Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
  


NGUYỄN VĂN CẢNH


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CHO TÀU MÔ
HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY

CBHD: Th.S. HUỲNH VĂN NHU



Nha Trang, tháng 06 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
  


NGUYỄN VĂN CẢNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CHO TÀU MÔ
HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY




Nha Trang, tháng 06 năm 2014
i

LỜI CẢM ƠN!
Có câu châm ngôn nói rằng: “Học vấn là chùm rễ đắng cay nhƣng hoa trái lại rất
ngọt ngào”. Vâng đúng thế, những chùm rễ đắng sẽ kết hoa tƣơi, những chùm rễ
cay ấy lại cho trái ngọt. Nhƣng để có đƣợc hoa tƣơi, trái ngọt chẳng phải một sớm
một chiều mà là cả một quá trình phấn đấu và rèn luyện. Bên cạnh đó, nó còn kết
tinh từ sự giúp đỡ nhiệt tình, chân thành từ nhiều phía khác.
Để hoàn thành đề tài này, em đã nhận rất nhiều sự giúp đỡ. Trong trang đầu tiên này
em muốn gởi những lời cảm ơn đến những ngƣời đã giúp đỡ.
Lời đầu tiên cho phép em gởi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Giao
thông – Trƣờng Đại học Nha Trang, các thầy trong Bộ môn Kỹ thuật Tàu thuỷ đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài. Các thầy đã truyền đạt những
kiến thức trong suốt thời gian qua. Những lời nhận xét quý giá của các thầy đã có
hiệu quả rất nhiều cho em trong quá trình thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó, gia đình, ngƣời thân và tất cả các bạn bè là những nguồn động lực
không ngừng khuyến khích, động viên em trong hoàn cảnh khó khăn nhất. Em xin
cảm ơn.

Lời cuối cùng, em xin đƣợc phép gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Th.sĩ Huỳnh
Văn Nhu. Dƣới sự hƣớng dẫn của thầy em trƣởng thành hơn về mặt kiến thức và kĩ
năng với nghề nghiệp tƣơng lai. Những kinh nghiệm đáng quý học tập đƣợc từ thầy
mãi là hành trang cho em trong tƣơng lai sau này.
Hy vọng rằng kinh nghiệm rút ra từ sự học hỏi sẽ đƣợc thực tiễn hóa. Em xin hứa sẽ
cố gắng hết sức để không phụ công lao to lớn mà mọi ngƣời đã giúp đỡ.
Xin thành thật biết ơn !


ii

ĐỀ CƢƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP.
Tên đề tài : “Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng
năng lƣợng mặt trời”.
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Cảnh Lớp 52TT.
Ngành : Kỹ thuật tàu thủy (đóng tàu thủy).
Cán bộ hƣớng dẫn : Th.s Huỳnh Văn Nhu.
Nội dung thực hiện :
1. Đặt vấn đề.
2. Cơ sở lý thuyết.
3. Kết quả nghiên cứu.
4. Kết luận và kiến nghị.
I. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1. Đối tƣợng nghiên cứu.
Tàu mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời.
2. Phạm vi nghiên cứu.
Thiết kế hệ thống động lực tàu thiết kế và tàu mô hình sử dụng năng lƣợng mặt
trời.
3. Mục tiêu nghiên cứu.
Kết hợp giữa lý thuyết về thiết kế hệ thống động lực tàu thủy, những kiến thức

và kĩ năng khác đã đƣợc học từ thực hành để: “ Thiết kế hệ thống động lực cho tàu
mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời”.


iii

II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.Tổng quan về đề tài nghiên cứu.
1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.
1.2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc.
1.3.Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu.
1.3.1.Mục tiêu.
1.3.2.Phƣơng pháp.
1.3.3.Phạm vi nghiên cứu.
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1.Giới thiệu về tàu mô hình.
2.2.Sơ lƣợc về vật liệu composite.
2.3.Tổng quan về nguồn năng lƣợng mặt trời và pin mặt trời.
2.4.Tổng quan về thiết kế hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng lƣợng mặt
trời.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.
3.1. Sức cản cho tàu thiết kế.
3.1.1. Cơ sở lý thuyết.
3.1.2. Tính sức cản.
3.2. Trang bị động lực cho tàu thiết kế.
3.2.1. Tính chọn máy chính.
3.2.2 Thiết kế chân vịt sử dụng hết công suất máy.

3.2.3. Thiết kế hệ trục.
3.2.4. Kiểm tra sức bền tĩnh hệ trục.
3.2.5. Xác định phản lực trên các gối đỡ. Tính áp lực riêng cho phép trên các
gối đỡ.
iv

3.2.6. Kiểm tra bền hệ trục.
3.2.7. Trang thiết bị
3.3.Tính sức cản cho tàu mô hình.
3.3.1. Tính sức cản ma sát.
3.3.2. Tính sức cản dƣ.
3.3.3. Tính sức cản không khí và gió.
3.3.4. Tính sức cản phụ bổ sung.
3.3.5. Tính sức cản do tác động của môi trƣờng.
3.4. Tính chọn máy chính cho tàu mô hình.
3.4.1. Hệ số dòng theo.
3.4.2. Hệ số dòng hút.
3.4.3. Đƣờng kính chân vịt.
3.4.4. Hiệu suất thân tàu.
3.4.5. Hiệu suất xoáy.
3.4.6. Hệ số dự trữ công suất.
3.4.7. Hiệu suất đƣờng trục.
3.4.8. Hiệu suất hộp số.
3.4.9. Hiệu suất môi trƣờng.
3.4.10. Hệ số ảnh hƣởng thân tàu.
3.4.11. Số cánh chân vịt.
3.4.12. Tỷ số mặt đĩa.
3.4.13. Tính chân vịt để chọn máy.
3.5. Các bộ phận của hệ thống động lực tàu mô hình.
3.5.1. Chân vịt

3.5.2.Trục chân vịt.
v

3.5.3.Đầu khóa chân vịt
3.5.4.Ống bao trục cáp mềm
3.5.5.Ống bao trục chân vịt
3.5.6.Hệ thống lái
3.5.7.Cơ cấu giá giữ bánh lái và ống đạo lƣu
3.6. Hệ thống pin năng lƣợng mặt trời và acquy.
3.6.1.Pin năng lƣợng mặt trời.
3.6.2.Acqui.
3.6.3.Bộ điều khiển nạp phóng.
3.7. Hệ thống điều khiển từ xa.
3.7.1.Tổng quan về mô đun thu phát NRF24L01.
3.7.2. Chip Atmega 8.
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1.Kết luận.
4.2.Kiến nghị.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Nha Trang, ngày 15 tháng 6 năm 2014
Cán bộ hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện


Huỳnh Văn Nhu Nguyễn Văn Cảnh


vi

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC vi
DANH MỤC BẢNG ix
DANH MỤC HÌNH xiii
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3
1.1.Tổng quan về đề tài nghiên cứu. 3
1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 4
1.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. 4
1.2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc. 5
1.3.Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu. 5
1.3.1.Mục tiêu. 5
1.3.2.Phƣơng pháp 5
1.3.3.Phạm vi nghiên cứu. 5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1.Giới thiệu về tàu mô hình. 6
2.2.Sơ lƣợc về vật liệu composite 7
2.3.Tổng quan về nguồn năng lƣợng mặt trời và pin mặt trời. 10
2.4.Tổng quan về thiết kế hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng lƣợng
mặt trời. 11
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 12
3.1. Sức cản cho tàu thiết kế. 12
3.1.1. Cơ sở lý thuyết 12
3.1.1.1. Sức cản sóng 13
3.1.1.2. Sức cản ma sát 13
3.1.1.3. Sức cản áp suất 15
3.1.1.4. Sức cản không khí và gió 16
3.1.2. Tính sức cản 16
vii

3.1.2.1. Tính sức cản dƣ 17
3.1.2.2. Tính sức cản ma sát 19
3.1.2.3. Tính sức cản không khí và gió 20
3.1.2.4. Tính sức cản phụ bổ sung 21
3.1.2.5. Tính sức cản do tác động của môi trƣờng 22
3.1.3. Tính sức cản bằng phƣơng pháp Savitsky 27
3.2. Trang bị động lực cho tàu thiết kế 35
3.2.1. Tính chọn máy chính 35
3.2.1.1. Hệ số dòng theo 35
3.2.1.2. Hệ số dòng hút 35
3.2.1.3. Đƣờng kính chân vịt 36
3.2.1.4. Hiệu suất thân tàu 36
3.2.1.5. Hiệu suất xoáy 37
3.2.1.6. Hệ số dự trữ công suất 37
3.2.1.7. Hiệu suất đƣờng trục 37
3.2.1.8. Hiệu suất hộp số 37
3.2.1.9. Hiệu suất môi trƣờng 37
3.2.1.10. Hệ số ảnh hƣởng thân tàu 37
3.2.1.11. Số cánh chân vịt 37
3.2.1.12. Tỷ số mặt đĩa 37
3.2.1.13. Chọn máy 38
3.2.2. Thiết kế chân vịt sử dụng hết công suất máy 43
3.2.2.1. Kiểm tra bền theo công thức Romson. 45
3.2.2.2. Tính khối lƣợng và momen quán tính chân vịt 48
3.2.2.3. Xây dựng bảng vẽ chân vịt 50
3.2.3. Thiết kế hệ trục 53
3.2.3.1. Công dụng của hệ trục tàu và yêu cầu khi thiết kế hệ trục tàu 53
viii

3.2.3.2. Phƣơng án bố trí hệ trục. 54

3.2.3.3. Xác định kích thƣớc hệ trục. 55
3.2.3.4. Phƣơng án bôi trơn, kết cấu. 57
3.2.3.5. Kiểm tra sức bền tĩnh hệ trục 59
3.2.3.6. Xác định phản lực trên các gối đỡ. 62
3.2.3.7. Kiểm tra bền hệ trục 66
3.2.4. Trang thiết bị 67
3.2.4.1. Máy chính 67
3.2.4.2. Thiết bị lái 67
3.2.4.3. Phƣơng tiện tín hiệu. 74
3.2.4.4. Thiết bị vô tuyến điện. 75
3.3. Tính sức cản cho tàu mô hình 78
3.3.1. Tính sức cản ma sát 78
3.3.2. Tính sức cản dƣ 78
3.3.3. Tính sức cản không khí và gió 81
3.3.4. Tính sức cản phụ bổ sung 81
3.3.5. Tính sức cản do tác động của môi trƣờng 83
3.4. Tính chọn máy chính cho tàu mô hình 84
3.4.1. Hệ số dòng theo 84
3.4.2. Hệ số dòng hút 84
3.4.3. Đƣờng kính chân vịt 84
3.4.4. Hiệu suất thân tàu 85
3.4.5. Hiệu suất xoáy 85
3.4.6. Hệ số dự trữ công suất 85
3.4.7. Hiệu suất đƣờng trục 85
3.4.8. Hiệu suất hộp số 85
ix

3.4.9. Hiệu suất môi trƣờng 86
3.4.10. Hệ số ảnh hƣởng thân tàu 86
3.4.11. Số cánh chân vịt 86

3.4.12. Tỷ số mặt đĩa 86
3.4.13. Tính chân vịt để chọn máy 86
3.5. Các bộ phận của hệ thống động lực tàu mô hình 89
3.5.1. Chân vịt 89
3.5.2. Trục chân vịt 90
3.5.2.1 Trục mềm 91
3.5.2.2 Trục gá chân vịt 91
3.5.3.Đầu khóa chân vịt 92
3.5.4.Ống bao trục cáp mềm. 92
3.5.5.Ống bao trục chân vịt. 93
3.5.6.Hệ thống lái. 93
3.5.6.1.Bánh lái 93
3.5.6.2.Động cơ quay lái. 94
3.5.6.3.Cơ cấu truyền lực. 94
3.5.7.Cơ cấu giá giữ bánh lái và ống đạo lƣu. 96
3.6.Hệ thống pin năng lƣợng mặt trời của acquy. 96
3.6.1.Pin năng lƣợng mặt trời 96
3.6.1.1. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo. 97
3.6.1.2. Thiết kế và lắp đặt hệ thống pin. 98
3.6.2.Acqui. 100
3.6.3.Bộ điều khiển nạp phóng 100
3.7. Hệ thống điều khiển từ xa. 101
3.7.1.Tổng quan về mô đun thu phát NRF24L01. 101
3.7.1.1 Giới thiệu về mô đun thu phát NRF24L01. 101
3.7.1.2.Chíp Atmega8 111
x

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122
4.1.Kết luận. 122
4.2.Kiến nghị. 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
xi

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 3.1: Sức cản của phần nhô 22
Bảng 3.2: Thông số tàu thiết kế 23
Bảng 3.3: Bảng tính sức cản 24
Bảng 3.4: Thông số dùng tính sức cản Savitsky 31
Bảng 3.5: Tính sức cản 1 thân tàu 34
Bảng 3.6: Áp suất hơi bão hòa 38
Bảng 3.7: Bảng mẫu máy 39
Bảng 3.8: Bảng tính chọn máy 40
Bảng 3.9: Bảng các thông số khác 42
Bảng 3.10: Bảng tính chân vịt sử dụng hết công suất máy 43
Bảng 3.11: Thông số chính chân vịt 44
Bảng 3.12. Đƣờng bao cánh chân vịt 44
Bảng 3.13: Các hệ số và giá trị 47
Bảng 3.14: Bảng đƣờng bao cánh chân vịt 52
Bảng 3.15: Phƣơng tiện tín hiệu giao thông 74
Bảng 3.16: Định mức trang thiết bị: 75
Bảng 3.17: Trang thiết bị hàng hải 76
Bảng 3.18: Sức cản của phần nhô 83
Bảng 3.19: Áp suất hơi bão hòa 87
Bảng 3.20: Bảng tính chân vịt để chọn máy 88
xii

Bảng 3.21: Chức năng các chân chip NRF24L01 105
Bảng 3.22: Các thanh ghi trong NRF24L01 103
Bảng 3.23: Chức năng các chân Atmega8 117

xiii

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Mô hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lƣợng mặt trời 4
Hình 1.2: Thuyền Turanor Planet Solar và Sun21 5
Hình 2.1: Ứng dụng composite trong dân dụng 9
Hình 2.2: Ứng dụng composite trong đóng tàu 10
Hình 3.1: Đồ thị xác định hệ số sức cản ma sát 14
Hình 3.2: Đƣờng cong sức cản dƣ của các tàu có tỷ số L/B khác nhau 19
Hình 3.3: Đồ thị Savitsky 1964 30
Hình 3.4: Hình vẽ khai triển, hình chiếu thẳng, hình chiếu cạnh, của cánh chân vịt 45
Hình 3.5: Hình vẽ đƣờng cắt của mặt bụng cánh chân vịt và củ chân vịt 45
Hình 3.6: Xác định các giá trị b
1
, b
2
, b 52
Hình 3.7: Phƣơng án bố trí hệ trục 55
Hình 3.8: Sơ đồ bố trí hệ trục 59
Hình 3.9: Sơ đồ kiểm tra sức bền tĩnh của hệ trục 60
Hình 3.10: Tàu mô hình 78
Hình 3.11: Chân vịt tàu mô hình 90
Hình 3.12: Trục mềm tàu mô hình 91
Hình 3.13: Trục gá chân vịt tàu mô hình 91
Hình 3.14: Đầu khóa chân vịt tàu mô hình 92
Hình 3.15: Ống bao trục mềm tàu mô hình 92
Hình 3.16: Ống bao trục chân vịt tàu mô hình 93

Hình 3.17: Bánh lái tàu mô hình 93
Hình 3.18: Động cơ Servo giúp quay lái 94
Hình 3.19: Thanh truyền đƣợc nối vào Servo. 94
Hình 3.20: Thanh truyền đƣợc nối với cơ cấu lái 95
Hình 3.21 Thanh truyền lực từ bánh lái trái tới bánh lái phải. 95
Hình 3.22: cơ cấu giữ bánh lái và ống đạo lƣu 96
Hình 3.23: Pin năng lƣợng mặt trời 96
xiv

Hình 3.24: Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời 97
Hình 3.25: Cấu tạo modun 98
Hình 3.26: Ví dụ về sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 98
Hình 3.27: Bình acquy sử dụng cho tàu mô hình 100
Hình 3.28: Bộ điều khiển Phocos Cis. 101
Hình 3.29: Modun thu phát dữ liệu không dây NRF24L01 102
Hình 3.30: Sơ đồ cấu trúc Mô đun NRF24L01 103
Hình 3.31: Sơ đồ phần cứng NRF24L01 103
Hình 3.32: Sơ đồ nguyên lý và các chân của chip NRF24L01 104
Hình 3.33: Sơ đồ chân của chip NRF24L01 104
Hình 3.34: Sơ đồ kết nối với vi điều khiển 108
Hình 3.35: Cấu trúc khung truyền nhận dữ liệu 108
Hình 3.36: Điều khiển đa luồng 109
Hình 3.37: Giao tiếp SPI đọc dữ liệu từ mô đun NRF24L01 110
Hình 3.38: Giao tiếp SPI gửi dữ liệu đến mô đun NRF24L01 110
Hình 3.39: Xe, máy bay mô hình điều khiển từ xa dùng NRF20L01 111
Hình 3.40: Sơ đồ cấu trúc AVR 112
Hình 3.41: Register file 114
Hình 3.42: Sơ đồ các chân chip Atmega8 116
Bảng 3.23: Chức năng các chân Atmega8 117
Hình 3.43: Liên kết SPI giữa 1 chip Master và 3 chip Slave 118

Hình 3.44: Mô tả quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI
trong AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave. 120
Hình 3.45: Động cơ Servo 120
Hình 3.46: Remote điều khiển 118
Hình 3.47: Tàu hoàn thiện 121

1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nƣớc ta đang phát triển mạnh mẽ.
Nhiều nhà máy, cụm công nghiệp đóng tàu đƣợc đầu tƣ xây dựng trên khắp các tỉnh
thành ven biển, nhiều dự án mới, hợp đồng mới liên tiếp đƣợc ký kết, tỉ lệ nội địa
hóa của ngành đóng tàu ngày một nâng cao.
Tuy nhiên, năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu nƣớc ta còn thấp, công
nghệ còn lạc hậu, trình độ quản lý yếu kém, chủ yếu dựa vào lợi thế giá nhân công
trẻ. Điều này khiến ngành đóng tàu nƣớc ta phát triển chƣa bền vững. Để cải thiện
năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu, nâng cao vị thế với thế giới cần có đội ngũ
nhà quản lí và nhà chuyên môn giỏi.
Những con tàu phục vụ du lịch biển ở thành phố Nha Trang thì yêu cầu không
những phải đẹp mà cần phải chạy nhanh, êm và tối ƣu hơn là sử dụng nguồn năng
lƣợng sạch.
Đồ án tốt nghiệp là cơ hội giúp sinh viên hệ thống hóa lại toàn bộ kiến thức
chuyên ngành đã đƣợc học. Mặt khác, nó còn trang bị cho sinh viên khả năng tƣ
duy, tính toán, thiết kế, nó trang bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để làm cơ
sở cho việc thiết kế cho những con tàu sau này. Do vậy tôi đƣợc Khoa phân công
thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống động lực cho tàu mô hình sử dụng năng
lƣợng mặt trời” với mong muốn thiết kế đƣợc hệ thống động lực cho tàu sử dụng
năng lƣợng và ở đây cụ thể là tàu mô hình.
Trên cơ sở đó, đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau:
1. Đặt vấn đề.

2. Cơ sở lý thuyết.
3. Kết quả nghiên cứu.
4. Kết luận và kiến nghị.
Sau thời gian làm việc với tinh thần khẩn trƣơng nghiêm túc, với sự hƣớng
dẫn tận tình của thầy Huỳnh Văn Nhu, em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp đúng thời
gian quy định.
2

Vì thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận
đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy để đề tài đƣợc giao đạt kết quả tốt nhất.

Nha Trang, tháng 06 năm 2014.
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN VĂN CẢNH
3

CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu.
- Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nƣớc ta đang có những bƣớc phát
triển mạnh mẽ. Chúng ta đã đóng đƣợc những con tàu có tải trọng lớn đƣợc bạn
hàng trong nƣớc và quốc tế đánh giá cao. Tuy nhiên, loại tàu chúng ta đóng chủ yếu
vẫn là tàu hàng khô, tàu hàng rời, tàu dầu cỡ nhỏ… Đây là những loại tàu có giá trị
kinh tế không cao. Thông thƣờng giá thành của một chiếc tàu hàng thƣờng chỉ từ
vài đến vài chục triệu đô la, trong khi đó giá thành của một du thuyền du lịch có thể
có giá vài trăm triệu đến cả tỉ đô la.
- Thị trƣờng du thuyền du lịch những năm trở lại đây liên tục phát triển, nhiều
du thuyền sang trọng đã đƣợc ra đời, đặc biệt là các du thuyền cá nhân phục vụ cho
giới doanh nhân, giới thƣợng lƣu. Trong các loại du thuyền cá nhân thì du thuyền
hai thân vẫn đƣợc đặt hàng nhiều nhất do có nhiều ƣu điểm nhƣ tính ổn định cao, độ
lắc êm và tốc độ vƣợt trội so với tàu một thân cùng kích cỡ. Tàu có sức cản thân tàu

nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất
trong các loại tàu cao tốc. Tàu hai thân còn là loại tàu có hình dáng đẹp xét về mỹ
thuật và cảnh quan du lịch.
- Vì lý do về môi trƣờng, sức khỏe ngƣời dân, giá trị thƣơng mại…nên những
nƣớc phát triển đã và đang chuyển từ đóng tàu sử dụng nguồn năng lƣợng truyền
thống sang đóng tàu sử dụng nguồn năng lƣợng sạch và vô tận đó là năng lƣợng mặt
trời. Đây là nguồn năng lƣợng đƣợc đánh giá là phong phú và ít biến đổi nhất trong
thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay. Nguồn năng lƣợng đó đã giúp các nhà khoa học
ứng dụng và vận hành thành công nhiều phát minh khoa học, đồng thời mở ra
những cơ hội khai thác năng lƣợng mới cho toàn nhân loại. Trong tƣơng lai, đây có
thể sẽ là nguồn năng lƣợng của nhiều thiết bị di động nhƣ: máy tính xách tay, điện
thoại di động, camera, ipod, thậm chí cả ngƣời máy. Những thiết bị này có thể đƣợc
đem đi khắp nơi mà ngƣời sử dụng không cần phải lo lắng đến việc chúng bị hết pin
hay phải tìm cách sạc năng lƣợng thƣờng xuyên để duy trì hoạt động, bởi luôn đƣợc
tìm thấy ở khắp mọi nơi.
4

- Thực tế này đặt ra cho ngành đóng tàu nƣớc ta một câu hỏi: tại sao chúng ta
không nghiên cứu và đóng các loại tàu chạy bằng năng lƣợng mặt trời nhƣ du
thuyền, tàu hai thân vì diện tích mặt boong của chúng lớn rất thích hợp cho ta bố trí
hệ thống pin mặt trời. Vẫn biết rằng đóng du thuyền thì đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao
hơn nhƣng với sự quan tâm và đầu tƣ thích đáng chúng ta hoàn toàn có thể đóng
đƣợc loại tàu này. Chúng ta hãy đi lên từ những chiếc tàu mô hình rồi dần dần tới
tàu lớn. Đây là một hƣớng đi mới đầy khả quan cho việc đóng những chiếc tàu du
lịch ở nƣớc ta bởi lẽ với sự phát triển của ngành du lịch thì nhu cầu vui chơi, giải trí,
nghỉ dƣỡng của ngƣời dân dần đƣợc nâng cao, thu hút đƣợc khách du lịch nƣớc
ngoài và sẽ đem lại nguồn lợi to lớn cho đất nƣớc.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.
- Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng đang đƣợc chú trọng và khá mới ở

Việt Nam.
- Ứng dụng nguồn năng lƣợng mặt trời vào ngành tàu thủy ở Việt Nam thì vẫn
còn đang nghiên cứu chƣa có đóng mới tàu thật nào, chỉ có những nghiên cứu của
sinh viên và dừng ở việc chế tạo mô hình.
- Năm 2013 nhóm sinh viên trƣờng ĐH Bách Khoa TP HCM đã cho ra đời mô
hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lƣợng mặt trời.

Hình 1.1: Mô hình tàu khách chạy sông sử dụng năng lượng mặt trời.
5

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc.
- Trên thế giới thì năng lƣợng mặt trời đƣợc sử dụng và phát triển rất mạnh.
Không chỉ ứng dụng cho sinh hoạt mà còn đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cho xe, tàu
thủy, tàu hỏa…
- Tàu sử dụng năng lƣợng mặt trời lớn nhất thế giới hiện nay là tàu MS
TURANOR PlanetSolar đƣợc sản xuất tại Kiel (Đức) trong 14 tháng, hoàn thành
tháng 3/2010 với chi phí 15 triệu EURO. Tàu này cũng đã từng cập cảng Nha
Trang.

Hình1.2: Thuyền Turanor Planet Solar và Sun21
1.3. Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu.
1.3.1. Mục tiêu.
Thiết kế đƣợc sơ bộ hệ thống động lực tàu mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời.
1.3.2. Phƣơng pháp.
Kết hợp giữa lý thuyết về thiết kế, trang bị hệ thống động lực tàu thủy và những
kiến thức khác đã đƣợc học với kỹ thuật cơ khí đƣợc thực tập tại trƣờng để hoàn
thành đề tài tốt nghiệp
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu.
Thiết kế hệ thống động lực tàu thiết kế và cho tàu mô hình chạy bằng năng lƣợng
mặt trời.

6

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu về tàu mô hình.
- Tàu mô hình là tàu du lịch, hai thân (catamaran). Tàu hai thân có nhiều tính
năng hàng hải ƣu việt nhƣ tính ổn định cao, độ lắc êm và tốc độ hơn hẳn so với tàu
một thân cùng kích cỡ. Tàu có sức cản thân tàu nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt
boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất trong các loại tàu cao tốc.
Catamaran còn là loại tàu thuyền có hình dáng đẹp xét về mỹ thuật và cảnh quan du
lịch.
- Tàu đƣợc thiết kế dựa trên tàu mẫu là tàu 70 Sunfeef Yacht Power SEA
BASS.
Thông số tàu mẫu:
+ Năm hạ thủy: 2009
+ Vận tốc: 26 hl/h.
+ Vật liệu thân tàu: composite.
+ Chiều dài lớn nhất: L
max
= 21,45 m = 70,4 feet.
+ Chiều dài thiết kế: L
tk
= 20,54 m = 67,4 feet
+ Chiều rộng 2 trụ: B
OA
= 9,31 m = 30,5 feet.
+ Chiều chìm: d = 1,55 m
+ Chiều cao mạn: H = 5,3 m
+ Lƣợng chiếm nƣớc không tải: 47 T.
+ Lƣợng chiếm nƣớc đầy tải: 64 T.

+ Máy chính: Caterpillar: 2 x 873 HP.
+ Máy phát điện: 25KW và 27 KW.
+ Két nhiên liệu: 2x 8000 lít (2x243 Us gal).
+ Nƣớc ngọt dự trữ: 4x390 lít (4x103 Us gul).
+ Hành khách: 8 ngƣời.
+ Thủy thủ: 2-3 ngƣời.

7

- Tàu mô hình có các thông số chính nhƣ sau:
+ Chiều dài lớn nhất: L
max
= 1,67 m.
+ Chiều rộng lớn nhất: B
max
= 680 mm.
+ Chiều cao mạn: D = 350 mm.
+ Tốc độ: v = 5 hl/h
+ Vật liệu: Composite.
+ Hệ động lực: sử dụng năng lƣợng mặt trời.
2.2. Sơ lƣợc về vật liệu composite
- Vật liệu composite là vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật
liệu ban đầu. Vật liệu composite đƣợc cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo
cho composite có đƣợc các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho
các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau.
- Tính ƣu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành
các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các
thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm
bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt

và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng. Một
trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là composite polyme, đây là vật liệu có
nhiều tính ƣu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền
cao, chịu môi trƣờng, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trƣng đàn hồi cao, bền
vững với môi trƣờng ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở
một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai đƣợc các biện pháp công nghệ, thuận
lợi cho quá trình sản xuất.
- Phân loại: Vật liệu composite đƣợc phân loại theo hình dạng và theo bản chất
của vật liệu thành phần.

8

Phân loại theo hình dạng
+ Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng sợi,
ta gọi đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cƣờng tăng cơ lý
tính cho polymer nền.
+ Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng
hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó
không có kích thƣớc ƣu tiên.
Phân loại theo bản chất, thành phần
+ Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi
hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại
(Bo, nhôm…)
+ Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…)
cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…
+ Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo),
hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…
- Vật liệu composite đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết
đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã đƣợc nhiều nƣớc trên
thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ hai nhiều nƣớc đã sản xuất mày bay, tàu

chiến và vũ khi phục vụ cho cuộc chiến này. Cho đến nay thì vật liệu composite
polyme đã đƣợc sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô. Dựa trên
những ƣu thế đặc biệt nhƣ giảm trọng lƣợng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn
mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc. Ngành hàng
không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một
số linh kiện, máy móc khác của các hãng nhƣ Boing 757, 676 Airbus 310… Trong
ngành công nghiệp điện tử đƣợc sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và
các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng nhƣ
y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể
thao nhƣ gậy gôn, vợt tennit… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác.
9

- Ở Việt Nam thì vật liệu composite đƣợc áp dụng hầu hết ở các ngành, các
lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu
composite đƣợc tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có 8
đề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố đƣợc tuyển trọn, theo đó vật liệu
composite đƣợc sử dụng nhiều trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện
trung ƣơng Quân đội 108 đã sử dụng vật liệu composite vào trong việc ghép răng
thƣa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đƣờng giao thông, hệ
thống tàu xuồng, hệ thống máng trƣợt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà
thi đấu, các sân vận động và các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng
dụng vật liệu composite vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách
điện, đặc biệt là sứ cách điện.

Hình 2.1: Ứng dụng composite trong dân dụng
- Vật liệu composite trong đóng tàu: composite đƣợc sử dụng rộng rãi trong
việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano do chi phí đầu tƣ chế tạo
phƣơng tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng
gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng đơn giản
hơn. Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dƣỡng rất ít,

không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hƣởng của môi trƣờng nƣớc biển. Composite cũng
đƣợc sử dụng trong các tàu quân sự do tính trong suốt với rada của loại vật liệu này.