Báo cáo Thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học tập

2ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP Mã số: T2019 - 06 - 120 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh Đà Nẵng, 09/2020 3 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP Mã số: T2019 - 06 - 120 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) ThS. Hồ Trần Ngọc Anh DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao 1 HỒ TRẦN NGỌC ANH Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ Cơ khí Ô tô - Trực tiếp nghiên cứu, tính toán lý thuyết, thiết kế và chế tạo mô hình - Trình bày báo cáo đề tài trước hội đồng Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1- TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY .......................................................... 3 1.1.1. Tổng quan tình hình năng lượng ............................................................... 3 1.1.2. Tình hình ô nhiễm không khí .................................................................... 6 1.1.3. Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước .................................. 12 1.2. KHẢO SÁT Ô TÔ ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........... 21 1.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 21 1.2.2. Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống ................................................ 21 1.2.3. Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện ............................................... 25 1.2.4. Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời ....................................................... 27 Chương 2: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................... 30 2.1. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 30 2.1.1. Cấu tạo .................................................................................................... 30 2.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................... 32 2.1.3. Ứng dụng của năng lượng mặt trời ......................................................... 34 2.2. TÍNH TOÁN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................................... 40 2.2.1. Tính chọn pin năng lượng mặt trời ......................................................... 40 2.2.2. Tính chọn bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời .................................. 41 Chương 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÔ HÌNH Ô TÔ CỠ NHỎ ........ 42 3.1. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN................................................ 42 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh 3.2. PHÂN TÍCH, CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................. 44 3.3. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHO BỘ NGUỒN ẮC QUY ...................... 48 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 50 4.1. CHẾ TẠO MÔ HÌNH...................................................................................... 50 4.2. THỬ NGHIỆM, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ ........................................................ 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 54 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay đổi giai đoạn 1997 – 2017 ....................................................................................................... 4 Hình 1.2. Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ 1992 – 2017 ....................................................................................................................... 5 Hình 1.3. Nguồn khí thải do cháy rừng ............................................................................. 7 Hình 1.4. Nguồn khí thải từ ô tô ........................................................................................ 8 Hình 1.5. Ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người .................. 10 Hình 1.6. Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với 1940-1980 ......................................................................................................................................... 12 Hình 1.7. Xu hướng phát triển ô tô sạch ......................................................................... 13 Hình 1.8. Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec .................................................... 14 Hình 1.9. Động cơ Skyactiv của Mazda .......................................................................... 15 Hình 1.10. Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG ................................................................... 16 Hình 1.11. Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long .......................................... 17 Hình 1.12. Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh .................................. 18 Hình 1.13. Mẫu xe điện Tesla model S ........................................................................... 19 Hình 1.14. Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới ............................. 20 Hình 1.15. Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển ..................................... 21 Hình 1.16. Ô tô điện của hãng Nissan ............................................................................. 22 Hình 1.17. Ô tô điện sử dụng ở Chicago ......................................................................... 22 Hình 1.18. Xe đạp điện của Vinfast sản xuất .................................................................. 22 Hình 1.19. Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris – Lyon ........................................... 23 Hình 1.20 Tàu điện ngầm tiện dụng ở Pháp .................................................................... 23 Hình 1.21. Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt ............................................................ 24 Hình 1.22. Xe điện sử dụng trong sân golf ..................................................................... 24 Hình 1.23. Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại ...................................... 25 Hình 1.24. Nguyên lý làm việc của ô tô sử dụng năng lượng mặt trời ........................... 28 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh Hình 2.1: Một cell pin mặt trời ........................................................................................ 30 Hình 2.2. Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời ...................................................... 31 Hình 2.3. Các vùng năng lượng ....................................................................................... 33 Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời .......................................... 34 Hình 2.5. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời và sơ đồ điển hình lắp đặt hệ thống điện pin mặt trời nối lưới ....................................................................................... 36 Hình 2.6. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................................ 37 Hình 2.7. Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời ..................................................... 38 Hình 2.8. Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời ......................................... 39 Hình 2.9. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời .................................................... 39 Hình 2.10. Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời trên mô hình ........................................ 40 Hình 2.11. Hình ảnh cách bố trí 2 tấm pin mặt trời ........................................................ 40 Hình 2.12. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời ......................................................... 41 Hình 3.1: Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên xe ...................................................................... 42 Hình 3.2. Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện ..................................................... 45 Hình 3.3. Động cơ điện 48V-350W ................................................................................ 45 Hình 0.4. Kết cấu của động cơ điện MY1020ZX .................................................................. 46 Hình 0.5. Bộ điều khiển động cơ điện ............................................................................. 46 Hình 0.6. Sơ đồ đấu nối mạch điện bộ điều khiển động cơ điện .................................... 47 Hình 0.7. Sơ đồ đấu nối tiếp 2 bình ắcquy (12V- 35AH) ............................................... 49 Hình 4.1. Sơ đồ tổng thể mô hình ................................................................................... 50 Hình 4.2. Sơ đồ các bước thược hiện lắp ráp mô hình .................................................... 51 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel. ....................................... 9 Bảng 2.1. Cơ cấu nguồn điện năng lượng mặt trời theo Quy hoạch điện VII .......... 35 Bảng 2.2. Tiềm năng lý thuyết của năng lượng mặt trời .......................................... 36 4 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học tập - Mã số: T2019 - 06 - 120 - Chủ nhiệm: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh - Thành viên tham gia: Không - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: Từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 8 năm 2020 2. Mục tiêu: - Chế tạo hoàn chỉnh mô hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời. - Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống. 3. Tính mới và sáng tạo: Kết hợp hai nguồn năng lượng từ ắc quy và pin mặt trời để cung cấp cho hệ thống điều khiển mô hình ô tô phục vụ học tập 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mô hình tạo tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời 5. Tên sản phẩm: - Mô hình hệ thống truyền động trên ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời - Báo cáo tổng kết - Bài báo “Tổng quan về ứng dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống điều hòa không khí trên ô tô” đăng trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Tập 225, số 06, 2020 - Đại học Thái Nguyên 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Đề tài đã thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mô hình tạo tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời Đề tài hướng đến việc ứng dụng các thiết bị thực tế trong quá trình giảng dạy thực hành cho sinh viên chuyên ngành, đồng thời tăng cường số tín chỉ học thực hành trong chương trình môn học. 5 7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Pin naêng löôïng maët trôøi MOTOR IC Caàn ñaûo chieàu Khoùa ñieän ?C QUY 12V 20AH ?C QUY 12V 20AH Baøn ñaïp ga Coâng taéc phanh ñieän Sơ đồ hệ thống điều khiển và truyền động mô hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời Mô hình thực tế Ngày 20 tháng 06 năm 2020 Hội đồng KH&ĐT đơn vị (ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) Hồ Trần Ngọc Anh XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT 6 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Design and manufacture electric vehicle models using solar cells for education Code number: T2019 - 06 - 120 Coordinator: MSc Ho Tran Ngoc Anh Implementing institution: University of Technology and Education, The University of Danang Duration: from August 2019 to August 2020 2. Objective(s): - Complete manufacturing of automobile models using solar energy - Run tests and evaluate the results of the system. 3. Creativeness and innovativeness: - Combining two sources of energy from batteries and solar cells to supply the car model control system for learning 4. Research results: - Establishing the basis for designing the power transmission and control system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a premise for the research and manufacture of small cars using solar energy 5. Products: - Drive system model of small cars using solar energy - Final Report; - Article published in scientific journal. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The project has established the basis for designing the powertrain and control system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a premise for the research and manufacture of small cars using Solar The thesis aims to apply practical equipment in hands-on teaching process for specialized students, while increasing the number of hands-on credits in the subject curriculum. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 1 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường là hai vấn đề được quan tâm hiện nay. Tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm môi trường chính là từ các ngành công nghiệp và khí thải từ động cơ đốt trong. Vì thế ngày nay hàng loạt các công ty sản xuất ô tô, xe máy, động cơ đốt trong... khi sản xuất phải đảm bảo thành phần khí xả đáp ứng được tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. Một số giải pháp được nhiều nhà khoa học nghiên cứu là sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt là các loại nhiên liệu sạch. Xe chạy bằng điện chính là giải pháp tốt để giảm ô nhiễm môi trường và nguồn năng lượng điện là nguồn năng sạch lấy từ các tấm pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên xe điện sử dụng năng lượng mặt trời chưa phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới vì giá thành quá đắt. Bên cạnh đó các mô hình xe điện sử dụng pin năng lượng mặt trời để cho sinh viên thực tập tại các trường đại học còn nhiều hạn chế. Chính vì thế đề tài Thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học tập là thực sự cấp thiết về trang thiết bị thực tập, đáp ứng về xu thế phát triển nguồn nhiên liệu mới và giảm ô nhiễm môi trường. Mục tiêu đề tài: - Chế tạo hoàn chỉnh mô hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời. - Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu mô hình ô tô điện cỡ nhỏ phục vụ học tập Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mô hình tự chế. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: - Tiến hành nghiên cứu lý thuyết. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 2 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh - Chế tạo mô hình để nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 3 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh Chương 1- TỔNG QUAN Sự phát triển của các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong là một trong những thành tựu lớn nhất của công nghệ hiện đại. Ngành công nghiệp ô tô đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của xã hội, đáp ứng nhu cầu đi lại và vận tải trong cuộc sống hàng ngày. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp ô tô, không giống như của bất kỳ ngành công nghiệp khác, để lại dấu ấn sự tiến bộ của xã hội con người từ những thời kỳ đầu công nghiệp đến một xã hội công nghiệp phát triển như ngày nay. Ngành công nghiệp ô tô và các ngành công nghiệp phụ trợ của nó tạo thành xương sống của nền kinh tế với việc tạo ra hàng triệu việc làm trên toàn thế giới. Tuy nhiên, với số lượng ô tô lớn sử dụng trên khắp thế giới đã và đang gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường và cuộc sống của chính con người. Ô nhiễm không khí, sự nóng lên toàn cầu và sự suy giảm nhanh chóng các nguồn tài nguyên dầu mỏ của trái đất bây giờ là vấn đề quan tâm hàng đầu. Trong những năm gần đây, nhiều cuộc nghiên cứu và phát triển các hoạt động liên quan đến giao thông vận tải đã thúc đẩy sự phát triển các công nghệ với hiệu suất cao, thân thiện môi trường và an toàn trong giao thông vận tải. Xe điện, xe điện lai ghép và xe sử dụng pin nhiên liệu đã được đề xuất để thay thế trong tương lai gần. Chương này sẽ đưa ra một số dẫn chứng và đánh giá các vấn đề về ô nhiễm không khí, lượng phát thải khí gây nóng lên toàn cầu và sự suy giảm nguồn tài nguyên dầu khí. Đồng thời cũng cung cấp một số nhận xét về sự phát triển, xu hướng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới 1.1. TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY 1.1.1. Tổng quan tình hình năng lượng Đại đa số các loại nhiên liệu sử dụng cho giao thông vận tải là nhiên liệu lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ. Dầu mỏ là một nhiên liệu hóa thạch, là kết quả từ sự phân hủy của sự sống đã bị chôn vùi hàng triệu năm trước trong lớp địa chất ổn định. Quá trình này bao gồm các khoảng thời gian sau đây: sinh vật (chủ yếu là cây) chết và dần dần được bao phủ bởi lớp trầm tích, theo thời gian các trầm tích tích lũy tạo thành lớp dày và biến đổi thành đá. Các thành phần này bị chôn vùi xuống sâu dưới lòng đất hay đại dương, nơi chúng gặp áp suất và nhiệt độ cao và từ từ biến đổi thành các hydro cacbon hoặc than, tùy Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 4 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh thuộc vào tính chất của chúng mà quá trình này mất hàng triệu năm. Điều này lý giải tại sao tài nguyên nhiên liệu hóa thạch của trái đất hữu hạn. Lượng dự trữ được các định từ thông tin khảo sát địa chất và kỹ thuật cho thấy một cách hợp lý rằng chắc chắn khó có thể phục hồi trong tương lai gần với tốc độ phát triển của nền kinh tế phát triển nhanh chóng như hiện tại. Lượng dự trữ dầu mỏ tính theo năm khai thác được xác định trong ước tính hằng năm của tổ chức đánh giá trạng thái năng lượng của thế giới (hình 1.1) đặc trưng bởi tỉ lệ R/P. Tỷ lệ R/P (Reserves/ Productions) là số năm mà lượng dầu mỏ dự trữ được xác định sẽ cạn kiệt nếu khai thác tiếp tục ở mức hiện nay. Hình 1.1. Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay đổi giai đoạn 1997 – 2017 Trong đó: Bắc Mỹ Trung đông Nam và Trung Mỹ Châu Phi Châu Âu Châu Á - Thái Bình Dương Liên Bang Nga Ở một số vùng mà khí hậu và mối quan tâm sinh thái là trở ngại lớn để tiến hành khai thác hoặc khảo sát dầu mỏ thì việc dự toán, xác định chính xác lượng dự trữ tất cả của trái đất là một nhiệm vụ khó khăn vì lý do chính trị và kỹ thuật. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019 5 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh Mặc dù tỷ lệ R/P không bao gồm những khám phá trong tương lai, nhưng đó là một dữ liệu quan trọng đánh giá thực trạng để có những giải pháp kịp thời. Hình 1.2. Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ 1992 – 2017 Châu Á - Thái Bình Dương Châu Âu Châu Phi Nam và Trung Mỹ Trung đông Bắc Mỹ Liên Bang Nga Nội dung hình 1.2 cho thấy trữ lư