phát triển dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY




PHÁT TRIỂN DÀN PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ XOAY








NGUYỄN HOÀNG GIANG

THÁI NGUYÊN, 2011
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN HOÀNG GIANG



PHÁT TRIỂN DÀN PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ XOAY

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2011
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC




HỌC VIÊN


PGS.TS. Nguyễn Văn Dự

Nguyễn Hoàng Giang


KHOA ĐÀO TẠO SĐH

BGH TRƯỜNG ĐHKTCN





Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản
thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác.
Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ
những thông tin tham khảo được trích dẫn.



Nguyễn Hoàng Giang
Tháng 10 năm 2011










Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Lời cám ơn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Dự, giáo
viên hướng dẫn khoa học của tôi, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và
giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi
cũng xin gửi lời cám ơn đến người bạn là đồng nghiệp, anh Lê Duy Hội đã
giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công
nghiệp trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật – Đại học Thái Nguyên đã tạo
điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ tôi, người đã cho tôi những lời
khuyên, những lời động viên và là hậu phương vững chắc để tôi có thể yên
tâm học tập, lao động và nghiên cứu luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học
trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi
tham gia khóa học này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ
trợ và giúp đỡ tôi trong khoá học.






Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Tóm tắt
Luận văn này trình bày cách tính toán kết cấu, công suất cơ cần thiết để
xoay dàn pin mặt trời theo hướng tia nắng; chế tạo và thử nghiệm cho dàn pin tự
xoay có công suất trên 100W. Kết quả cho thấy, sử dụng truyền đông vít me đai

ốc làm cho dàn hoạt động êm và ổn định hơn so với kết cấu dùng bọ truyền trục
vít bánh vít trước đây. Kết quả đo thực nghiệm cho thấy công suất cần thiết để
quay dàn 100W chỉ khoảng 5W. Có thể kết luận rằng, công suất tiêu thụ cho hệ
thống xoay dàn nhỏ hơn nhiều so với công suất phát điện của dàn.
Dàn pin xoay quanh một trục có góc nghiêng theo vĩ độ gồm có hai thành
phần chính. Thành phần thứ nhất là mô đun cơ khí, bao gồm khung dàn, trục
quay, bộ giảm tốc, trụ đỡ và động cơ điện. Thành phần thứ hai là mô- đun điều
khiển bao gồm bộ cảm biến quang điện, mạch điều khiển, bộ vi xử lý, và hai
công tắc hành trình. Dàn quay được điều khiển thông qua bộ vi xử lý được lập
trình trước, bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ bộ cảm biến quang điện và
công tắc hành trình, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dùng để quay động cơ theo
chiều thuận, chiều nghịch hoặc dừng. Kết quả tính toán cho thấy, công suất cần
thiết để xoay dàn luôn luôn nhỏ hơn rất nhiều so với công suất điện do dàn phát
ra.
Dựa vào kết quả tính toán tổng quát, một dàn pin tự xoay có công suất đầu
ra 110W đã được chế tạo. Quá trình vận hành thử nghiệm cho thấy dàn hoạt động
ổn định ở chế độ điều khiển bằng tay cũng như điều khiển tự động, sử dụng ánh
sáng của bóng đèn sợi đốt cũng như ánh sáng mặt trời. Lỗi điều khiển làm cho
dàn quay trở về vị trí ban đầu khi không có ánh sáng của các nghiên cứu trước
làm đã được khắc phục hoàn toàn trong nghiên cứu này.



Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Mục lục
Lời cam đoan
1
Lời cám ơn
2

Tóm tắt
3
Mục lục
4
Danh mục các hình ảnh
7
Danh mục các bảng biểu
10
Chương 1: Giới thiệu
11
1.1. Đặt vấn đề
11
1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
12
1.3. Đối tượng nghiên cứu
13
1.4. Phương pháp nghiên cứu
13
1.5. Các kết quả đạt được
13
1.6. Cấu trúc luận văn
14
Chương 2: Tổng quan
15
2.1. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời
15
2.2. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời
16
2.3. Một số kiểu dàn xoay
19

2.3.1. Nguyên tắc xoay
19
2.3.2. Các kết cấu xoay
20
2.3.3. Các phương án điều khiển
25
2.3.4. Cơ sở để xoay dàn pin
25
2.4. Kết luận
33
Chương 3: Phát triển mô hình tính toán thông số chế tạo hệ dẫn động dàn
tự xoay
34
3.1. Giới thiệu
34
3.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống xoay dàn
34
3.3. Giải bài toán vị trí kết cấu dàn xoay
36
3.4. Bài toán động học của dàn xoay
37
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3.5. Bài toán động lực học cơ cấu xoay dàn
37
3.5.1. Mômen quán tính của dàn pin
37
3.5.2. Tính toán lực đẩy vít me
38
3.5.3. Tính toán công suất động cơ xoay dàn

40
3.6. Tính toán kết cấu khung dàn
41
3.6.1. Các tải trọng tác dụng lên dàn tự xoay một trục
41
3.6.2. Tải trọng gió
41
3.6.2.1. Thành phần tĩnh
41
3.6.2.2. Thành phần động
42
3.6.3. Áp lực gió, trọng lượng của pin và khung dàn
43
3.6.3.1. Áp lực gió
43
3.6.3.2. Tải trọng của pin và khung dàn
43
a. Tải trọng của pin
43
b. Trọng lượng của khung dàn
44
3.7. Giới thiệu các mẫu pin - Các t
hí nghiệm kiểm chứng với dàn
xoay và dàn cố định
53
3.7.1. Giới thiệu các mẫu pin mặt trời

53
3.7.2. Thí nghiệm kiểm chứng và so sánh công suất thu được của
hai dàn

58
3.8. Xây dựng bảng số liệu tính toán trên phần mềm Excel
63
3.8.1. Giới thiệu các hàm số được sử dụng trong Excel
63
3.8.1.1. Hàm DEGREES()
63
3.8.1.2. Hàm SIN()
65
3.8.1.3. Hàm ASIN()
65
3.8.1.3. Hàm ASIN()
65
3.8.1.4. Hàm COS()
66
3.8.1.5. Hàm ACOS()
66
3.8.1.6. Hàm RADIANS()
66
3.8.2. Xuất bảng dữ liệu Excel
67
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3.9. Kết luận
68
Chương 4. Thực nghiệm chế tạo và đánh giá dàn xoay
69
4.1. Lựa chọn giá trị kết cấu và các thông số
69
4.2. Thiết kế mô đun cơ khí

71
4.3. Mô đun điều khiển
73
4.4. Vận hành thử nghiệm
75
4.4.1. Thử nghiệm độ ổn định
75
4.4.2. Thử nghiệm trong phòng
75
4.4.3.Thử nghiệm ngoài trời
75
4.5. Vận hành dàn pin
75
4.6. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế và vận hành
76

4.7. Đánh giá hiệu năng và khuyến nghị công suất khởi điểm dàn
tự xoay

76
4.7.1. Thí nghiệm kiểm chứng công suất tiêu thụ của động cơ xoay
dàn 12V
76
4.7.2. Đánh giá hiệu năng và khuyến nghị công suất khởi điểm
dàn tự xoay

79
4.8. Kết luận
80
Kết luận và đề xuất

81
1. Kết luận
81
2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
81
Tài liệu tham khảo
82




Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Danh mục các hình ảnh.
Hình
Nội dung
Trang
Hình 2.1.
Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời
16
Hình 2.2.
Bếp năng lượng mặt trời
17
Hình 2.3.
Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha
18
Hình 2.4.
Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời
18
Hình 2.5.

Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng
nằm ngang
19
Hình 2.6.
Dàn pin tự xoay theo một trục
20
Hình 2.7.
Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn
21
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
22
Hình 2.9.
Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc
phương vị và một trục quay theo góc vĩ độ
23
Hình 2.10
Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống xoay hai trục
24
Hình 2.11
Các kiểu điều khiển
25
Hình 2.12
Mô tả các góc chiếu sáng
26
Hình 2.13
Minh họa các góc nghiêng
27
Hình 2.14

Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất
30
Hình 2.15
Dàn pin xoay theo một trục
31
Hình 2.16
Mô hình dàn xoay pin mặt trời tự xoay một trục có góc
nghiêng ban đầu
31
Hình 2.17
Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay
32
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 3.1a
Sơ đồ kết cấu không gian dàn pin
35
Hình 3.1b.
Sơ đồ kết cấu phẳng dàn pin
35
Hình 3.2.
Kích thước kết cấu xoay
36
Hình 3.4.
Hình ảnh tấm pin đơn vị 10W (diện tích 0,1m
2
; nặng 1,15kg)
44
Hình 3.5
Kích thước dàn pin 2000W (5600x3500)

45
Hình 3.6.
Hình không gian lắp ráp thanh 1, thanh 2 và trục xoay
45
Hình 3.7.
Sơ đồ hóa và biểu đồ mômen của thanh đỡ pin
46
Hình 3.8.
Kích thước tiết diện thanh 1
47
Hình 3.9.
Sơ đồ tính và biểu đồ mômen của thanh số 2
48
Hình 3.10.
Kích thước tiết diện thanh 2
48
Hình 3.11.
Kích thước dàn pin 1000W (3500x2800)
49
Hình 3.12.
Hình 3.12. Kích thước tiết diện thanh 3
50
Hình 3.13.
Sơ đồ tính và biểu đồ mômen của thanh số 4
51
Hình 3.14.
Kích thước tiết diện thanh 4
51
Hình 3.15.
Đường khối lượng ước lượng cho dàn pin tự xoay

52
Hình 3.16.
Mô hình thí nghiệm dàn xoay một trục và dàn cố định
60
Hình 3.17a.
Mô hình thí nghiệm đo công suất điện của dàn xoay một trục
60
Hình 3.17b.
Mô hình thí nghiệm đo công suất điện của dàn cố định
60
Hình 3.18.
Một số hình ảnh thí nghiệm so sánh công suất điện thu được
giữa hai dàn cùng thời điểm trong các giờ khác nhau.
62
Hình 3.19
Đồ thị so sánh công suất điện thu được giữa dàn xoay một
trục và dàn cố định tại Thái Nguyên
63
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 4.1a.
Mô hình tổng thể dàn xoay nhìn từ phía trước
71
Hình 4.2b.
Mô hình tổng thể dàn xoay nhìn từ cạnh bên
72
Hình 4.2.
Cụm động cơ và vít me truyền dẫn
73
Hình 4.3.

Kết cấu gối đỡ và ổ lăn

73
Hình 4.4.
Bản mạch in bộ điều khiển

74
Hình 4.5.
Cảm biến

74
Hình 4.6.

Sơ đồ đo dòng điện qua động cơ khi làm việc

77
Hình 4.7.
Đồ thị đường đặc tính dòng điện qua động cơ hoạt động
không tải

77
Hình 4.8.
Đồ thị đường đặc tính của dòng điện qua động cơ khi dàn
chịu tải trọng 11,5 kg

78
Hình 4.9.
Đồ thị đường đặc tính của dòng điện qua động cơ khi dàn
chịu tải trọng 15 kg

78
Hình 4.10.
Đồ thị đường đặc tính của dòng điện qua động cơ khi dàn
chịu tải trọng 20 kg

79







Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Danh mục các bảng, biểu
Bảng
Nội dung
Trang
Bảng 3.1
Phân vùng theo áp lực gió Wo
42
Bảng 3.2
Tấm thu năng lượng mặt trời 10W
53
Bảng 3.3
Tấm thu năng lượng mặt trời 20W
53
Bảng 3.4

Tấm thu năng lượng mặt trời 40W
54
Bảng 3.5
Tấm thu năng lượng mặt trời 50W
55
Bảng 3.6
Tấm thu năng lượng mặt trời 55W
55
Bảng 3.7
Tấm thu năng lượng mặt trời 75W
56
Bảng 3.8
Tấm thu năng lượng mặt trời 100W
57
Bảng 3.9
Tấm thu năng lượng mặt trời 200W
57
Bảng 3.10
Kết quả thí nghiệm đo công suất điện
62
Bảng 3.11
Lựa chọn giá trị công suất động cơ và kích thước kết cấu dàn
66
Bảng 4.1
Lựa chọn thông số cho dàn 110W

69

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Sử dụng những nguồn năng lượng như: than đá, dầu mỏ,…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 180
0
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.
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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 một số câu hỏi cần được giải đáp như:
1) Các công thức tổng quát tính toán công suất cần thiết để xoay dàn, tốc
độ xoay dàn, tỉ số truyền?
2) Cách đánh giá về giá thành đầu tư và hiệu quả năng lượng của dàn tự
xoay so với dàn cố định?
Đề tài này được thực hiện nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên đồng

thời ứng dụng các công thức để chế tạo một hệ thống dàn tự xoay trên 100 W
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.
1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán dàn năng lượng mặt
trời tự xoay, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm trên mô hình dàn thực có công
suất trên 100 W.
Các mục tiêu cụ thể là:
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1) Phát triển các công thức lý thuyết để tính toán các thông số chế tạo cho
hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí;
2) Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay. Từ đó
đưa ra các khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay;
3) Áp dụng các công thức để thử nghiệm chế tạo mô hình dàn tự xoay có
công suất trên 100W.
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 góc điều khiển.
3) Mô hình thực tế.
1.4. Phương pháp nghiên cứu.
1) Nghiên cứu lý thuyết:
Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán về sức bền, chi tiết máy, bài toán vị trí,
động học, động lực học…để thiết lập công thức tính toán chung cho hệ dẫn động
của hệ thống dàn xoay.
2) Nghiên cứu thực nghiệm:
- Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt
Nam theo các mùa.
- Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả dàn pin tự xoay so với

dàn cố định;
- Chế tạo mô hình thực nghiệm cho dàn tự xoay;
1.5. Các kết quả đạt được
Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là phát triển dàn
năng lượng mặt trời tự xoay. 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;
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2. Các công thức lý thuyết để tính toán các thông số chế tạo (bài toán vị
trí, động học, động lực học) cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí;
3. Bộ dữ liệu Excel dùng cho tính toán thiết kế các thông số kết cấu cho
các giá trị công suất phát điện khác nhau;
4. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay. Từ đó
đưa ra các khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay;
5. 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;
6. 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: Xây dựng các công thức lý thuyết để tính toán các thông số
chế tạo (bài toán vị trí, động học, động lực học) cho hệ khung dàn và hệ dẫn
động cơ khí. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả về năng lượng cho dàn tự xoay.
Khuyến nghị về mức công suất khởi điểm nên đầu tư dàn tự xoay.
Chương 4: Thiết kế chế tạo, lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin trên 100W,
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.
Phần cuối cùng là các Kết luận và đề xuất.
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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, nguồn năng lượng này 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].
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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 trực tiếp 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. Nguyên lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở không khí do nhiệt của
mặt trời. Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời. Tuy
nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng.

Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời

Khai thác trực tiếp năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng. Hình 2.2 là
bếp sử dụng năng lượng mặt trời. Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng
mặt cầu parabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu
được đặt ngay tại tiêu điểm đó. Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu
suất cao do nhận nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời. Tuy nhiên, nhược điểm chính
của phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

nên rất bất lợi. Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt
động khi có ánh nắng 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. Pin năng lượng mặt trời (hay pin
quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n,
duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng
được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
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 đủ cho 8000 hộ dân. Các tấm pin năng lượng
mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc ban đầu [7].
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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 m
2
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 bằng năng lượng mặt trời [6]
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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 2.5 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
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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. Ở mô hình này, các tấm pin được lắp trên một dàn, dàn này lắp về một phía
(dàn công xơn) và có góc nghiêng ban đầu. Kiểu dàn này có ưu điểm là góc quay
của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng phù hợp đặt ở
những vị trí có vĩ độ lớn. Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao, vì
quay theo một trục tự do nên hiệu suất thu được không cao lắm. Với kiểu dàn
quay một trục này, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của nó tăng
lên đến 40% [2] so với kiểu dàn cố định. Hình 2.7 là biểu đồ so sánh mức năng
lượng thu được của kiểu dàn cố định và dàn quay quanh một trục trong một ngày.
Qua đồ thị này cho ta thấy, đối với dàn pin quay quanh một trục thì mức năng
lượng thu được cao hơn rất nhiều so với dàn cố định vào các thời điểm buổi sáng
và chiều.





Hinh 2.6. Mô hình dàn pin tự xoay theo một trục [2]
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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/m
2
và tia bức xạ luôn vuông góc với bề mặt tấm pin và dàn sẽ xoay tự
động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của dàn W
1
=
13,2 kWh/m
2
. Trong khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W
2
= 8,41
kWh/m
2
. 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

60
0
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].
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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 dàn 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 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 40
0
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

0.56
0
và


10
0
. 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].


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Hoàng Giang – K12 CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình 2.9. Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và
một trục quay theo góc cao độ.
Năm 2007, Chicco et al đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do

và dàn cố định được 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 0
0
và
nghiêng một góc 36
0
. 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 0
0
và có góc nghiêng 30
0
. 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 30
0
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 dàn 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. 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 dàn 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