Luận văn tốt nghiệp Chế tạo máy: Thiết kế Robot làm sạch tấm pin mặt trời

Chia sẻ: Caygaocaolon6 Caygaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

148
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn phân tích các phương pháp và công nghệ làm sạch trên tấm pin sau đó phân tích thiết kế robot để phù hợp với công việc làm sạch trên các tấm pin. Mời các bạn cùng tham khảo luận văn để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Chế tạo máy: Thiết kế Robot làm sạch tấm pin mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ ROBOT LÀM SẠCH TẤM PIN MẶT TRỜI SVTH: Trần Bá Nhất MSSV: 1412664 GVHD: TS. Nguyễn Hải Đăng T.P HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019
LỜI CẢM ƠN Bốn năm đƣợc học tập và rèn luyện ở trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. HCM không phải là một khoảng thời gian quá dài nhƣng sẽ là khoảng thời gian đáng nhớ nhất trong cuộc đời tôi. Bách Khoa không chỉ dạy cho tôi những kiến thức kỹ thuật chuyên môn mà còn cho tôi những kinh nghiệm quý giá từ các thầy, các cô, các bạn và các anh trong trƣờng. Luận văn tốt nghiệp là cột mốc đánh dấu chặng đƣờng này cũng nhƣ là thử thách cuối cùng trong hành trình đại học của tôi. Luận văn tốt nghiệp là nơi tôi vận dụng tất cả các kiến thức học đƣợc. Bên cạnh nỗ lực của bản thân để hoàn thành mục tiêu đƣợc đặt ra còn có sự hỗ trợ, chỉ dẫn và ủng hộ của thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin dành những lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi ngƣời đã đồng hành cùng tôi trong suốt khoảng thời gian bốn năm này. Trong quá trình làm luận văn, ngƣời đã tận tâm hƣớng dẫn và chỉ bảo tôi đó là Thầy Nguyễn Hải Đăng. Tuy có nhiều lần vấp ngã nhƣng thầy đã định hƣớng đi về đề tài, hỗ trợ tôi giải đáp những thắc mắc cũng nhƣ tạo động lực để tôi hoàn thành luận văn. Tuy có những lúc thầy rất nghiêm khắc với tôi, nhƣng tôi biết thầy mong muốn tôi có thể sử dụng tất cả tâm trí và nguồn lực của mình để hoàn thành thật tốt luận văn tốt nghiệp này. “Em xin cảm ơn thầy rất nhiều”. Xin cảm ơn quý thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, Khoa Cơ Khí vì sự tận tâm trong giảng dạy và truyền những kiến thức quý báu trong suốt bốn năm học qua. “Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2019 Trần Bá Nhất i
TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài: “Thiết kế robot làm sạch tấm pin mặt trời” Robot đang ngày càng phát triển và phục vụ con ngƣời trong hầu hết công việc. Trong những ứng dụng của Robot thì việc làm sạch các tấm pin năng lƣợng mặt trời là khá phổ biến và đang ngày càng phát triển. Trƣớc tình trạng nƣớc ta hiện nay, các tấm pin mặt trời đƣợc lắp đặt nhiều và phổ biến ở các quy mô công nghiệp cũng nhƣ các hộ dân, do vậy nhu cầu việc làm sạch tấm pin cũng tăng theo. Chính vì thế phát triển robot làm sạch sẽ đáp ứng cũng nhƣ thay thế con ngƣời trong hiện tại và tƣờng lai để nâng cao năng suất làm việc. Robot có khả năng đi trên những tấm pin và làm sạch. Xuất phát từ ý tƣởng này luận văn sẽ tập trung vào việc phân tích các phƣơng pháp và công nghệ làm sạch trên tấm pin sau đó phân tích thiết kế robot để phù hợp với công việc làm sạch trên các tấm pin. ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................... ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH ............................................................................................. vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..............................................................................................x Chƣơng 1. TỔNG QUAN ..............................................................................................1 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI. ......................1 1.1.1. Cấu tạo. ........................................................................................................1 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời: ........................................................1 1.1.3. Phân loại pin năng lƣợng mặt trời: ..............................................................3 1.2. MỨC ĐỘ PHÁT TRIỂN CỦA PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI. ...............3 1.2.1. Đối với các nƣớc trên thế giới. ....................................................................3 1.2.2. Tình hình trong nƣớc. ..................................................................................3 1.3. VỀ MỨC ĐỘ TỔN THẤT VÀ LÀM SẠCH TẤM PIN. ...............................4 1.3.1. Nguyên nhân ................................................................................................4 1.3.2. Mức độ tổn thất. ...........................................................................................5 1.3.3. Giải pháp làm sạch. ......................................................................................5 1.3.4. Các bƣớc làm sạch .......................................................................................6 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở NƢỚC NGOÀI. .............................6 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở TRONG NƢỚC. ............................7 1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM SẠCH ĐƢỢC THỰC HIỆN. ..........................7 1.6.1. Phƣơng pháp cơ học.....................................................................................7 1.6.2. Dùng thiết bị máy móc để làm sạch.............................................................9 1.6.3. Loại bỏ bụi bằng cách sử dụng phim Nano. ................................................9 1.6.4. Loại bỏ bụi bằng phƣơng pháp tĩnh điện. ..................................................11 1.7. CÁC ROBOT LÀM SẠCH PIN HIỆN CÓ. .................................................11 1.7.1. Solar brush UAV Robot. ............................................................................11 1.7.2. Robot Ecoppia E4. .....................................................................................12 iii
1.7.3. SolarDuster ................................................................................................13 1.7.4. Robot Washpanel. ......................................................................................14 1.7.5. Hệ thống robot làm sạch NOMADD: ........................................................15 1.7.6. Robot GEKKO Solar : ...............................................................................16 1.7.7. Robot hyCLEANER. .................................................................................18 1.7.8. Robot SolarCleano. ....................................................................................20 1.8. DÙNG CÁC HOÁ CHẤT ĐỂ TẨY RỬA. ...................................................20 1.9. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI CỦA LUẬN VĂN. .....................22 1.9.1. Mục tiêu. ....................................................................................................22 1.9.2. Nhiệm vụ của luận văn. .............................................................................22 1.9.3. Giới hạn phạm vi của luận văn ..................................................................23 Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG ÁN LỰA CHỌN CHO CSP. ..........................................24 2.1. CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ.................................................................24 2.2. PHƢƠNG ÁN DI CHUYỂN NGANG BÀN CHẢI CHẠY DỌC. ..............24 2.3. PHƢƠNG ÁN DI CHUYỂN NGANG BÀN CHẢI CHẠY NGANG. ........25 2.4. PHƢƠNG ÁN ROBOT TREO VỚI HAI DÂY SONG SONG ....................25 2.5. PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CẦM TAY. .....................................26 2.6. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN DI CHUYỂN ......................27 2.7. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN CĂNG ĐAI. .......................29 2.8. PHÂN TÍCH ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA BÁNH ĐAI...................................31 2.9. PHÂN TÍCH CHỌN DÂY ĐAI. ...................................................................31 2.10. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO BÁNH XE. .32 2.10.1. Truyền động không thông qua bộ truyền ngoài. ....................................32 2.10.2. Truyền động bằng đai. ...........................................................................32 2.10.3. Truyền động bằng xích. .........................................................................33 2.10.4. Truyền động bằng bánh răng. ................................................................33 2.11. LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO CHỔI CON LĂN. .............34 2.12. LỰA CHỌN CHỔI CON LĂN. ....................................................................34 2.13. LỰA CHỌN CẤP NƢỚC CHO CSP. ...........................................................37 iv
Chƣơng 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ. ...............................................40 3.1. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC. .....................................40 3.1.1. Giới thiệu chung về động học. ...................................................................40 3.1.2. Mô hình động lực học. ...............................................................................40 3.2. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO SƠ BỘ VỀ ROBOT CSP. ...................................47 3.3. CHỌN KÍCH THƢỚC CHO CƠ CẤU BÁNH ĐAI. ...................................48 3.4. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ BÁNH XE. ..........................49 3.5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG...................................52 3.6. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC II. ..............................................................56 3.7. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ổ LĂN CHO TRỤC 2..........................................59 3.8. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ CHỔI CON LĂN. ...............60 3.9. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG...................................64 3.10. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC CHO CON LĂN. ......................................66 3.11. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ổ LĂN CHO CHỔI CON LĂN. ..........................68 3.12. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT BƠM NƢỚC CHO CSP. .................................69 3.13. MÔ HÌNH 3D. ...............................................................................................71 Chƣơng 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. ...................................................72 4.1. LỰA CHỌN CÁC PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN .........................................72 4.2. SƠ ĐỒ KHỐI MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN. .....................................................73 4.3. MẠCH CÔNG SUẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CHO CSP. ...............74 4.3.1. Mạch công suất. .........................................................................................74 4.4. KHỔI ĐIỀU KHIỂN. ....................................................................................75 4.5. KHỐI GIAO TIẾP VỚI ĐIỆN THOẠI. ........................................................76 4.6. KHỐI NGUỒN. .............................................................................................78 4.7. LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT. ...............................................................................79 4.7.1. Lƣu đồ giải thuật điều khiển CSP chạy. ....................................................79 4.7.2. Lƣu đồ giải thuật cho Bluetooth. ...............................................................80 Chƣơng 5. BẢO TRÌ AN TOÀN .................................................................................82 5.1. BẢO TRÌ. .......................................................................................................82 v
5.2. AN TOÀN. .....................................................................................................82 Chƣơng 6. TỔNG KẾT................................................................................................83 6.1. ĐÁNH GIÁ CHUNG.....................................................................................83 6.2. NHỮNG HẠN CHẾ TRONG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI...................................83 6.3. CÁC HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................83 PHỤ LỤC ..........................................................................................................................84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................90 vi
DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Pin mặt trời. .........................................................................................................1 Hình 1. 2 Cấu tạo của tấm pin mặt trời. ..............................................................................2 Hình 1. 3 Các tấm pin bẩn trên bề mặt. ...............................................................................5 Hình 1. 4 Hình logo một số công ty. ...................................................................................7 Hình 1. 5 Làm sạch bằng con ngƣời. ..................................................................................8 Hình 1. 6 Hệ thống làm sạch bằng nƣớc. ............................................................................8 Hình 1. 7 Dùng thiết bị máy móc. .......................................................................................9 Hình 1. 8 Vật liệu siêu kỵ nƣớc.........................................................................................10 Hình 1. 9 Robot UAV. ......................................................................................................12 Hình 1. 10 Ecoppia E4. .....................................................................................................13 Hình 1. 11 SolarDuster. .....................................................................................................14 Hình 1. 12 Robot Washpanel. ...........................................................................................15 Hình 1. 13 Robot NOMADD. ...........................................................................................16 Hình 1. 14 chân của Robot GEKKO .................................................................................17 Hình 1. 15 Robot GEKKO đang làm sạch tấm pin. ..........................................................18 Hình 1. 16 Robot hyCLEANER. .......................................................................................19 Hình 1. 17 Thông số về hyCLEANER..............................................................................19 Hình 1. 18 Robot solarCleano. ..........................................................................................20 Hình 1. 19 Nƣớc tẩy rửa. ...................................................................................................21 Hình 2. 1 Hƣớng di chuyển ngang bàn chải chạy dọc của robot. .....................................24 Hình 2. 2 Hƣớng di chuyển ngang bàn chải chạy ngang. .................................................25 Hình 2. 3 Robot hai dây treo song song ............................................................................26 Hình 2. 4 Robot điều khiển cầm tay. .................................................................................26 Hình 2. 5 Di chuyển bằng bánh xe. ...................................................................................28 Hình 2. 6 Di chuyển bằng 2 bánh đai. ...............................................................................28 Hình 2. 7 Khả năng chuyển động Robot di chuyển bằng bốn cơ cấu bánh đai.......................29 Hình 2. 8 Bánh dẫn hƣớng. ...............................................................................................30 Hình 2. 9 Căn đai dùng cần lắc. ........................................................................................30 vii
Hình 2. 10 Căng đai dùng lò xo. .......................................................................................30 Hình 2. 11 Cơ cấu căng đai dùng bánh dẫn hƣớng. ..........................................................31 Hình 2. 12 Dây đai cho bánh xe. .......................................................................................32 Hình 2. 13 Truyền động đai. .............................................................................................32 Hình 2. 14 Truyền động xích. ...........................................................................................33 Hình 2. 15 Truyền động bánh răng. ..................................................................................34 Hình 2. 16 Sợi Polypropylen. ............................................................................................35 Hình 2. 17 Sợi nylon. ........................................................................................................35 Hình 2. 18 Sợi polyester. ..................................................................................................36 Hình 2. 19 Chổi con lăn. ...................................................................................................36 Hình 2. 20 Khớp nối chống xoắn dây. ..............................................................................38 Hình 2. 21 Kích thƣớc nối nhanh chống xoắn đực cái. [17] .............................................38 Hình 2. 22 Phụ kiện ống nƣớc. ..........................................................................................39 Hình 3. 1 Lực tác dụng lên robot. .....................................................................................46 Hình 3. 2 Cấu tạo vể robot CSP. .......................................................................................48 Hình 3. 3 Bánh đai thiết kế................................................................................................49 Hình 3. 4 Sơ đồ lực. ..........................................................................................................49 Hình 3. 5 Bảng thông số của động cơ theo tỷ số truyền ...................................................51 Hình 3. 6 Động cơ DCG 25-30. ........................................................................................51 Hình 3. 7 Kích thƣớc của động cơ. ...................................................................................52 Hình 3. 8 Biểu đồ loại đai ứng với công suất và số vòng quay. .......................................53 Hình 3. 9 Thông số đƣờng kích bánh đai răng. .................................................................53 Hình 3. 10 Kích thƣớc của bánh răng. ..............................................................................54 Hình 3. 11 Thông số chiều dài T5. ....................................................................................55 Hình 3. 12 Sơ đồ đặt lực tác dụng lên trục. .......................................................................57 Hình 3. 13 Biểu đồ momen của trục. ................................................................................58 Hình 3. 14 Thông số cơ bản của ổ bi. ...............................................................................60 Hình 3. 15 Sơ đồ lực của chổi con lăn. .............................................................................60 Hình 3. 16 Động cơ DC.....................................................................................................62 viii
Hình 3. 17 Loại hộp giảm tốc ứng với tỷ số truyền. .........................................................63 Hình 3. 18 Kích thƣớc của động cơ. .................................................................................63 Hình 3. 19 Loại đai theo công suất ...................................................................................64 Hình 3. 20 Thông số bánh răng. ........................................................................................64 Hình 3. 21 Thông số chiều dài đai. ...................................................................................65 Hình 3. 22 Sơ đồ đặt lực tác dụng lên trục. .......................................................................66 Hình 3. 23 Biểu đồ momen của trục. ................................................................................67 Hình 3. 24 Thông số cơ bản của ổ bi. ...............................................................................69 Hình 3. 25 Động cơ bơm nƣớc ..........................................................................................70 Hình 3. 26 Mô hình 3D của robot CSP. ............................................................................71 Hình 4. 1 App điều khiển xe. ............................................................................................73 Hình 4. 2 Sơ đồ khối phƣơng án điều khiển của CSP. ......................................................74 Hình 4. 3 Motor driver L298N. .........................................................................................74 Hình 4. 4 Arduino Mega 2560. .........................................................................................76 Hình 4. 5 Bluetooth HC06. ...............................................................................................76 Hình 4. 6 Sơ đồ kết nối HC06. ..........................................................................................77 Hình 4. 7 Các thành phần của nguồn CSP. .......................................................................79 Hình 4. 8 Sơ đồ điện kết nối nguồn...................................................................................79 Hình 4. 9 Lƣu đồ giải thuật điều khiển CSP. ....................................................................80 Hình 4. 10 Lƣu đồ giải thuật truyền nhận Bluetooth giữa điện thoại và CSP. .................81 ix
DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của 8DCG 25-30 gắn giảm tốc. ..........................................52 Bảng 3. 2 Thông số tính toán. ...........................................................................................53 Bảng 3. 3 Thông số đai 10T5. ...........................................................................................55 Bảng 3. 4 Tổng hợp các lực và monmen. ..........................................................................59 Bảng 3. 5 Thông số kỹ thuật của động cơ DC DME34B36G. ..........................................63 Bảng 3. 6 Thông số đai T2,5. ............................................................................................65 Bảng 3. 7 Tổng hợp các lực và momen. ............................................................................68 Bảng 3. 8 Thông số của động cơ bơm nƣớc. .....................................................................70 Bảng 4. 1 Thông số của Motor driver L298N. ..................................................................75 Bảng 4. 2 Quy tắc điều hƣớng của motor driver L298N. ..................................................75 Bảng 4. 3 Các thông số của HC06.....................................................................................77 x
Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI. 1.1.1. Cấu tạo. Pin năng lƣợng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện nhƣ hình 1.1 (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lƣợng lớn các cảm biến ánh sáng là đi ốt quang, thực hiện biến đổi năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện. Cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lƣợng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện đƣợc ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thƣờng 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dƣới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể đƣợc dùng nhƣ cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngƣỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cƣờng độ ánh sáng. Để bảo vệ cho tấm pin không bị các ngoại lực tác động lên bề mặt, pin đƣợc gắn tấm kính cƣờng lực, kính cƣờng lực là loại kính đƣợc tôi nhiệt độ rất cao khoảng 700oC và làm nguội nhanh bằng khí mát, chính vì điều đó tạo ra sức căng bề mặt của kính làm tăng khả năng chịu bền, chịu tải trọng lớn và chịu nhiệt cao. Hình 1. 1 Pin mặt trời. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời: Chúng thƣờng đƣợc lắp đặt ở những nơi hấp thu đƣợc nhiều ánh sáng mặt trời nhất nhƣ trên mái của các tòa nhà hay các công trình. Hệ thống này sẽ chuyển đổi quang năng từ ánh sáng mặt trời hấp thụ đƣợc thành điện năng, nó đƣợc sử dụng nhƣ điện lƣới thông thƣờng. 1
Chƣơng 1. Tổng quan Silicon đƣợc biết đến là một chất bán dẫn, nó là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lƣợng mặt trời. “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, hoạt động nhƣ chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Ánh sáng năng lƣợng mặt trời gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon đƣợc tỏa ra từ mặt trời. Nó va chạm với các nguyên tử Silicon của tấm pin, lúc này những hạt photon truyền năng lƣợng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron. Tuy nhiên việc giải phóng các electron chỉ là một nửa công đoạn của pin mặt trời, tiếp đến nó dồn các electron rải rác này vào một dòng điện. Điều này ảnh hƣởng đến việc tạo ra sự mất cân bằng điện trong pin, có tác dụng giống nhƣ xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hƣớng. Sự mất cân bằng này cũng có thể đƣợc tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon nhƣ hình 1.2. Các nguyên tử silicon đƣợc sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc liên kết chặt chẽ. Bằng cách ép một lƣợng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, nó sẽ tạo ra 2 loại silicon là: loại n (bán dẫn âm – Negative) và loại p (bán dẫn dƣơng – Positive). Chất bán dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Hình 1. 2 Cấu tạo của tấm pin mặt trời [28]. 2
Chƣơng 1. Tổng quan Khi hai loại bán dẫn n và p này đặt cạnh nhau trong cùng một tấm pin mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ chuyển qua lấp đầy những khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dƣơng và silicon loại p đƣợc tích điện âm, tạo nên một điện trƣờng trên tấm pin. Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động nhƣ một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này. Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đƣa các electron này vào một trật tự nhất định, từ đó cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa. 1.1.3. Phân loại pin năng lƣợng mặt trời:  Đơn tinh thể: Module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thƣờng có giá thành cao do đƣợc cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.  Đa tinh thể: Đƣợc làm từ các thỏi đúc- đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó đƣợc làm nguội và làm rắn. Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Nhƣng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.  Dải silic: Tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể: Loại này thƣờng có hiệu suất thấp nhất và có giá rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. 1.2. MỨC ĐỘ PHÁT TRIỂN CỦA PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI. 1.2.1. Đối với các nƣớc trên thế giới. Sự quan tâm ngày càng tăng đối với năng lƣợng tái tạo đã khiến ngành công nghiệp quang điện mặt trời mở rộng đáng chú ý trong thập kỷ qua. Nhiều nƣớc trên thế giới đã đầu tƣ và phát triển pin mặt trời một cách nhanh chóng để tăng nguồn điện tiêu thụ. Đến năm 2013, tổng công suất pin mặt trời toàn cầu đạt đến 139 GW. Nói riêng, công suất pin mặt trời lắp đặt của một sô nƣớc và vùng lãnh thổ dẫn đầu nhƣ sau: Năm 2013, Đức lắp thêm 3,3 GW, đƣa tổng công suất đến 2013 lên 36 GW; Trung Quốc lắp thêm 12,9 GW, chiếm khoảng 72% tổng công suất pin mặt trời lắp thêm năm 2013 trên toàn thế giới, trở thành nƣớc có vị trí thứ 2, với tổng công suất khoảng 19 GW; vị trí thứ 3 là Ý, với tổng công suất đến 2013 khoảng 17,5 GW; Mỹ đứng vị trí thứ 5 sau Nhật Bản, có tổng công suất 12,5 GW, năm 2013 lắp thêm 4,8 MW; Nhật Bản lắp thêm 6,9 GW, tăng 50% so với công suất đã xây dựng trƣớc đó, đƣa tổng công suất lên khoảng 14 GW [29]. 1.2.2. Tình hình trong nƣớc. 3
Chƣơng 1. Tổng quan Hiện trạng phát triển điện mặt trời nối lƣới ở Việt Nam, theo số liệu cập nhật mới nhất đến 08/2017 cho biết, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời chỉ khoảng 28MW, chủ yếu là quy mô nhỏ cấp điện tại chỗ (vùng ngoài lƣới cho các hộ gia đình và một số dự án trình diễn nối lƣới điện hạ áp – lặp đặt trên các tòa nhà, công sở). Dự án điện mặt trời đƣợc nối lƣới đầu tiên là nhà máy quang năng An Hội (Côn Đảo, Bà Rịa - Vũng Tàu). Dự án đƣợc triển khai từ giữa tháng 3/2014 và hoàn thành việc xây dựng lắp đặt và đấu nối vào lƣới điện của Điện lực Côn Đảo vào đầu tháng 12/2014 với công suất 36 kWp, điện lƣợng hơn 50 MWh. Tuy nhiên, trong vòng 2 năm trở lại đây nhiều chủ đầu tƣ trong và ngoài nƣớc đang xúc tiến và tìm kiếm cơ hội đầu tƣ vào dự án điện mặt trời nối lƣới quy mô lớn trong phạm vi cả nƣớc. Mục tiêu nhằm góp phần nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể nhƣ hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW đến năm 2030. Năm 2016 cả nƣớc có khoảng 30 nhà đầu tƣ bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt trời có công suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phƣơng, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung. Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tƣ và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tƣ với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận. Tập đoàn Điện lực Việt Nam cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nƣớc tại hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận). Ngoài ra EVN cũng vừa đề xuất với tỉnh Ninh Thuận về việc đầu tƣ dự án điện mặt trời với tổng vốn đầu tƣ khoảng 8.000 tỷ đồng, công suất 200 MW trên diện tích 400 ha tại xã Phƣớc Thái, huyện Ninh Phƣớc, tỉnh Ninh Thuận. Dự án này đã đƣợc tiến hành khởi công trong năm 2018. Tính tới hết tháng 4/2018, Bộ Công Thƣơng đã phê duyệt hơn 70 dự án với tổng công suất trên 3.000 MW, các dự án dự kiến đƣa vào vận hành vào tháng 6/2019 [30],[31]. 1.3. VỀ MỨC ĐỘ TỔN THẤT VÀ LÀM SẠCH TẤM PIN. 1.3.1. Nguyên nhân Bảng điều khiển năng lƣợng mặt trời bao gồm một lớp phủ thủy tinh hoặc lớp kính chịu lực để bảo vệ pin mặt trời. Do môi trƣờng ngày càng khắc nghiệt, biến đổi khí hậu, mức ô nhiễm về bụi bẩn cao, do đó lƣợng bụi tích tụ trên các bề mặt ngày càng nhiều. Vì những tấm pin đƣợc cài đặt trong môi trƣờng mở nên càng bẩn hơn. Kết quả là những lớp bụi bẩn bám dày lên trên mặt kính làm giảm độ sáng truyền qua của nó và do đó làm giảm sản lƣợng điện của toàn bộ hệ thống. Tốc độ giảm sức mạnh theo thời gian là không thể dự đoán đƣợc vì nó phụ thuộc vào các yếu tố môi trƣờng khác nhau nhƣ loại đất, hoạt động nông nghiệp, lƣợng mƣa, gió, phân chim, rác lá cây, phấn hoa... Yếu tố chính của 4
Chƣơng 1. Tổng quan bụi bẩn ảnh hƣởng đến hiệu quả của các tấm pin mặt trời là một trong những thách thức lớn nhất. Vì vậy việc làm sạch càng trở nên quan trọng cho tấm pin. Một số hình ảnh cho ta thấy bụi bám trên bề mặt tấm pin. Hình 1.3a thể hiện mức độ bẩm do phân chim gây ra, hình 1.3b thể hiện các lớp bụi lâu ngày bám trên bề mặt do không đƣợc vệ sinh thƣờng xuyên. a) Bề mặt bẩn do phân chim. b) Bề mặt bẩn do bụi bám Hình 1. 3 Các tấm pin bẩn trên bề mặt. 1.3.2. Mức độ tổn thất. Thứ tự phổ biến về mức độ tổn thất do làm dơ có thể đƣợc ƣớc tính từ 3-8% nhƣng có thể lên tới 30-40% ở vùng khí hậu khô và cát. Nếu thiệt hại nhẹ thì làm cho năng lƣợng điện hấp thụ giảm gây nên tổn thất về kinh tế cho việc kinh doanh điện, nặng thì dẫn đến các lớp bụi đƣợc bám cứng nhƣ phân chim để lâu ngày, lên rêu, rất khó để làm sạch. Vì vậy yếu tố làm sạch là một phần quan trọng trong việc giảm hấp thụ của pin. Chúng ta thấy lƣợng mƣa đóng một vai trò đáng kể trong khả năng làm sạch, nhƣng phải nói rằng lƣợng mƣa thƣờng không đủ, vì một số loại đất và phân chim bám trên tấm pin, Lƣợng mƣa nhiều thì không có ánh sáng mặt trời cho pin hấp thụ đó là một bất lợi lớn. 1.3.3. Giải pháp làm sạch. Làm sạch là một trong những hoạt động cần thiết trong cuộc sống hàng ngày của con ngƣời nói chung và làm sạch các tấm pin nói riêng, làm sạch để làm cho các thiết bị hoạt động tốt hơn và vẻ bề ngoài trở nên gần nhƣ mới. Tuy nhiên việc vệ sinh các tấm pin mặt trời không phải lúc nào cũng đơn giản. Do có các tấm pin đƣợc đặt ở những nơi cao và khó tiếp cận, nên có thể khó làm sạch chúng bằng tay và cần có thời gian để làm điều đó một cách an toàn. Thứ hai, làm sạch bảng chỉ một lần một năm có thể không có tác động đáng kể đến năng suất năng lƣợng hàng năm vì lý do đơn giản là bụi bẩn tích tụ lại trong một khoảng thời gian ngắn làm cho sự khác biệt không đáng kể. Tuy nhiên, việc để các tấm không đƣợc làm sạch cũng có thể không tốt vì việc làm bẩn có thể dẫn đến hƣ hỏng vĩnh viễn của kính làm hạn chế tuổi thọ của việc lắp đặt. Cho nên máy móc, robot 5
Chƣơng 1. Tổng quan đã đƣợc phát minh để hỗ trợ chúng ta trong việc làm sạch cần thiết này. Sử dụng robot làm sạch là xu hƣớng tƣơng lai nhất đang đƣợc nhìn thấy trong những năm gần đây. Robot lau chùi là một thiết bị tự động có thể di chuyển xung quanh và làm sạch bề mặt bằng các kỹ thuật khác nhau nhƣ lau, hút bụi hoặc đơn giản là chà rửa bề mặt bằng bàn chải xoay. Hệ thống làm sạch bảng năng lƣợng mặt trời đƣợc đề xuất thuộc danh mục làm sạch, với quy mô lớn dành cho ứng dụng làm sạch công nghiệp trong các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Ngoài ra các hộ gia đình hay trang trại có hệ thống pin mặt trời có quy mô vừa và nhỏ cũng đƣợc cần làm sạch. Các công nghệ và phƣơng pháp làm sạch đang phát triển một cách nhanh chóng và dần đang đi vào ứng dụng thực tiễn với con ngƣời. Vì vậy mục đích của luận văn này là phát triển robot làm sạch để phục vụ làm sạch bảng năng lƣợng mặt trời, quá trình robot làm sạch này có thể trở nên chính xác và nhanh chóng hơn, do đó làm tăng sản lƣợng điện của nhà máy cũng nhƣ các hộ dân sử dụng pin mặt trời. 1.3.4. Các bƣớc làm sạch Các bƣớc làm sạch thủ công cho bề mặt tấm pin nhƣ sau:  Bước 1: Làm sạch sơ bộ trên tấm bin, các lớp cát bề mặt và phân chim đƣợc đánh sơ cho bề mặt hết vết bẩn bám cứng. Dùng chổi hoặc các dụng cụ máy chổi quét để làm.  Bước 2: Dùng khăn mềm ƣớt hoặc nƣớc lau qua để giảm lớp bụi cũng nhƣ nƣớc có thể rửa trôi lớp bụi, hoặc có thể dùng hoá chất để làm mềm bụi, loại phân chim (nếu có).  Bước 3: Dùng cần gạt bằng lớp cao su gạt cho sạch nƣớc và bụi bẩn còn sót lại trên bề mặt, những vệt nƣớc còn sót lại ngoài rìa hoặc khung dùng khăn mềm khô lau cho sạch. Đối với robot chạy trên bề mặt kính thì việc thiết kế làm theo phƣơng pháp thủ công khó khăn, việc dùng cần gạt bằng cao su rất khó khăn cho robot di chuyển linh hoạt. Vì vậy giải pháp đƣa ra là dùng chổi con lăn có tốc độ quay phù hợp để lớp bụi đƣợc làm sạch, kèm theo nƣớc phun lên bề mặt, nếu có bụi bám khó ra thì robot sẽ di chuyển qua lại nhiều lần để làm sạch, hoặc có thể thay chổi con lăn và tốc độ quay của con lăn. Do làm sạch bằng chổi con lăn nên phụ thuộc vào cấu tạo và vật liệu của chổi con lăn đó. Mức độ làm sạch chỉ nằm trong khoảng 95% - 99% phụ thuộc vào thời gian và lƣợng bụi bám trên bề mặt. 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở NƢỚC NGOÀI. 6
Chƣơng 1. Tổng quan Nhiều nƣớc trên thế giới hiện nay đang phát triển robot rất mạnh mẽ ở nhiều ngành công nghiệp trong đó có công nghiệp làm sạch pin mặt trời. Do nhu cầu thị trƣờng pin mặt trời mở rộng dẫn đến dịch vụ làm sạch pin cũng tăng theo. Những con robot làm sạch pin mặt trời ngày càng đƣợc phát triển để cạnh tranh và phù hợp với công việc hơn. Những công ty họ đã cho ra nhiều chủng loại, mẫu mã sản phẩm khác nhau. Trên thị trƣờng có nhiều nhà cung cấp robot làm sạch tấm pin mặt trời nhƣ SOLAR GLANZZ của Hà Lan, SERBOT của Thụy Sỹ, SUNPOWER của California INTEGRA GLOBAL của Hàn Quốc, solarCleano của Bỉ…v.v.v. Nhiều công ty đã nghiên cứu và phát triển nhằm cải tiến robot để ngày càng linh hoạt, có thể làm sạch trên các mái không thể tiếp cận của con ngƣời, mang lại hiệu quả làm sạch cho công việc giúp cho mức chi phí giảm. Hình 1. 4 Hình logo một số công ty. 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở TRONG NƢỚC. Với thị trƣờng thế giới đang ngày càng phát triển các công cụ và robot làm sạch, do đó các công ty trong nƣớc cũng bắt đầu nghiên cứu các giải pháp làm sạch cho tấm pin, nhƣng mức độ nghiên cứu robot trong nƣớc chƣa nhiều và phổ biến. Các công ty chỉ phân phối các con robot của nƣớc ngoài về để bán cũng nhƣ làm sạch trong dịch vụ. Có 2 công ty VUPHONG SOLAR và GEC chế tạo thành công robot làm sạch tấm pin và đƣa vào áp dụng làm sạch trong công nghiệp. 1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM SẠCH ĐƢỢC THỰC HIỆN. 1.6.1. Phƣơng pháp cơ học Có nhiều loại phƣơng pháp cơ học khác nhau đƣợc sử dụng để làm sạch bảng năng lƣợng mặt trời. Một vài trong số đó là rung cơ học, làm sạch siêu âm, phun nƣớc, cọ rửa và lau chùi. Khi lau chùi đƣợc sử dụng để làm sạch, chủ yếu đƣợc thực hiện với sự trợ giúp của bàn chải hoặc máy chà sàn hình 1.5. Dùng xô chứa hoá chất hoà với nƣớc theo tỷ lệ nhất định sau đó lấy các dụng cụ làm sạch nhúng vào xô và đƣa lên chà để làm sạch tấm pin, phƣơng pháp này con ngƣời trực tiếp làm. Nhƣng phƣơng pháp làm sạch này không hiệu quả vì tính chất dính và kích thƣớc nhỏ của hạt bụi. Ngƣời ta cũng thấy rằng điều kiện làm việc khó khăn và khắc nghiệt của nhà máy điện mặt trời với nhiều bảng pin làm cho việc bảo trì các máy này trở nên khó khăn, cần số lƣợng ngƣời làm nhiều. 7
Chƣơng 1. Tổng quan Hình 1. 5 Làm sạch bằng con ngƣời. Ngoài ra, không thể sử dụng cho trang trại lớn, nhà máy điện mặt trời có mặt trên một diện tích rất lớn khiến phƣơng pháp làm sạch này trở nên đắt đỏ và không hiệu quả.  Hệ thống phun nƣớc: Thƣờng đƣợc sử dụng ở những khu vực khô ráo để giữ cho các tấm sạch sẽ. Nó có tác dụng làm sạch tƣơng tự nhƣ những cơn mƣa và làm sạch các tấm với chi phí khá thấp. Là phần lớn các hệ thống, bao gồm một hệ thống lọc nƣớc và hệ thống pha chế xà phòng. Chất lƣợng nƣớc nên đƣợc kiểm tra và nên xử lý, do không đảm bảo cho các vị trí có nƣớc chƣa đƣợc xử lý tốt. Mặt khác nƣớc sạch càng làm giảm độ bám bụi trong nƣớc bám trên bề mặt nhƣ hình 1.6. Hình 1. 6 Hệ thống làm sạch bằng nƣớc. 8
Chƣơng 1. Tổng quan Mặc dù đây là một hệ thống làm việc tƣơng đối tốt, phù hợp với những nơi cát khô, các hộ gia đình có tấm pin đặt trên mái. Tuy nhiên hệ thống này có một số nhƣợc điểm. Trƣớc hết, nó sử dụng rất nhiều nƣớc vì nó làm sạch các tấm nhiều lần trong ngày tùy theo lịch trình. Điều này là cần thiết bởi vì, khi các tấm trở nên bẩn hơn, nó trở nên phức tạp hơn đối với các vòi phun nƣớc để loại bỏ tất cả bụi bẩn. Thứ hai, cả bộ lọc và mức độ xà phòng nên đƣợc theo dõi và chăm sóc, và điều này dẫn đến việc tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. 1.6.2. Dùng thiết bị máy móc để làm sạch. Ƣu điểm của hệ thống này là hiệu quả của phƣơng pháp đƣợc sử dụng, nhờ vào con lăn, cải thiện đáng kể hệ thống. Nó cũng làm giảm số lƣợng nhân viên cần thiết để sử dụng hệ thống. Bạn có thể tối ƣu hóa và giảm việc sử dụng nƣớc mặc dù nó là không hoàn toàn. Những nhƣợc điểm trái ngƣợc với các hệ thống trƣớc đây, nó là một hệ thống thô hơn nhiều và do đó cần nhiều không gian hơn để làm việc. Kinh nghiệm và đào tạo là một trong những tính năng chính của việc điều hành thiết bị. Việc sử dụng con lăn giúp cải thiện hiệu quả làm sạch, nhƣng việc sử dụng sai cách này có thể ảnh hƣởng nghiêm trọng đến các tấm kính của pin. Dễ làm hỏng hóc các thiết bị. Hình 1. 7 Dùng thiết bị máy móc. Ngoài ra còn có các quá trình thổi không khí trên bề mặt của tấm pin mặt trời là một phƣơng pháp hiệu quả nhƣng nó có một số tính năng tiêu cực nhƣ hiệu quả thấp, sử dụng năng lƣợng lớn và khó bảo trì bố trí quạt gió. 1.6.3. Loại bỏ bụi bằng cách sử dụng phim Nano. Khi các tấm pin mặt trời có một lớp màng nano dạng viên có khả năng tự làm sạch, nó sẽ tự động làm sạch. Phƣơng pháp Tự làm sạch Nano-Films chủ yếu sử dụng hai chiến lƣợc để làm sạch bảng năng lƣợng mặt trời, đó là vật liệu siêu thấm nƣớc hoặc vật liệu siêu kỵ nƣớc. Hai chiến lƣợc này đƣợc giải thích dƣới đây. 9