TÓM TẮT Ngày nay nguồn năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu than đá… và các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu và chế tạo những sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu. Đề tài thiết kế chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu được nghiên cứu để tìm ra giải pháp giúp tiết kiệm nguồn nhiên liệu quốc gia. Sử dụng nguồn bức xạ mặt trờ i thông qua một thiết bị biến đổi thành điện năng cung cấp cho xe hoạt động. Thiết bị đó gọi là pin mặt trời (solar cell). Trong bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm Pro/Engineer để thiết kế kết cấu cơ khí và biên dạng thân xe, phần mềm Ansys dùng để phân tích trọng lượng, quá trình biến dạng tổng quát của khung xe. Kết cấu cơ khí, biên dạng thân xe, trọng lượng xe, công suất, dung lượng của pin mặ t trời, thời gian sạc cho bình ắc quy là những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành, sự tiêu hao năng lượng được đưa ra thảo luận. Keywords: Fuel save challenge – Solar car MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ 1 A. Động cơ thúc đẩy . 1 B. Nguồn gốc đề tài… 1 C. Mục đích của đề tài .1 D. Kết cấu của đề tài ………………………………………………………………………….2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN . 3 1.1 Tổng quan xe năng lượng mặt trời .3 1.2 Tổng quan nguồn năng lượng mặt trời 4 1.3 Định nghĩa năng lượng mặt trời .4 1.3.1 Phân loại nguồn năng lượng 5 1.3.2 Ứng dụng năng lượng Mặt Trời . 5 1.4 Giới thiệu về pin mặt trời .6 1.5 Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Pin Mặt Trời 6 1.5.1 Cấu tạo Silic . 6 1.5.2 Cấu tạo pin Mặt Trời 8 1.5.3 Quá trình tạo các module . 10 1.5.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời . 11 CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG . 16 2.1 Thiết kế chi tiết khung xe 16 2.2 Mô phỏng động lực học khung xe .17 2.2.1 Thông số mô phỏng . 18 2.2.2 Phân tích quá trình biến dạng của khung xe 18 CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ MÔ PH ỎNG VÀ THẢO LUẬN . 20 3.1 Kết quả mô phỏng động lực học của khung xe 20 3.2 Biểu đồ trọng lượng khung xe ứng với từng vật liệu .20 3.3 Quá trình biến dạng của khung xe .21 3.4 Quá trình biến dạng khi chịu tác dụng va đập lên khung xe 22 3.5 Thiết kế biên dạng thân xe .23 3.6 Biểu đồ trọng lượng biên dạng thân xe . 24 CHƯƠNG 4 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN 25 4.1 Tính toán chọn công suất cho động cơ chính 25 4.1.1 Những Vấn Đề Chung . 25 4.1.2 Phát nóng và nguội lạnh của động cơ 26 4.1.3 Các chế độ làm việc của truyền động điện . 26 4.1.4 Tính chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ . 27 4.1.5 Chọn công suất động c ơ làm việc dài hạn . 28 4.1.6 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn 29 4.1.7 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ . 31 4.1.8 Kiểm nghiệm công suất động cơ . 33 4.1.9 Tính toán chọn công suất động cơ truyền động của động cơ điện 33 4.2 Chọn ắc quy 4.2.1 Chọn accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu . 38 4.2.2 Các phương pháp nạp điện 39 4.2.3 Tính toán chọn dung lượng bình accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu 41 4.2.4 Tính toán diện tích pin mặt trời căn cứ theo Q = 10 Ah của bình đã chọn, và thời gian nạp là 2 giờ 43 4.3 Chọn pin mặt trời cho xe tiết kiệm nhiên liệu 4.3.1 Mạch điều khiển nạp (charger controller) 45 4.4 Điều khiển tốc độ động cơ 45 4.4.1 Hiệu ứng Hall trong điều khiển tốc độ động cơ . 45 4.5 Ưu điểm, tính kinh t ế .48 4.5.1 Ưu điểm . 48 4.5.2 Nhược điểm . 48 4.5.3 Tính kinh tế 48 KẾT LUẬN . 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa λ Bước sóng ánh sáng E 1 Mức năng lượng điện tử vùng 1 E 2 Mức năng lượng điện tử vùng 2 h Hằng số planck v Tần số ánh sáng e - Điện tử tự do h + Hạt mang điện dương E ph Năng lượng tổn hao do quá trình phục hồi η Hiệu suất quá trình biến đổi quang điện J 0 ( λ ) Mật độ photon có bước sóng λ hc/ λ Năng lượng photon E g Là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện Δ P Tổn thất công suất Δ W Tổn thất năng lượng Δ v Nhiệt sai giữa máy điện và nhiệt độ môi trường 0 0 C C Nhiệt dung của máy điện A Hệ số tỏa nhiệt Δ V ∞ Nhiệt sai ổn định τ Hằng số thời gian phát nóng ξ Thời gian đóng điện tương đối t lv Thời gian làm việc có tải t cky Thời gian của một chu kỳ P đm Công suất định mức M tb Moment trung bình M đm Moment định mức P tb Công suất trung bình M i Moment phụ tải thứ i t i Thời gian hoạt động tương ứng của phụ tải thứ i P i Công suất phụ tải thứ i P lv Công suất làm việc yêu cầu x Hệ số quá tải công suất Q Công suất phản kháng F Lực cản chuyển động G Khối lượng chuyên chở G x Khối lượng xe g Gia tốc trọng trường R b Bán kính bánh xe β Hệ số ma sát trượt r ct Bán kính cổ trục bánh xe F Hệ số ma sát lăn k ms Hệ số có tính đến ma sát giữa mép bánh xe và đường ray I Tỷ số truyền từ động cơ đến bánh xe N c Số lượng bình accu U dd Điện áp dây dẫn U n Điện áp bình accu khi nạp τ sd.nh Thời gian sử dụng của phụ tải ngắn hạn. DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Những kiểu xe sử dụng năng lượng mặt trời 3   Hình 1.2 Cấu tạo lớp bán dẫn .7   Hình 1.3 Cấu tạo bán dẫn Silic 8   Hình 1.4 Cấu tạo module .9   Hình 1.5 Quá trình tạo module .10   Hình 1.6 Các vùng năng lượng 11   Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng 12   Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13   Hình 1.9 Quan hệ ( ) g E η .14   Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết khung xe 16   Hình 2.2 Bản vẽ thiết kế khung xe .17   Hình 2.3 Khung nhìn của bản vẽ thiết kế .17   Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình biến dạng khung xe 19 Hình 2.5 Tác động lực lên khung xe theo phương ngược chiều chuyển động 19   Hình 2.6 Tác động lực lên khung xe theo phương vuông góc chiều chuyển động 19   Hình 3.1 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với từng loại vật liệu .20   Hình 3.2 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 10 mm 21   Hình 1.3 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 25 mm 21   Hình 3.4 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 49 mm 22   Hình 3.5 Lực F1 tác động vào hông khung xe .22   Hình 3.6 Biến dạng khi lực F tác động vào hông khung xe .22   Hình 3.7 Biến dạng phá hủy phần đầu khung xe .23   Hình 3.8 Bản vẽ chi tiết khung xe 23   Hình 3.9 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với từng loại vật liệu .24   Hinh 4.1 Chế độ làm việc dài hạn Hình 4.2 Chế độ làm việc ngắn hạn 27   Hình 4.3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại 27   Hình 4.4 Đồ thị phụ tải: a) Phụ tải dài hạn không đổi; b) Phụ tải dài hạn biến đổi .28   Hình 4.4 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với công suất của động cơ 36   Hình 4.5 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với công suất của động cơ 37   Hình 4.6 Biểu đồ trọng lượng, công suất, dung lượng .37   Hình 4.7 Bình ắc quy .38   Hình 4.9 Sơ đồ kết nối Pin mặt trời qua diode .43   Hình 4.10. Sơ đồ mạch .45   Hình 4.11 Cảm biếnHall AH49E được đặt trong tay vịn xe tiết kiệm nhiên liệu 47   Hình 4.12 Mạch điều khiển tốc độ động cơ xe tiết kiệm nhiên liệu 47   DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thông số bức xạ mặt trời tại TPHCM ………… …………………….12 Bảng 2.1 Bảng thông số ngõ vào ………………………………………………….….26 Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng biến dạng tổng quát của khung xe….…………… ……27 Bảng 3.2: Kết quả phân tích trọng lượng ứng với từng loại vật liệu cho khung xe… .31 Bảng 4.1: Kết quả phân tích trọng lượng ảnh hưởng công suất của động cơ và dung lượng pin mặt trời ………………………………………………….………………43 Bảng 4.2: Bảng tính toán chi phí đầ u tư ban đầu xe tiết kiệm nhiên liệu …………….57 Bảng 4.3: Bảng chi phí bảo trì trong năm ……………………………….……….… 57 Bảng 4.3: Bảng chi phí vận hành trong năm …………………………….…….…… 57 -1- ĐẶT VẤN ĐỀ A. Động cơ thúc đẩy Cuộc thi shell Eco marathon là cuộc thi thiết kế xe tiết kiệm nhiên liệu kết quả đạt được là giúp cho môi trường thân thiện, đời sống con người hoàn thiện hơn. Bên cạnh những nguồn năng lượng như: năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều thì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú, dồ i dào nhất. Qua tìm hiểu nhận thấy thực tế phương tiện giao thông lại là nguyên nhân gây ra những ô nhiễm chính trên đường như là khói bụi, tiếng ồn, tốn nhiều nhiên liệu Và đề tài nghiên cứu “Xe tiết kiệm nhiên liệu” chạy bằng năng lượng mặt trời là công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo trực tiếp ra điện năng phục vụ cho xe chạy. B. Ngu ồn gốc đề tài Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã được nghiên cứu và chế tạo từ rất lâu, ông Miroslav Miljevic (Anh) đã chế tạo xe đạp 2 bánh Cycle Sol chạy bằng điện mặt trời, ở Thụy Sĩ thì chế tạo một chiếc máy bay trên đó gắng 12 ngàn tấm pin mặt trời và ở Việt Nam thì các sinh viên trường Đại học SPKT TPHCM đã chế tạo thành công xe 4 bánh. Ngày nay xe chạy bằng năng lượng mặt trời khá phổ biến tại Việt Nam và các nước Asian, xe được tạo ra hầu hết là xe tự chế và xe mô hình với mục đích chung là tiết kiệm n ăng lượng và tìm ra xu hướng phát triển trong tương lai ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. C. Mục đích của đề tài Việc nghiên cứu thành công chiếc xe năng lượng mặt trời sẽ giúp chúng ta có một hướng đi mới trong ngành chế tạo xe điện, từ đó sẽ ra đời những thế hệ xe năng lượng mặt trời tiên tiến hơn, sẽ dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệ u xăng, dầu hiện nay, giúp cải thiện phần nào môi trường bị ô nhiễm, giảm chi phí kinh tế -2- Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng phần mềm thiết kế Pro/Engineer để thiết kế bộ khung xe và biên dạng xe, phần mềm ANSYS dùng để mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe, và phân tích trọng lượng của vật liệu. D. Kết cấu của đề tài Đề tài bao gồm 5 chương: Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Thiết Kế Cơ Khí Chương 3: Phân Tích và Mô Phỏng Chương 4: Cơ Sở Tính Toán Chươ ng 5: Kết Luận