Đặt vấn đề Với gần 20% năng lượng được tiêu thụ trên khắp thế giới cho sưởi ấm, điều hòa, điện hoặc giao thông vận tải đến từ các nguồn năng lượng tái tạo bao gồm sinh khối, địa nhiệt, năng lượng mặt trời, thủy điện, gió và nhiên liệu sinh học. Các nguồn năng lượng tái tạo hiện tạo ra 1/4 lượng điện toàn cầu, dự kiến sẽ tăng lên 45% vào năm 2040. Phần lớn mức tăng có thể đến từ năng lượng mặt trời, gió và thủy điện. Khả năng tạo ra những tiến bộ trong công nghệ này sẽ đòi hỏi nỗ lực của các kỹ sư lành nghề, những người đánh giá cao những thách thức liên quan đến cả việc thu thập và sử dụng năng lượng tái tạo.
Xe bán tự động là một giải pháp di động phổ biến trong việc cung cấp dịch vụ và bán hàng. Tuy nhiên, xe bán tự động truyền thống vẫn phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng từ nguồn điện lưới hoặc động cơ đốt trong, gây tác động tiêu cực đến môi trường và tiêu tốn nhiều năng lượng. Do đó, nhóm đã tìm hiểu để tham gia thiết kế chế tạo thiết bị có khả năng thu thập và sử dụng năng lượng mặt trời tái tạo để di chuyển vật nặng trong các nhà máy và xí nghiệp.2 Xác định vấn đề Một trong những vấn đề chính đối với xe bán tự động là nguồn năng lượng tiếp cận. Sự phụ thuộc vào nguồn điện lưới hoặc nhiên liệu hóa thạch không chỉ tăng chi phí hoạt động mà còn gây ra khí thải và ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, quá trình nạp lại năng lượng cũng có thể gặp khó khăn khi xe phải di chuyển liên tục hoặc không tiếp cận nguồn điện lưới. Do đó, một giải pháp hấp dẫn là phát triển xe bán tự động sử dụng năng lượng mặt trời, tận dụng nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường. Vấn đề này yêu cầu các nhà nghiên cứu và kỹ sư tìm hiểu cách tích hợp công nghệ pin mặt trời vào xe bán tự động một cách hiệu quả. Đồng thời, cần xác định các thách thức kỹ thuật như việc tích hợp hệ thống pin vào xe, tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tái nạp năng lượng trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
Bằng cách tìm hiểu và giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể phát triển xe bán tự động sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp bền vững, giảm thiểu tác động môi trường và tiết kiệm năng lượng. Khảo sát thông tin 2.1 Giải pháp/sản phẩm đang có trên thị trường Có nhiều nhà máy giấy được xây dựng gần khu rừng để tiếp cận nguồn nguyên liệu gỗ, một số nhà máy đã chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời để giảm thiểu tác động của sản xuất đến môi trường. Sau đây là một số nhà máy giấy sử dụng năng lượng mặt trời: 11 KHOA CƠ KHÍ – CƠ ĐIỆN TỬ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS – PHENIKAA UNIVERSITY • Asia Pulp and Paper (APP) - Nhà máy giấy này được xây dựng tại khu rừng ở Indonesia và là một trong những nhà sản xuất giấy lớn nhất thế giới. • Sinar Mas Group - Tập đoàn Sinar Mas có nhiều nhà máy giấy ở Indonesia và các nhà máy này được xây dựng gần các khu rừng để sử dụng nguyên liệu gỗ địa phương.
• Iternational Paper - Nhà máy giấy ở Savannah, Georgia, Hoa Kỳ, có hệ thống năng lượng mặt trời với hơn 3.000 tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái nhà để cung cấp điện cho văn phòng và nhà máy sản xuất. • Suzano Papel e Celulose - Nhà máy giấy tại Brazil đã đầu tư vào hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp cho nhà máy sản xuất. • Stora Enso - Nhà máy giấy ở Langerbrugge, Bỉ, đã lắp đặt 12.000 tấm pin mặt trời để cung cấp cho một phần hoạt động sản xuất.2 Tư liệu tham khảo • Design and Development of Solar-Powered Autonomous Material Handling Robot for Warehouse Operations, M. Das, 2019 • Development of Solar-Powered Autonomous Transport Robot for Indoor Logistics, A.
Díaz-Madroñero, 2020 • Solar-Powered Autonomous Robot for Warehouse Picking Tasks, J. Igual, IEEE Robotics and Automation Letters, 2019 • Solar-Powered Delivery Robot for Industrial Warehouses, F. Wang, 2019 Các đề tài trên đề cập đến các nghiên cứu và phát triển của robot vận chuyển hàng sử dụng năng lượng từ pin mặt trời trong môi trường nhà máy và kho hàng.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu tổng quát đồ án sử dụng năng lượng mặt trời là giảm thiểu sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch và tăng cường sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời, robot có thể hoạt động mà không gây ra khí thải và ô nhiễm, đồng thời giảm chi phí vận hành và bảo trì.
Đồ án sẽ thiết kế và chế tạo một robot có thể tự sạc và hoạt động dựa trên năng lượng mặt trời tích trữ. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các bộ cảm biến để thu thập thông tin, các bộ xử lý để điều khiển hoạt động của robot và hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn năng lượng cho robot.2 Mục tiêu chi tiết • Thiết kế một hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả để cung cấp đủ năng lượng cho robot. Điều này bao gồm sử dụng các tấm pin mặt trời có hiệu suất cao và hệ thống lưu trữ năng lượng để cung cấp năng lượng cho robot trong các điều kiện ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng. 12 KHOA CƠ KHÍ – CƠ ĐIỆN TỬ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS – PHENIKAA UNIVERSITY • Tối ưu hóa hoạt động của robot để tiết kiệm năng lượng.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời không đồng nghĩa với việc nguồn năng lượng là không giới hạn, do đó cần tối ưu hóa hoạt động của robot để tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất. • Phát triển phần mềm để điều khiển hoạt động của robot. Điều này bao gồm phát triển các thuật toán để điều khiển robot, xử lý dữ liệu từ các bộ cảm biến, và tương tác với người sử dụng. • Kiểm tra và đánh giá hoạt động của robot.
Việc kiểm tra và đánh giá hoạt động của robot là cần thiết để đảm bảo rằng nó hoạt động hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu được đặt ra. Việc này có thể bao gồm kiểm tra hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Bảng 1: Thông số kỹ thuật Robot STT Thông số Đơn vị tính Chỉ tiêu 1 Thời gian sạc phút 60phút 2 Thời gian xả phút 90phút 3 Trọng lượng trong một lần tải kg 3kg 4 Khả năng tương tác Tự sạc 5 Độ bền của pin 450 chu kỳ sạc 6 Hiệu quả chi phí VNĐ 2 000 000 7 Tính tương thích với môi Sử dụng cho những ngày không có trường nắng 4. Giải pháp đề xuất 4.1 Mô tả giải pháp/thiết kế Tối giản, đơn giản không cầu kì dễ gia công dễ bởi thiết kế đơn giản không yêu cầu sử dụng nhiều vật liệu kim loại nên giảm và tối ưu hóa được trọng lượng của xe giúp xe tiết kiệm năng lượng hơn.1 Sơ đồ khối 13 KHOA CƠ KHÍ – CƠ ĐIỆN TỬ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS – PHENIKAA UNIVERSITY Hình 1: Sơ đồ hệ thống Robot 4.2 Mô tả chức năng • Cụm thu và tích trữ năng lượng: Đảm bảo việc thu và tích trữ năng lượng để Robot có thể sạc bất cứ lúc nào hết điện.
• Thiết kế cơ khí: tạo ra các sản phẩm và hệ thống có hiệu suất tối ưu, an toàn, khả thi sản xuất, thẩm mỹ và tương thích với môi trường sử dụng. • Hệ thống điều khiển: điều chỉnh chuyển động, quản lý cảm biến, tương tác với môi trường, hoạt động trong thời gian thực và điều khiển các nhiệm vụ và hành vi của robot. Đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và linh hoạt của robot trong các ứng dụng khác nhau. • Bộ sạc tự động: cung cấp khả năng tự sạc năng lượng cho robot, đảm bảo robot có đủ năng lượng để hoạt động và tiếp tục thực hiện nhiệm vụ.3 Cụm chi tiết và thiết bị Bảng 2: Cụm chi tiết và thiết bị STT Tên cụm chi tiết và thiết bị 1 Khung xe 2 Động cơ 3 Cụm cầu động 4 Mạch Arduino 5 Mạch Relay 6 Mạch Bluetooth HC05 7 Tấm năng lượng mặt trời 14 KHOA CƠ KHÍ – CƠ ĐIỆN TỬ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS – PHENIKAA UNIVERSITY 8 Pin Lithium 9 Thiết bị trữ năng lượng 4.2 Giới hạn của giải pháp/sản phẩm Trong công nghiệp, các robot hoạt động trong nhà máy thường có không gian kín nên không có ánh mặt trời chiếu vào.
Giải pháp đưa ra tấm pin năng lượng mặt trời không gắn ở robot mà sẽ gắn ở một vị trí khác nên phần năng lượng được chia làm 2 phần đó là phần thu năng lượng cố định (Điểm sạc A) và năng lượng duy trì robot B: • Phần trữ năng lượng A gồm: • Pin mặt trời • Mạch sạc pin mặt trời • Pin trữ năng lượng • Hộp bảo vệ tránh thời tiết • Thiết bị ghép nối cho robot B • Phần năng lượng duy trì robot B gồm • Thiết bị ghép nối để thu điện từ điểm sạc A • Pin cell để duy trì năng lượng • Pin để duy trì và ổn định mạch • Giới hạn của điểm sạc A và robot B: • Trời mưa bão lớn có thể phá hủy điểm sạc do là điểm sạc cố định • Trời không đủ nắng để có thể duy trì năng lượng ở mức cần.3 Phương pháp tiếp cận và phương thức triển khai • Giai đoạn 1: Đặt mục tiêu rõ ràng cụ thể cho đồ án của mình, bao gồm các yêu cầu về tính năng, hiệu suất, và mức độ sử dụng năng lượng mặt trời. • Giai đoạn 2: Tìm kiếm nguồn tài nguyên NLMT bao gồm các bài báo, tài liệu, công nghệ và hướng dẫn. • Giai đoạn 3: Thiết kế robot, phát triển một thiết kế robot sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm các bộ phận, cảm biến, phần mềm, và các tính năng khác. • Giai đoạn 4: Chọn vật liệu gia công và lắp ráp Robot • Giai đoạn 5: Lập trình robot để nó có thể thực hiện các chức năng cần thiết, bao gồm các tác vụ điều khiển và điều chỉnh.
• Giai đoạn 6: Kiểm tra và đánh giá. 15 KHOA CƠ KHÍ – CƠ ĐIỆN TỬ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING AND MECHATRONICS – PHENIKAA UNIVERSITY 5. Phân tích các tác động/ảnh hưởng 5.1 Tính khả thi về công nghệ Hiệu suất thu thập và sử dụng năng lượng mặt trời của robot cần được đảm bảo cao để tối ưu hóa khả năng hoạt động của robot.