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

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

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].

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

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:

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

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
=

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 )

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

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

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

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:

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