tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế, CHẾ tạo dàn PIN mặt TRỜI tự xoay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
  
VĂN CÔNG BÍCH
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI
TỰ XOAY
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN VĂN DỰ
( BẢN TÓM TẮT)
Thái nguyên – Năm 2010
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP, ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN.
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN VĂN DỰ
PHẢN BIỆN 1:
PHẢN BIỆN 2:
LUẬN VĂN SẼ ĐƯỢC BẢO VỆ TRƯỚC HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TẠI ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN VÀO LÚC:
GIỜ NGÀY THÁNG NĂM 2010.
.
Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Sử dụng những nguồn năng lượng như: thang đá, dầu,…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. 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 nhiều câu hỏi cần được trả lời, chẳng hạn như:
1) Xác định kết cấu khung – dàn như thế nào để đủ bền?
2) Động học và động lực học của hệ truyền động cần được xác định như thế nào?

3) Có thể xây dựng công thức chung để xác định các thông số chế tạo của hệ khung dàn và hệ
dẫn động được không?
4) Hiệu quả về năng lượng, giá thành của các hệ thống tự xoay?
Đề tài này được thực hiện nhằm thử nghiệm trả lời hai câu hỏi 1 và 2, đồng thời ứng dụng để chế
tạo thử nghiệm một hệ thống dàn tự xoay 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 để trả lời hai câu hỏi 3 và 4.
1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài có mục tiêu chủ yếu là Thiết kế và Chế tạo khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho
dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời có một bậc tự do.
Các mục tiêu cụ thể là:
1) Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn ra
phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp;
2) Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động cơ khí cho dàn năng
lượng mặt trời tự xoay có công suất 500 W.
3) Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển;
4) Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự.
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
hướng mặt trời.
3) Mô hình thực tế.
1.4. Phương pháp nghiên cứu.
1) Thu thập và phân tích dữ liệu về quy luật chuyển động của trái đất xung quanh mặt trời theo
các mùa trong năm, quy luật chuyển động của mặt trời trong một ngày;
2) Lựa chọn phương án truyền dẫn và kết cấu hệ thống dàn pin tự xoay;
3) Xác định tải tác dụng lên hệ thống, bao gồm cả ảnh hưởng của gió bão;
4) Ứng dụng các kiến thức về tính bền, động học và động lực học truyền dẫn cơ khí để thiết kế và
chế tạo mô hình thực;
5) Phân tích kết quả vận hành thử nghiệm để đưa ra các lưu ý và chỉ dẫn thiết kế.
1.5. Các kết quả đạt được

Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu suất của dàn pin năng lượng
mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông
góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời. Dưới 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;
2. Đã giới thiệu cách tính toán thiết kế hệ khung dầm đảm bảo điều kiện bền;
3. Đã tính toán, lựa chọn và bố trí hệ truyền động đáp ứng được yêu cầu về động học và động
lực học của hệ thống;
4. 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;
5. 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: Thiết kế, chế tạo dàn đỡ pin quay theo một trục và nghiêng cố định theo một góc.
Chương 4: Lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin, tìm ra nững nhược điểm cần khắc phục, hướng dẫn lắp
đặt và vậ hành, bảo dưỡng, đưa ra những khuyến cáo khi ứng dụng dàn pin tự xoay.
Chương 5: Kết luận và đề xuất.
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, 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].
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 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.
Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời
Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng. Hình 2.2 là bếp sử dụng năng lượng 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.
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 cung cấp đủ cho
8000 hộ dân.
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 (m2) 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 băng năng lượng mặt trời [6]
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 θ, hình 2.3 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 của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới θ 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 kểu này.
Hinh 2.6. Dàn pin tự xoay theo một trục [2]
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 giàn sẽ xoay tự động trong khoảng 12h một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của giànW1 = 13,2

kWh/m
2
. Trong khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W2 = 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].
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 giàn 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 được 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].
Hình 2.9. Mô phỏng kiểu dàn quay 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và một trục quay theo
góc vĩ độ.
Năm 2007, Chicco et al đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do và dàn cố điịnh đươạ 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 giàn 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 et al . 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 giàn 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 được, bộ thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay
quanh trục Bắc-Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tướng ứng với góc vĩ độ hàng năm
(7).
Hình 2.10. Mô phỏng dàn xoay quanh trục nghiêng một góc

β
tương ứng với góc vĩ độ
Kalogirou SA đã tính toán dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ thống năng lượng hai
trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục Đông – Tây. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống
2 trục lớn hơn 10,9% so với hệ thống theo dõi 1 trục trên [7].
Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ thống 1 trục xoay tự
động. Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá nhiều so với hệ thống cố định. Gần đây nhất, năm
2009 Sefa et al đã làm thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so với
hệ thống cố định. Kết quả cho thấy cống suất đầu ra của hệ thống xoay tự động lớn hơn khá nhiều so với kiểu
cố định [8]. Kết quả thu được như ở hình 2.7:
Các hệ thống năng lương 1 trục xoay tự động mới chỉ tạo ra hiệu suất cao trong một mùa nhất
định do trái đất luôn quay quanh trục nó. Các góc độ chiếu lên tấm pin của các tia bức xạ luôn thay đổi. Do
đó hiệu suất giữa các mùa không ổn định. Hệ thống có giàn quay quanh 2 trục xoay tự động khắc phục
được nhưng nhược điểm trên . Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay quanh 2
trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S. Abdallah, S. Nijmeh [9] cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao
hơn rất nhiều so với giàn cố định. Ông đã đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình2.11:
Hình 2.11. Biểu đồ mô tả công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố định.
Trong kết luận ông có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất cả các mùa lớn hơn 41,3
% lần so với hệ thống giàn cố định.
2.3.3. Các phương án điều khiển
Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương án xoay được trình bày theo
sơ đồ ở hình 2.7 . Mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm.
Hình 2.12. Các kiểu điều khiển [2]
2.2.4. Cở sở để xoay dàn pin.
Mặt trời quay quanh quỹ đạo trái đất ( lấy trái đất làm chuẩn), do đó hướng của tia sáng mặt trời đối
với mặt phẳng trái luôn luôn thay đổi theo thời gian. Theo Stine và Harrigan (1985), quan hệ giữa vector tia
sáng mặt trời và tâm của trái đất được biểu diễn như hình sau:
Hình 2.13. Mô tả các góc chiếu sáng [2]
CM,CE, CP tương ứng là 3 trục đi qua tâm của trái đất và lần lượt hướng về đường kinh tuyến gốc,
hướng Đông và trục Polaris. Vector xác định vị trí của mặt trời S được xác định dựa vào ma trận sau:

S =
M
E
P
S
S
S
 
 
 
 
 
=
os os
os sin
sin
c c
c
δ ω
δ ω
δ
 
 
−
 
 
 
Khi lắp đặt một hệ thống cụ thể tại một vị trí nào đó trên bề mặt trái đất ta có sơ đồ xác định các góc
như hình sau:
Hình 2.14. Minh họa các góc nghiêng [2]

Khi đó vecto xác định vị trí của mặt trời được xác định theo công thức:
S’ =
os
os Cos
V
H
R
S Sin
S C Sin
S C
α
α β
α β
   
   
=
   
   
   
(1)
Mặt khác ta có góc vĩ độ
0
0 1 0
0 os
Cos
C
Sin
Sin
φ
φ

φ
φ
φ
 
 ÷
=
 ÷
 ÷
 
−
Góc quay quanh 3 trục đươc lần lượt xác định lần lượt như sau:
1 0 0
0 os
0 os
C Sin
Sin C
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ
 
 ÷
= −
 ÷
 ÷
 
;
os 0
os 0
0 0 1
C Sin
Sin C

λ λ
λ λ λ
−
 
 ÷
=
 ÷
 ÷
 
;
os 0
0 1 0
0 os
C Sin
Sin C
ζ ζ
ζ
ζ ζ
 
 ÷
=
 ÷
 ÷
−
 
Từ đó ta xác định được S’
S’ =
. . . .S
ϕ λ ζ φ
=

1 0 0
0 os
0 os
C Sin
Sin C
ϕ ϕ
ϕ ϕ
 
 ÷
−
 ÷
 ÷
 
os 0
os 0
0 0 1
C Sin
Sin C
λ λ
λ λ
−
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
os 0
0 1 0
0 os
C Sin

Sin C
ζ ζ
ζ ζ
 
 ÷
 ÷
 ÷
−
 
os os
os sin
sin
c c
c
δ ω
δ ω
δ
 
 
−
 
 
 

(2)
Từ (1) và (2) ta tìm được góc cao độ của dàn:

arcsin os os ( os os os os sin sin sin sin os sin )
os sin (sin sin os sin os )
sin ( os os sin os sin os sin os os )

C C c c c c c
c c c
c c c c c c
α δ ω ζ λ φ ζ λ ϕ φ ζ φ ϕ
δ ω ζ ϕ ζ λ ϕ
δ ζ λ φ ζ λ φ ζ ϕ φ
= = − −
− −
+ + +
Góc nghiêng của dàn:
os os (sin os os sin sin os sin os os
sin (sin sin os sin os )
os
c c c c c c c
c c
Sin
c
δ ω λ φ λ ϕ φ δ ω λ ϕ
δ λ φ λ ϕ φ
β
α
+ −
 
 
+ −
 
=
Từ đó ta tính được góc tới của tia sáng mặt trời:
2
π

θ α
= −
và góc nghiêng của dàn
arcsin
β β
=
Những giá trị ở trên là những giá trị tổng quát trong tất cả các trường hợp điều khiển hệ thống.
Khi xét trường hợp cụ thể, điều khiển giàn quay theo góc phương vị và góc cao độ, góc
0; 0. à. 0v
ϕ γ λ
= = =
. Từ đó góc
θ
và góc
β
sẽ tính được như sau:
( )
arcsin sin sin os os os
2
os sin
à. arcsin , . os 0
os
os sin
. arcsin , . os 0
os
c c c
c
v khi c
c
c

hay khi c
c
π
θ δ φ δ ω φ
δ ω
β β
α
δ ω
β π β
α
= − +
−
 
= >
 ÷
 
−
 
= − <
 
 
Trên thế giới có rất nhiều vùng lãnh thổ khác nhau. Mỗi một đất nước có những đặc tính vị trí địa lý
và khí hậu riêng biệt. Vì vậy, góc độ lắp đặt và kết cấu của các hệ thống năng lượng mặt trời ở mỗi nơi cũng
khác nhau. Nước ta là một nước khí hậu nhiệt đới gió mùa, hằng năm số giờ nắng khoảng 1.500 đến 3.000
giờ/năm và nhiệt độ từ 5°C đến 37°C. Tổng lượng bức xạ thực tế chỉ chiếm 50 - 60% tổng lượng bức xạ lý
thuyết và đạt khoảng 124 - 126 Kcal/cm
2
/năm. Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam khá dồi dào,
thuộc loại hàng đầu thế giới. Để tạo ra 1 KW từ điện mặt trời, ở Việt Nam chỉ cần 8 m
2

pin nhưng ở Đức thì
phải tới 24 m
2
cũng phần nào nói lên điều đó [10]. Nhưng hiện nay, Đức là một nước có nhà máy điện từ
năng lượng mặt có tổng công suất 400Mwp lớn nhất thế giới [11]. Sở dĩ nước Đức có được như vậy là họ đã
sớm nhận thấy rằng khai thác nguồn năng lượng mặt trời là một hướng đi cần thiết trong tương lai, khi mà
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Cho đến nay, nước Đức đã đầu tư hàng tỉ đô la Mỹ để xây
dựng các nhà máy điện mặt trời trải khắp đất nước. Trong khi đó, ở Việt Nam hiện nay mới chỉ xây dựng
được trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về năng lượng mặt trời. Các cơ quan khoa học khác
nhau như Trung tâm Năng lượng mới Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng,
Viện năng lượng thuộc Tổng Công ty điện lực Việt Nam, Trung tâm phát triển công nghệ mặt trời
SOLARLAB của Viện Vật Lý Trung tâm khoa học tự nhiên và công ty SELCO… hiện nay đã tiến hành
nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời nhưng còn tản mạn và chưa có tính ứng dụng cao. Mới đây, tổ chức
Solar Serve của Hà Lan đã tặng 1200 bếp năng lượng mặt trời cho các hộ gia đình nghèo nông thôn miền
Trung, và vào thàng 5/2005, hệ thống điện mặt trời do SOLARLAB lắp đặt trên đảo Trường Sa đã đi vào
hoạt động, chính thức cung cấp điện liên tục 24/24 cho sinh hoạt và liên lạc viên thông của các chiến sĩ bảo
vệ đảo.

Hình 2.15. Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất.
Hình 2.16 mô tả góc nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất một góc 23,5
0
, chính
góc nghiêng này đã tạo ra các mùa trong năm. Ở nước ta, đông chí diễn ra vào khoảng ngày 21 tháng 12, hạ
chí diễn ra vào ngày 21 tháng 6, xuân phân xảy ra vào ngày 20 tháng 3 và thu phân diễn ra vào ngày 23
tháng 9.
Ngoài ra, nước ta là một nước thường xuyên gặp phải nhưng cơn bão xâm nhập vào đất liền, thường
thì sức gió mạnh nhất ở vùng gần tâm bão mạnh cấp 10, cấp 11 (tức là từ 89 đến 117 km một giờ). Áp lực tác
dụng vào giàn pin rất lớn, do đó vào lúc này ta điều khiển giàn quay về vị trí cân bằng nằm ngang. Giữa các
tấm pin ghép với nhau ta không gắn khít lại mà để những khe hở khoảng 2-3 cm để gió có thể lùa qua.
Từ những phân tích và các kết quả nêu trên, cho thấy hệ thống năng lượng mặt trời xoay tự động có

khả năng tạo ra hiệu suất cao hơn nhiều so với hệ thống cố định. Cụ thể, hệ thống xoay quanh 2 trục cho hiệu
suất cao hơn 41,3% so với hệ cố định. Bởi vì chúng có lắp đặt hệ thống xác định phương hướng của mặt trời,
do đó làm tăng thêm 62% năng lượng điện đầu ra vào những ngày có nắng. Lượng tiêu thụ năng lượng của
bộ điều khiển không đáng kể. Điều này khẳng định tính thiết thực của kết quả chọn lựa mô hình hệ thống pin
mặt trời xoay tự động để lắp đặt tại nước ta.
Ở Việt Nam, hiện nay rất ít nhà khoa học quan tâm vấn đề này. Hình 2.16. Là một mô hình dàn pin tự
xoay do một bạn sinh viên tai trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, thiết kế và chế tạo. Dàn pin này
được điều khiển theo thời gian, 15 phút quay một lần, bằng góc quay của mặt trời trong khoảng thời gian đó.
Hình 2.16. Dàn pin xoay theo một trục
Ở Hồ Chí Minh, một người dân đẫ chế tạo một bếp sử dụng năng lượng mặt trời tự xoay hình (2.37)
(theo báo khoa học cho nhà nông đang ngày 10/07/2008).
Hình 2.17. Bếp thu năng
lượng mặt trời tự xoay
Với hai kiểu dàn quay của
hai tác giả trên, nhược điểm của
nó là không có góc nghiêng ban đầu
nên chỉ phù hợp để lắp ở những vị
trí có vĩ độ thấp (gần xích đạo). Hơn nữa, điều khiển tuyến tính không thích hợp trong trường hợp này ( khi
không có mặt trời dàn vẫn quay, làm tiêu hao năng lượng thu được của dàn).
Tìm ra một hướng mới để giải quyết vấn đề trên, đó là thiết kế, chế tạo kiểu dàn quay có thể lắp ở
những vĩ độ khác nhau bằng cách tạo góc nghiêng ban đầu cho dàn quay theo một quy chuẩn khoa học. Điều
khiển dàn quay không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào hướng của tia sáng mặt trời.
Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, căn cứ vào vị trí địa lí ở Việt Nam, căn cứ
vào khả năng của bản thân. Tác giả mạnh dạng lựa chọn phương án thiết kế là kiểu dàn pin tự xoay quanh
một trục có góc nghiêng ban đầu (
β
) được điều khiển thích nghi.
2.4. Kết luận
Trong chương này đã tìm hiểu tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam, mức độ
cũng như các kiểu khai thác. Phân tích một số kiểu dàn pin hiện có trên thế giới, ưu nhược điểm của từng

kiểu quay, một số giải pháp quay mà các nhà nghiên cứu đang quan tâm. Tìm hiểu mức độ áp dụng dàn quay
tại Viêt Nam, từ đó lựa chọn cho mình một kiểu dàn quay để nghiên cứu, thiết kê.
Chương 3
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN TỰ XOAY
3.1. Giới thiệu
Trong chương 2 đã trình bày một số kiểu dàn tự xoay đang được nghiên cứu, từ đó đã lựa chọn một
kiểu dàn tự xoay phù họp với các điều kiện ở Việt Nam. Trong chương này trình bày cách tính toán thiết kế
hai dàn pin tự xoay có công suất lần lượt là 500W và 40W. Các công thức tính toán được sử dụng trong
chương này được lấy từ các tài liệu về chi tiết máy, sức bền vật liệu chuẩn. Phần mềm RDM được sử dụng
để kiểm tra độ bền của khung đã thiết kế.
Sơ đồ kết cấu hệ thống được giới thiệu trong phần 3.2 tiếp theo. Trong phần 3.3 sẽ trình bày quá trình
tính toán thiết kế dàn pin có công suất phát điện 500W. Tiếp theo, trong phần 3.4, kết cấu cơ khí của một
dàn pin 40W được tính toán theo cách thức tương tự. Kết quả này sẽ được sử dụng để phục vụ cho việc chế
tạo một mô hình thực. Việc tính toán cả hai dàn có công suất khác nhau nhằm khẳng định rằng, với các giá
trị công suất khác nhau, công suất cần thiết để xoay dàn nhỏ hơn nhiều so với công suất điện mà dàn có thể
phát ra.
3.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống
3.2.1. Mô đun cơ khí
Sau khi tham khảo các hệ thống các kiểu dàn quay, sơ đồ kết cấu dàn quay một trục có ưu điểm đơn
giản, dễ chế tạo, vận hành nhưng hiệu suất không thấp hơn nhiều so với dàn 2 trục. Kết cấu này được minh
họa trên hình 3.1.
Hình 3.1. Sơ đồ dàn pin
1- Dàn. 2- Bộ truyền động. 3- Trục quay. 4- Trụ
đỡ. 5- Ke tăng lực. 6-Chân đế. 7- Gối đỡ
Toàn bộ dàn quay (1) được liên kết với truc quay
(3) được gá trên hai gối đỡ (7). Trục quay nhờ vào vào
truyền động từ động cơ (2) thông qua bộ giảm tốc cơ khí,
trụ đỡ (4) có đế (6) đỡ toàn bộ hệ thống dàn (dàn quay, trục truyền động, động cơ và hộp giảm tốc). Giữa trụ
đỡ và chân dàn có hàn các ke tăng lực (5) để tăng độ cứng vững.
Khi dàn pin mặt trời quay đến vị trí có phương của tia sáng vuông góc với mặt phẳng tấm thu thì dừng

lại trong khoảng thời gian 15 phút, không di chuyển dưới tác dụng của bất kì lực nào. Để đảm bảo được điều
này, trục quay của dàn pin phải đứng yên. Thêm nữa, tốc độ xoay của dàn không nên quá lớn để tránh rung
động do quán tính khi khởi động và khi dừng. Vì vậy, bộ giảm tốc trục vít-bánh vít được lựa chọn để truyền
chuyển động từ động cơ đến trục quay của dàn. Ưu điểm của loại bộ truyền này là có tính tự hãm, tỉ số
truyền lớn, phù hợp với yêu cầu của thiết kế.
Việc tính toán thiết kế khung, trục, lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động cung cấp cơ năng cho
trục sẽ được trình bày trong phần 3.3.
3.2.2. Mô đun điều khiển
Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đầu vào từ cảm biến hoặc sensor để xử lý. Tín hiệu
sau khi được xử lý sẽ điều khiển động cơ hoạt động quay thuận hay quay nghịch tùy thuộc vào tín hiệu từ hai
cảm biến truyền về. Nếu cảm biến phía đông phát tín hiệu thì trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh điều khiển
động cơ quay để xoay dàn về hướng Đông. Ngược lại, khi cảm biến phía Tây có tín hiệu thì bộ phận điều
khiển sẽ ra lệnh động cơ quay theo chiều ngược lại.
Dưới đây là các bước cụ thể thiết kế và lựa chọn các phần của dàn quay.
3.3. Thiết kế khung dàn 500W
3.3.1. Lựa chọn kiểu pin
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời, tùy thuộc vào chất
lượng mà mỗi tấm pin có gía thành khác nhau, công suất của mỗi tấm từ 25W đến 280W (thùy thuộc vào số
cell trên một tấm). Để đơn giản trong việc chế tạo, lắp ráp ta chọn tấm pin có các thông số trình bày như sau:

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của tấm pin cố công suất 250W
Tên gọi Thông số
Mẫu ZTX-P250W
Vật liệu chế tạo polycrystylline
Công suất cực đại 250W
Sai số
±5%
Công suất điện thế cực đại (Vpm) 33
Công suất cường độ dòng điện cực đại (Ipm) 7.58
Điện thế mở mạch (Voc) 40.2

Điện thế đoản mạch (Isc) 8.2
Số cell 66
Kích thước 1790x990x50
Điện thế hệ thống lớn nhất 1000v
Áp lực cực đại 60 (m/s)
Kiểu nối giữa các hộp PPO Black
Chiều dài cáp 900mm
Vật liệu khung Hợp kim nhôm
Bảo hành
90% cho 10 năm
và 80% cho 25 năm
Đóng gói
Thùng giấy và
gỗ
3.3.2. Thiết kế khung dàn
3.3.2.1. Bố trí khung dàn
Hai tấm pin được bố trí đối xứng với trục chính của dàn, mỗi bên bố trí môt tấm pin có kích thước
1790x995. Trục chính của dàn làm bằng thép hộp 60x120x2 (theo tiêu chuẩn KSD 3568-1986), khung dàn
(3) và các thanh giằng được làm bằng thép V63x63x5 (theo TCVN 1656 – 85). Liên kết giữa xác chi tiết
trong khung bằng phương pháp hàn theo tiêu chuẩn các mối hàn TCVN 7472:2005.
Hình 3.2. Hình vẽ kết cấu dàn
1- Thanh giằng dọc. 2- Thanh giằng
ngang. 3- Dầm chính.
Trên hình 3.2, các thanh số 2 và số 3
được nối với nhau bằng phương pháp hàn,
các thanh số 2 được liên kết với dầm chính của dàn (1) bằng mối liên kết bulông- đai ốc.
3.3.2.2.Kiểm tra độ bền của khung
Để tính tính độ bền khung, giả thiết áp lực gió phân bố đều lên các thanh liên kết của dàn, mỗi thanh
đều chịu lực như nhau (hình 3.3)
Áp lực gió trên một đơn vị diện tích được tính theo công thức sau:

W= 0.0613v
2
Trong đó: W (daN/m
2
) là áp lực gió trên một đơn vị diện tích.
V (m/s) là vận tốc gió.
Với mục đích tính độ bền cho dàn chịu được gió, bão cấp 12, khi đó vận tốc gió là 132 km/h (tham
khảo Wikipedia)
Hay là
Từ đó ta tính được áp lực gió trên một đơn vị diện tích:
W = 0.0613.v
2
= 0.0613.36,667
2
= 82,416 daN/m
2
Giả thiết áp suất gió phân bố đều trên toàn bộ mặt phẳng tấm thu. Từ đó ta tính được áp lực trên toàn
bộ tấm thu:
P = W. S
Trong đó: P (daN) là áp lực trên toàn bộ mặt phẳng tấm thu.
S = 1,79x0,995 = 1,78 (m
2
)- là diện tích một nửa mặt phẳng.
Do khung bố trí hai tấm pin đối xứng nên diện tích toàn bộ mặt phẳng dàn là 3,562 (m2)
Dàn có tính đối xứng nên ta chỉ kiểm tra độ bền một bên khung.Vậy áp lực gió một nửa mặt phẳng của
khung là:
= 82,416.1,78 = 146,8 (daN) =14,68(kN)
So với áp lực này (tương đương khoảng 1,5 tấn), khối lượng bản thân của dàn (khoảng 0,1 tấn) có thể
bỏ qua.
Giả thiết áp lực gió phân bố đều trên toàn bộ bề mặt khung, lời giải bài toán không thay đổi nếu giả

thiết lực tác động lên các thanh số 2 là như nhau. Khi đó, lực phân bố đều trên mỗi thanh là:
Hình 3.3.
Sơ đồ
phân bố
lực trên
các thanh
giằng
của dàn
Hình 3.4.
Sơ đồ
phân
bố lực
trên
một
thanh
sử dụng phần mềm RDM, kết quả như sau:
Từ các giả thiết đã có ở trên, sử dụng phần mềm RDM để tính toán, kết quả giải bài toán được trình
bày trong hình 3.5
Hình 3.5. Ứng suất của dầm
Hình 3.5 cho ta thấy ứng suất lớn nhất tại mặt cắt ngang ở vị trí liên kết ngàm. Đồ thị biểu diễn cho
chúng ta thấy ứng suất cực đại tại vị trí này la 148,19 (Mpa). So với ứng suất cho phép của thép là 610
(Mpa), giá trị ứng suất này trong giới hạn cho phép.
3.3.2.3. Kiểm tra độ bền dầm chính
Vật liệu được chọn để chế tạo dầm chính là thép CT3 được sản xuất theo tiêu chuẩn Việt Nam, có kích
thước 120x60x2, chiều dài của dầm chính là 1,8m. Các thanh của dàn được liên kết với dầm chính bằng mối
ghép bulong- đai ốc. Dầm chịu lực bằng áp lực gió tác dụng lên dầm và trọng lượng của dàn.
Hình 3.6. Hình vẽ chi tiết
dầm chính
Để tính toán độ bền của
dầm, ta giả thiết toàn bộ áp lực

gió tác dụng lên dàn phân bố đều trên chiều dài của dầm. Từ đó, giả bài toán sức bền vật liệu là dầm chịu lực
phân bố đều, với lực phân bố đều p = 0,0163kN/m. Sử dụng phần mềm RDM đẻ giải bài toán với các số liệu
đã có
Hình 3.8. Chi tiết trục
1- Khung đỡ. 2- Gối đỡ. 3- Ổ lăng. 4- Trục. 5 -Dầm chính của dàn.
Hình 3.7. Hình mô phỏng lực tác dụng lên dầm chính
Hình 3.8. Hình mô phỏng ứng suất của dầm
Hình 3.8 mô tả ứng suất khi dầm chịu lực. Vị trí có ứng suất cực đại là giữa dầm, theo sơ đồ thì ứng
suất cực đại tại vị trí này là 113,24 Mpa. Gía trị ứng suất này nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu làm
thanh.
3.3.4. Thiết kế trục
Trục của dàn có tác dụng đỡ dàn và truyền mô men quay từ đầu ra của hộp giảm tốc đến dàn, làm cho
dàn pin xoay. Vật liệu chọn để làm trục là thép CT3.
Hình 3.9. Cụm chi các chi tiết trục
Trên hình 3.9 là cụm chi tiết trục quay của dàn. Momen xoắn được truyền từ đầu ra của hộp giảm tốc
đến trục quay của dàn thông qua một khớp nối mềm làm quay trục. Trục của dàn được kê trên hai gối đỡ (2).
Do trục dàn nằm nghiêng nên ổ đỡ (3) vừa chịu lực hướng tâm lẫn lực dọc trục, do đó chọn ổ đỡ để lắp là ổ
đỡ chặn. Để truyền mômen từ trục (4) đến khung đỡ (1), mối ghép được sử dụng trong trường hợp này là mối
ghép định hình có hình bán nguyệt.
Hình 3.10. Hình vẽ chi tiết trục.
Để tính toán độ bền trục, ta giả thiết toàn bộ áp lực gió tác dụng lên dàn đều tập trung tại hai vị trí mối
ghép giữa bách nối và trục. Với những điều kiện ban đầu, sử dụng phần mềm RDM để tính độ bền dầm. Sau
khi tính toán,
kết quả như
sau:
Hình 3.11. Mô phỏng trục chịu lực
Hình 3.12. Mô phỏng ứng suất