Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm hệ thống nạp sử dụng năng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh. Trên cơ sở cấu tạo của xe điện ba bánh hiện nay với nguồn động lực là động cơ điện sử dụng điện ắc quy trên xe, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp sử dụng năng lượng mặt trời cho xe, nhờ vậy khi xe hoạt động trên đường hệ thống nạp thường xuyên bổ sung năng cho ắc quy, nên đã tăng được quãng đường xe chạy trong quá trình sử dụng sau mỗi lần nạp điện.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG NẠP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO XE ĐIỆN BA BÁNH RESEARCH, DESIGNING TESTING SYSTEMUSE SOLAR ENERGY FOR ELECTRIC VEHICLES Ngô Quang Tạo*, Lê Văn Anh, Lê Hồng Quân TÓM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh Trên sở cấu tạo xe điện ba bánh với nguồn động lực động điện sử dụng điện ắc quy xe, nhóm tác giả nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời cho xe, nhờ xe hoạt động đường hệ thống nạp thường xuyên bổ sung cho ắc quy, nên tăng quãng đường xe chạy trình sử dụng sau lần nạp điện Kết thu làm sở giúp nhà thiết kế, chế tạo xe điện ngày hoàn thiện việc nghiên cứu nguồn lượng cung cấp cho xe Từ khóa: Năng lượng mặt trời, hệ thống nạp, xe điện ABSTRACT This article presents research and experimental design of solar charging system for tricycles Based on the structure of the current tricycle with the driving force of electric motor using battery on the car, the authors studied and designed the solar charging system for the car, thanks to So when the vehicle operates on the system of charging system, it regularly replenishes the battery, so it has increased the distance that the vehicle runs during use after each charge The results can serve as a basis for electric car designers and manufacturers to become more and more complete in researching the energy supply for vehicles Keywords: Solar energy, charging system, electric vehicle Khoa Công nghệ ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: taonq@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 15/7/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/8/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/02/2020 thực tế hạn chế, xong việc sử nguồn lượng mặt trời nạp bổ sung cho xe hoạt động đường đến thời điểm chưa có nghiên cứu đề cập tới Xuất phát từ điều kiện thực tiễn, sở kết cấu loại phương tiện xe điện ba bánh sử dụng Việt Nam, nhóm tác giả thực nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh, nhờ xe hoạt động đường hệ thống nạp thường xuyên bổ sung lượng cho ắc quy làm tăng quãng đường xe chạy thực tế sau lần nạp điện CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Xe điện ba bánh trước nghiên cứu Loại xe: Ba bánh; Mã xe: BTA-02; Pin: 1.8pcs, 48V/20; Trọng lượng: 90kg; Đặc điểm kỹ thuật ắc quy: 12V 20 AH/pc (xe sử dụng ắc quy); Trọng lượng xe có ắc quy: 74kg; Loại phanh: phanh đĩa, phanh tang trống; Tốc độ tối đa: 35 - 40km/h; Thời gian sạc: - 8h; Khả vượt dốc: 20°; Tải trọng xe: 150kg; Kích thước xe: (1530×700×1080)mm; Cơng suất xe: Power 350W/500W/650 Battery 48V 20Ah; Động cơ: 350W, pha không chổi than; Bộ điều khiển: 350W, pha; Đi khoảng 80 km/1 lần sạc đầy điện (hệ thống điện gia đình) Xe điện ba bánh trước nghiên cứu (khơng có phần sạc điện sử dụng lượng mặt trời), hình * MỞ ĐẦU Hiện nay, phương tiện giao thông sử dụng nguồn lượng điện (xe điện) nhiều quốc gia quan tâm có xu hướng tăng mạnh, có Việt Nam Trong q trình thiết kế, chế tạo hãng sản xuất xe điện đưa nhiều chủng loại, mẫu mã với giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hiệu kinh tế sử dụng xe, với nhiều nội dung hình thức khác nhau: Tính tốn dạng khí động học hợp lý, chọn lựa loại ắc quy xe phù hợp… mang lại hiệu thiết thực cho người sử dụng Tuy nhiên, sau lần nạp điện đầy cho xe quãng đường xe chạy Hình Xe điện bánh F2 - Hãng Kalima 2.2 Xe điện sử dụng lượng mặt trời Xe điện sử dụng lượng mặt trời, kết cấu gồm có: Động điện (motor), điều khiển motor điện tử, nguồn điện (ắc quy, pin), điều khiển sạc, pin mặt trời (tấm pin lượng), hệ thống khung vỏ xe, hệ thống phanh, hệ thống lái hệ thống điện xe 72 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Dòng điện: 1,5A; Trọng lượng: 2,5kg; Số lượng: pin; Kích thước mái che: (DxRxC) 972,5x716,5x25mm * Tính tốn cho trình nạp sử dụng điện xe điện bánh sử dụng lượng mặt trời Mặt trời Tấm pin lượng Bộ điều khiển sạc Motor Bộ pin Điều khiển motor Bánh xe chủ động Hình Sơ đồ nguyên lý xe điện sử dụng lượng mặt trời * Nguyên lý làm việc: Động điện cung cấp nguồn lượng từ ắc quy, thông qua hệ thống truyền lực truyền mô men tới bánh xe chủ động Động điện điều khiển điều khiển động riêng biệt, tín hiệu điều khiển lấy từ bàn đạp ga (hoặc tay ga) để xác định tốc độ tương ứng, dùng mạch đảo chiều dòng điện để đảo chiều quay động lùi xe Ắc quy nạp điện từ hai nguồn: pin lượng mặt trời nguồn điện dân dụng Những hệ thống khác xe hoạt động tương tự tơ bình thường + Bộ điều khiển sạc: Thiết bị trung gian pin mặt trời bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ điều khiển việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh từ pin mặt trời + Động điện: Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động Có hai loại động điện thơng dụng sử dụng xe điện có sử dụng lượng mặt trời: Động điện xoay chiều (AC) động điện chiều (DC) + Ắc quy: Trên xe điện ắc quy nguồn lượng chính, dùng để cung cấp lượng cho động điện cung cấp lượng cho tất phụ tải khác động điện không làm việc + Pin lượng mặt trời: Là loại pin phát sinh điện áp chiếu sáng, nguồn điện để nạp cho ắc quy xe hoạt động trời + Bộ điều khiển động điện điện tử: Mạch có chức cấp dòng điều khiển động điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đổi chiều động điện cho trường hợp lùi xe, tương quan vận tốc hai bánh xe chủ động xe quay vòng Qua phần trình bày cho thấy, với xe điện bánh F2 - Hãng Kalima hoạt động đường bổ sung lượng thông qua hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời, tăng quãng đường xe chạy thực tế sau lần nạp đầy điện Để làm rõ vấn đề nêu trên, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời cho xe điện ba bánh THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1 Lựa chọn pin lắp mái che Loại pin lựa chọn pin Polycrystalline đa tinh thể; Kích thước: (DxRxC) 468x340x25mm; Cơng suất tối đa: 25W; Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Sơ đồ đấu nối tiếp pin lượng mặt trời Dòng điện nạp: IT = I1 = I2 = I3 = I4 = 1,5 A Công suất tổng pin: WTổng = W1 + W2 + W3 + W4 = 25 + 25 +25 +25 = 100W Với điều kiện làm việc thích hợp tạo nguồn điện 1,5A công suất 100W/h Đối với xe điện bánh sử dụng động 350W/h, thực tế sử dụng chức còi, đèn thiết bị điện khác Do đó, để vận hành xe điện tiêu tốn khoảng 400W/h Vì vậy, sử dụng pin lượng mặt trời để nạp cho ắc quy điều kiện sáng thích hợp nạp vào 100W/h, ta phải sạc xe liên tục ánh sáng mặt trời khoảng xe vận hành khoảng 3.2 Tính tốn lý thuyết qng đường xe lần sạc Ắc quy sử dụng cho xe ắc quy 48V-20Ah Để nạp điện cho ắc quy ta cần dòng điện 1/10 dòng điện ắc quy tức 20/10 = 2Ah Quãng đường xe chạy tối đa ắc quy nạp đầy khoảng 80km với tốc độ chạy trung bình 25km/h Theo lý thuyết thời gian xe hoạt động sử dụng điện ắc S 80 quy là: T tb 3,2h Vtb 25 Công suất pin mặt trời 25W, bốn Wp = 25.4 = 100W Công suất ắc quy Waq = điện áp ắc quy x dòng điện = 48.20 = 960W Công suất ắc quy theo W/h: wW/h waq T 960 300W/ h 3,2 Như vậy, thời gian xe chạy có thêm sặc lượng w aq 960 4,8h Với vận tốc xe mặt trời là: t w aq w p 300 100 trung bình 25km/h xe chạy quãng đường là: S = Vtb.t = 25.4,8 = 120km Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 73 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Thực tế, với điều kiện nắng nóng Việt Nam dòng điện nạp cho ắc quy sử dụng pin mặt trời 1,3 Ampe (Đo cường độ dòng điện nạp từ pin mặt trời thực tế điều kiện ánh sáng thích hợp cho giá trị trung bình 1,3A), cơng suất pin mặt trời là: wptt = Up.Inạp = 64.1,3 = 83,2W Thời gian xe chạy có thêm sặc lượng mặt trời: t tt w aq w w/h wptt 960 4, 42h 300 83,2 Quãng đường xe chạy có thêm sặc lượng mặt trời là: Vtb.ttt = 25.4,42 = 110,5km Tóm lại: Thơng qua việc lựa chọn pin mặt trời với kích thước để làm mái che, tạo nên hệ thống nạp có cơng suất 100W với dòng điện nạp 1,5A Tuy nhiên, với điều kiện thực tế Việt Nam cường độ nắng không cao nên dòng nạp thực tế đạt khoảng 1,3A, cung cấp lượng điện đảm bảo cho xe hoạt động liên tục thời gian dài 50% so với chạy nguồn điện ắc quy xe P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 không khí Cd = 0,42 (do bề mặt chịu lực cản mặt cong); A: diện tích tiếp súc Fdmax = 1/2.1,225.0,42.402.0,231 = 102,01N * Lực phanh gia tốc quán tính: Pjk = mkv.Jpmax = (Gkv/g).Jpmax (kG) Ppmax= Pȹ = G×ȹ; G trọng lượng tồn xe; ȹ hệ số bám bánh xe với mặt đường (Với ȹ = 0,8 xe chạy chủ yếu đường nhựa) Pj = G.Jp/g Jp gia tốc chậm dần phanh Vì phanh lực cản lăn Pf1 Pf2 khơng đáng kể nên ta bỏ qua Do đó, viết: Pjmax = Ppmax => G.ȹ = G.Jpmax/g Từ suy được: Jpmax = ȹ.g = 0,8.9,81 = 7,848N => Pjmax = 152,98N * Lực ly tâm: F = mv2/r = 403 (r: bán kính quay vòng nhỏ xe) * Trọng lượng mái che: P = 10kg Vật liệu chế tạo khung mái che: Thép CT34 có ứng suất: σ = 340 ~ 440×106 N/m2 3.3 Thiết kế mái che * Tiêu chí để thiết kế mái che: Mái che phải có đủ độ bền để đặt pin mặt trời, che nắng, mưa cho người xe Dựa vào kích thước xe pin mặt trời để xác định kích thước mái che: (dài, rộng, cao) 1530x770x1200mm Các kích thước xe mái che sau thiết kế, hình Hình Trọng lượng lực qn tính Hình Kích thước xe mái che 1- Mô tơ điện; 2- Bánh xe sau; 3- Ghế ngồi; 4- Tấm pin mặt trời; 5- Gương xe; 6- Khung mái che; 7- Bánh xe trước Sử dụng phần mềm thiết kế 3D - Solidworks để thiết kế, chế tạo mái che phù hợp với kích thước xe pin mặt trời Ứng dụng phần mềm Inventor để mơ khí động học xe kiểm nghiệm độ bền xe trình chuyển động, sở lực: Lực kéo (Pk), Lực cản khơng khí lên mái che (Fd), Lực phanh xe (Pp), Lực quán tính (Pj)… * Lực cản khơng khí lớn vào mặt trước mái che với: P = 1,225kg/m3 khơng khí; V: Vận tốc xe; Hệ số cản 74 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) Hình Lực cản gió trọng lượng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 … … 18 25 19 25 20 25 Trung bình … 73 74 69 72,75 … 104 105 106 109,65 Hình Đồ thị kết thử nghiệm đường Nhận xét: Qua trình thử nghiệm cho thấy, thử nghiệm cho xe chạy thực tế đường số km xe chạy có sử dụng pin mặt trời tăng lên 150,72% so với trường hợp xe không sử dụng pin mặt trời Hình Lực ly tâm quay vòng trái phải Kết cho thấy việc lựa chọn vật liệu chế tạo khung mái che thép CT34 kiểm nghiệm đảm bảo độ bền xe chuyển động tác dụng lực quán tính, lực ly tâm trọng lực THỬ NGHIỆM Để kiểm nghiệm q trình tính tốn lý thuyết, nhóm nghiêm cứu tiến hành thử nghiệm thơng qua q trình xe chạy thực tế đường * Điều kiện trình thử nghiệm: - Chạy xe nhiều lần, không tải, cung đường, người điều khiển xe không thay đổi - Đường xe chạy trải nhựa, khô ráo, phẳng, người lại, thời tiết có nắng - Chạy xe liên tục với tốc độ trung bình 25km/h hết điện ắc quy - Xe chạy theo kiểu tuần hồn vòng tròn lượt lượt về, khơng ảnh hưởng lực gió * Kết chạy thử nghiệm ắc quy nạp đầy điện bảng Bảng Xe chạy sau lần nạp đầy điện STT Tốc độ (km/h) 25 25 25 Số km xe chạy Không sử dụng pin mặt trời Sử dụng pin mặt trời 70 111 72 105 72 101 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn KẾT LUẬN - Xe điện ba bánh thiết kế hệ thống mái che tích hợp thêm pin lượng mặt trời, giúp người điều xe không bị ảnh hưởng nhiều thời tiết mưa, nắng Đồng thời, trình di chuyển sạc thêm lượng cho ắc quy tối ưu quãng đường sau lần sạc đầy điện cho ắc quy, tận dụng nguồn lượng từ mặt trời góp phần tạo nên môi trường thân thiện cho người - Với điều kiện thời tiết Việt Nam, cường độ xạ nhiệt mặt trời thời gian có ánh sáng thích hợp cao, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển xe điện sử dụng pin lượng mặt trời nói riêng mạng lưới pin mặt trời nói chung, hứa hẹn bước đột phá công nghiệp lượng - Kết thu sở giúp nhà thiết kế chế tạo xe điện ngày hoàn thiện việc nghiên cứu nguồn lượng cung cấp cho xe TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, 1996 Thiết kế tính tốn tơ máy kéo NXB Giáo dục [2] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, 2000 Lý thuyết ô tô máy kéo NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Trọng Hiệp, 2006 Chi tiết máy, tập I NXB Giáo dục [4] Phạm Văn Liên, 2009 Sức bền vật liệu NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Phạm Văn Thoan, Lê Văn Anh, Trần Phúc Hòa, Nguyễn Thanh Quang, 2017 Lý thuyết ô tô NXB Khoa học Kỹ thuật [6] https://solarpower.vn AUTHORS INFORMATION Ngo Quang Tao, Le Van Anh, Le Hong Quan Falcuty of Automobile Technology, Hanoi University of Industry Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 ... lượng mặt trời, tăng quãng đường xe chạy thực tế sau lần nạp đầy điện Để làm rõ vấn đề nêu trên, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm hệ thống nạp sử dụng lượng mặt trời cho xe điện. .. nguồn điện sinh từ pin mặt trời + Động điện: Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động Có hai loại động điện thơng dụng sử dụng xe điện có sử dụng lượng mặt trời: Động điện xoay chiều (AC) động điện. .. Dòng điện: 1,5A; Trọng lượng: 2,5kg; Số lượng: pin; Kích thước mái che: (DxRxC) 972,5x716,5x25mm * Tính tốn cho q trình nạp sử dụng điện xe điện bánh sử dụng lượng mặt trời Mặt trời Tấm pin lượng