dẫn hướng và một bánh sau chủ động, tấm năng lượng được bố trí trên trần xe (xem hình 2. Mẫu xe ba bánh (3x1) Ưu điểm: - Có kết cấu đơn giản. - Dễ bố trí tấm năng lượng mặt trời.

- Giảm lực cản. Nhược điểm: - Kết cấu hệ thống lái phức tạp. - Độ ổn định thấp hơn xe có tấm pin bố trí thấp (phương án 1) 2. Phương án 4: Xe 3 bánh đơn giản có mái che, với một bánh trước dẫn hướng và hai bánh sau chủ động, tấm năng lượng được bố trí trên trần xe (xem hình 2.

Luận văn Cao học ngành Ô tô – Máy kéo 2012 Trang 24 Chương 2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CHUNG MẪU XE NLMT Hình 2. Mẫu xe ba bánh (3x2) Ưu điểm: - Có kết cấu đơn giản.