I. Tổng quan về ứng dụng linh kiện quang học cho xe điện
Nghiên cứu và ứng dụng linh kiện quang học trong hệ thống điện mặt trời cho xe điện đang trở thành xu hướng tất yếu. Xe điện giúp giảm phát thải khí CO2, hướng tới "giao thông xanh". Tuy nhiên, việc sản xuất và sạc pin xe điện vẫn gây ra phát thải gián tiếp. Tích hợp năng lượng mặt trời trực tiếp vào xe điện là giải pháp tiềm năng. Các hãng xe như Hyundai và Lightyear đã tích hợp tấm pin mặt trời trên nóc xe, nhưng hiệu suất còn hạn chế. Nghiên cứu tập trung vào nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện để đáp ứng nhu cầu xe điện hoàn toàn xanh trong tương lai. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo linh kiện quang học không tạo ảnh CPC (Compound Parabolic Concentrator) cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện.
1.1. Tiềm năng của năng lượng mặt trời trong ngành công nghiệp xe điện
Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện lưới, đặc biệt tại các thành phố lớn. Hệ thống điện mặt trời trên xe điện có thể sạc pin trực tiếp trong quá trình vận hành hoặc khi đỗ xe. Điều này góp phần giảm phát thải CO2 so với xe truyền thống và xe điện sử dụng điện lưới. Các trạm sạc năng lượng tái tạo như gió và mặt trời là giải pháp tối ưu. Xe điện giảm 70% lượng khí thải so với xe truyền thống, mang lại lợi ích lớn cho môi trường.
1.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển tấm pin mặt trời cho xe điện
Các hãng xe đã giới thiệu xe điện tích hợp năng lượng mặt trời, nhưng hiệu suất còn thấp. Ví dụ, xe Sonata của Hyundai chỉ chạy thêm được 3km nhờ tấm pin mặt trời. Xe Lightyear có thể chạy thêm 12km/ngày trong điều kiện nắng tốt. Các nghiên cứu tập trung vào nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện để đáp ứng nhu cầu xe điện hoàn toàn xanh. Công nghệ pin mặt trời hiệu suất cao (45%) có thể giải quyết vấn đề, nhưng chi phí còn cao.
II. Thách thức và giải pháp thiết kế linh kiện quang học cho xe điện
Việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong xe điện còn nhiều thách thức. Hiệu suất chuyển đổi quang điện cần được nâng cao để đáp ứng nhu cầu di chuyển thực tế. Chi phí pin mặt trời hiệu suất cao còn là rào cản lớn. Các nghiên cứu tập trung vào công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời để giảm diện tích pin mặt trời đa lớp. Linh kiện quang học hội tụ (gương cầu, thấu kính) được sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời vào một vùng nhỏ. Pin mặt trời đa lớp được đặt tại vị trí tiêu cự để chuyển đổi điện năng lượng mặt trời.
2.1. Vấn đề hiệu suất và chi phí của pin mặt trời đa lớp
Công nghệ pin mặt trời đã được cải tiến hiệu suất lên tới 45%, có thể giải quyết các ứng dụng trong xe điện. Tuy nhiên, giá thành vô cùng đắt đỏ khiến cho việc ứng dụng các công nghệ pin mặt trời đa lớp gặp những thách thức lớn. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc sử dụng công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời với mục đích kết hợp các linh kiện quang học hội tụ rẻ tiền để cắt giảm tối đa diện tích sử dụng pin mặt trời đa lớp đồng thời vẫn giữ nguyên được ưu điểm về hiệu suất của loại pin này.
2.2. Giải pháp sử dụng linh kiện quang học hội tụ ánh sáng mặt trời
Nguyên lý hoạt động của phương pháp năng lượng mặt trời hội tụ bao gồm các linh kiện hội tụ như gương cầu, thấu kính hoặc các linh kiện quang học không ảnh để hội tụ chùm ánh sáng mặt trời vào một vùng diện tích nhỏ. Một tấm pin năng lượng mặt trời đa lớp đặt ngay tại vị trí tiêu cự để hứng toàn bộ chùm năng lượng mặt trời hội tụ chuyển đổi thành điện năng từ đó tiết kiệm được diện tích của tấm pin mặt trời từ 3 tới 100 lần.
III. Thiết kế và mô phỏng linh kiện quang học CPC cho xe điện
Luận văn tập trung vào thiết kế và mô phỏng linh kiện quang học không tạo ảnh CPC (Compound Parabolic Concentrator). CPC cho phép thu được ánh sáng mặt trời trực tiếp và tán xạ với góc chấp nhận rộng. Mục tiêu là đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất có thể. Hệ thống điện mặt trời này được đặt cố định trên nóc xe điện với kích thước nhỏ gọn. Phần mềm LightTools được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế.
3.1. Nghiên cứu thiết kế bộ hội tụ parabol phức CPC cho xe điện
Tác giả đã nghiên cứu một thiết kế sử dụng các linh kiện quang CPC cho phép thu được các tia sáng trực tiếp và tán xạ của mặt trời với góc chấp nhận trong khoảng r 48o và hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất có thể lên đến 32 % được trình bày chi tiết trong Chương 2. Hệ thống này được đặt cố định trên nóc xe điện và có kích thước khoảng 35 mm. Các CPC được lựa chọn trong hệ này có hệ số hội tụ là 4 nhằm mục đích cân bằng giữa hiệu suất quang thu được và chi phí sản xuất.
3.2. Sử dụng phần mềm LightTools để mô phỏng quang học và tối ưu hóa
Tác giả sử dụng phần mềm LightTools để tiến hành mô phỏng các thiết kế đề xuất nhằm mục đích tìm ra thiết kế tối ưu nhất. Trong chương 3, tác giả trình bày chi tiết các bước xây dựng hệ thống chế tạo linh kiện quang học sử dụng máy CNC độ chính xác cao và hệ thống đo đạc đánh giá đặc trưng quang học của hệ thống chế tạo được.
IV. Chế tạo và thực nghiệm linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời
Luận văn trình bày chi tiết quy trình chế tạo linh kiện quang học sử dụng máy CNC độ chính xác cao. Hệ thống đo đạc được sử dụng để đánh giá đặc trưng quang học của hệ thống. Kết quả thực nghiệm gần như trùng khớp với kết quả mô phỏng, chứng minh tính chính xác của mô hình. Thiết kế có tính khả thi cao trong việc lắp đặt trên nóc xe điện, góp phần giải quyết vấn đề năng lượng.
4.1. Quy trình chế tạo linh kiện quang học bằng máy CNC
Các kết quả thực nghiệm mà tác giả đo đạc gần như không sai lệch nhiều với các kết quả mô phỏng, điều này cho thấy tính chính xác của các thiết lập mô phỏng cũng như tầm quan trọng của việc mô hình hóa nhằm dự đoán các tính chất quang trước khi chế tạo thực tế.
4.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm về hiệu suất quang điện
Các thiết kế mà tác giả đã nghiên cứu hoàn toàn có tính khả thi cao trong việc lắp đặt trên nóc xe điện, điều này góp phần giúp giải quyết vấn đề về năng lượng khi các nguồn năng lượng được dùng trong xe sử dụng động cơ đốt trong được lấy từ nguồn là dầu mỏ không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được, đặc biệt khi sử dụng chúng thải ra các khí gây ra hiệu ứng nhà kính.
V. Kết luận và hướng phát triển hệ thống điện mặt trời cho xe điện
Luận văn đã nghiên cứu thành công thiết kế và chế tạo linh kiện quang học CPC cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc ứng dụng năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào tối ưu hóa thiết kế, vật liệu và quy trình sản xuất để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.
5.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng của linh kiện quang học trong xe điện
Xe điện sử dụng những nguồn năng lượng xanh được coi là tương lai của ngành công nghiệp sản xuất ô tô khi giải được các bài toán này. Do đó, tác giả đã tiến hành nghiên cứu việc ứng dụng linh kiện quang học không tạo ảnh cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện.
5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa thiết kế và vật liệu
Luận án tập trung nghiên cứu về quy trình tối ưu hóa các thông số của linh kiện CPC nhằm nâng cao phần thu ánh sáng mặt trời trực tiếp sao cho diện tích sử dụng pin mặt trời đa lớp là nhỏ nhất; phân tích, so sánh trong các điều kiện chiếu sáng tại các khu vực khác nhau. Chế tạo linh kiện và tiến hành đo đạc thực nghiệm để so sánh với các kết quả mô phỏng.
