Thiết kế cải tạo xe lắc năng lượng mặt trời dùng cho người khuyết tật

ừ xe
lắc tay thông thường theo thiết kế của chuyên
gia Philippe Metzinger (Pháp), động cơ điện
nằm ở bánh trước, cấp điện từ ba bình ắc quy,
khi chạy hết điện thì lắc để đi tiếp. Nhưng
khi chạy điện thì cần lắc vẫn chuyển động
theo bánh xe. Chi phí cho việc cải tạo này là
32
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
4 triệu đồng (năm 2009), chưa tính công lắp
đặt [5]. Hiện nay, một số cơ sở cơ điện nhỏ
cũng đang cải tiến xe lắc tay thành xe chạy
điện bằng cách lắp động cơ xe đạp điện, xe
máy điện và loại bỏ hoàn toàn phần lắc tay
với nhiều mức giá khác nhau.
Trên thế giới, một số mẫu xe ba bánh năng
lượng mặt trời dùng cho người khuyết tật đã
được nghiên cứu như Hình 3, với các thông số
kĩ thuật khác nhau [6]–[9]. Chúng ta dễ nhận
ra rằng xe (a) [6] và (b) [7] được phát triển từ
loại xe quay tay dành cho người khuyết tật,
còn xe (c) [8] và (d) [9] là từ xe đạp thông
thường. Tấm pin mặt trời cấp điện cho ắc quy
và xe chỉ chạy được bằng điện.
Hình 3: Một số mẫu xe điện xe ba bánh năng
lượng mặt trời dùng cho người khuyết tật
Nhìn chung, việc các mẫu xe điện cải tạo
từ xe tay đều được người sử dụng đánh giá
cao, do nó giúp giảm bớt mệt nhọc và di
chuyển nhanh hơn [4], [5]. Tuy nhiên, các
giải pháp này vẫn còn có nhược điểm so với
nhu cầu sử dụng cho người khuyết tật nghèo
như hết điện đột ngột, giá thành cao, thiếu
mui che hoặc mui che khá nhỏ.
III. GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
Từ tổng quan nêu trên, một chiếc xe lắc tốt
hơn cho người khuyết tật cần đáp ứng được
các yêu cầu sau:
(i) Hoạt động đa chế độ, chạy điện hoàn
toàn khi di chuyển trên đường bằng, kết hợp
điện và lắc tay trong trường hợp lên dốc hoặc
điện yếu, lắc tay khi hết điện hoặc di chuyển
ngắn (Hình 4).
Hình 4: Sơ đồ ba chế độ hoạt động
(ii) Có mui che đủ lớn để khi di chuyển
người ngồi trên xe không bị nắng, mưa tạt
trực tiếp vào thân trên
(iii) Sử dụng pin mặt trời để tiết kiệm năng
lượng và tăng quãng đường đi
(iv) Chế tạo và lắp đặt dễ dàng
(v) Giá thành không quá 10 triệu đồng, bao
gồm cả xe lắc. Đồng thời, trên cơ sở chiếc xe
lắc có sẵn, các bộ phận phải được chế tạo và
lắp đặt thêm mà không tác động nhiều đến
kết cấu, cũng như hoạt động của xe. Trong
mùa mưa, nếu pin mặt trời không sử dụng
được thì chúng ta tháo ra và thay bằng tấm
che để giảm trọng lượng xe.
IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
A. Tính toán thiết kế
Trọng lượng toàn bộ được giả định để tính
toán là 129 kg, bao gồm cả xe và người (Bảng
1). Tốc độ 15 km/giờ được chọn bằng với vận
tốc trung bình của người đi xe đạp, khi đi trên
đường bằng và có lực quán tính thì sẽ đạt giá
trị cao hơn. Nguồn điện 24 V là phù hợp với
các loại động cơ dùng phổ biến cho xe đạp
điện, xe máy điện.
1) Công suất động cơ điện: Giả thiết trọng
lượng toàn bộ được phân đều trên ba bánh xe,
công suất động cơ điện được tính như sau:
P = F . v (1)
F – lực cản (N)
33
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Bảng 1: Các thông số thiết kế ban đầu
v – vận tốc (m/s)
Trong đó: F = Fd + Fkk + Fl + Fq (2)
Lực cản lên dốc:
FFd = m’ . g . sinθ = 22,07 N (3)
m’ = 43 kg – trọng lượng trên mỗi bánh
xe
g = 9,81 m/s2 – gia tốc trọng trường
Lực cản không khí:
Fkk = 0,5 Cd . A . ρ . v02 = 0,96 N
(4)
Cd = 0,1 – hệ số cản không khí
ρ = 1,2 kg/m3 – mật độ không khí
v0 = v + 1,5 = 16,5 m/s – vận tốc tương
đối giữa xe và không khí
Lực cản lăn:
Fl = Cr . m’. g = 1,69 N 5)
Cr = 0,004 – hệ số cản lăn
Lực cản quán tính:
Fq = m . a = 34,40 N (6)
a = 0,8 m/s2 – gia tốc tịnh tiến của xe
Nên F = 59,12 N và P = 246,32 W.
Từ kết quả này, ta chọn động cơ điện một
chiều không chổi than (BLDC) 24V – 250
W, đây là loại động cơ có sẵn dùng cho xe
đạp trợ lực điện hoặc xe đạp điện.
2) Ắc quy: Dòng điện cần thiết mà ắc quy
cần cung cấp là: I = P / U = 250 / 24 = 10,42
Ah (7)
Theo tính toán này, để xe có thể chạy điện
được 30 km, ta chọn hai bình ắc quy 12V –
30 Ah mắc nối tiếp, như vậy, điện áp cung
cấp cho động cơ là 24 V. Việc dùng hai bình
12 V thay vì một bình 24 V là để dễ bố trí
và phân đều trọng lượng hai bên thân xe.
3) Chọn pin mặt trời: Công suất để nạp
đủ và an toàn cho ắc quy 24 V – 30 Ah là
P = 24 . 30 = 720 Wh. Giả sử điều kiện xe
hoạt động là ngày nắng đẹp từ 8 giờ đến 16
giờ, công suất pin 24 V tính được là Pp = P
/8 = 90 W.
Để phù hợp với thông số các loại pin mặt
trời có sẵn trên thị trường, ta chọn công suất
là 120 W. Lúc này, thời gian để nạp đủ ắc
quy sẽ là 6 giờ. Đương nhiên, trong ngày
nắng yếu, thời gian nạp sẽ dài hơn hay thậm
chí không nạp đủ được.
B. Lắp đặt, chế tạo
Sử dụng một chiếc xe lắc khung thép hiệu
Đức Cường (duccuongxelan.com) sẵn có trên
thị trường, trọng lượng 38 kg, kích thước 178
cm (dài) x 58 cm (rộng) x 100 cm (cao), các
bộ phận được lắp đặt và chế tạo như Hình 4.
Sau khi hoàn thành, kích thước của xe thay
đổi thành 205 cm (dài) x 108 cm (rộng) x
150 cm (cao). Tuy các kích thước đều tăng
nhưng trọng tâm của các phần lắp thêm vào
đều được bố trí trùng với trọng tâm của xe
(chính giữa nệm ngồi) nên độ ổn định khi
hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều so với
ban đầu.
34
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Hình 5: Xe lắc năng lượng mặt trời cho người
khuyết tật
1) Động cơ điện và ắc quy: Vì trọng tâm
xe nằm gần hai bánh sau nên dẫn động bánh
sau sẽ là phù hợp, nhưng sẽ có giá thành cao,
chế tạo phức tạp. Do vậy, một moay ơ điện
một chiều hiệu GP (Trung Quốc sản xuất)
được lắp vào bánh trước (Hình 5), thông số
kĩ thuật như sau:
- Điện áp định mức: 24 V
- Công suất định mức: 250 W
- Đường kính: 12 inches
- Tốc độ định mức: 180 – 450 rpm
- Trọng lượng: 1,9 kg
Hình 6: Lắp đặt moay ơ điện (a) và ắc quy
(b)
Để giảm giá thành chế tạo, ta sử dụng hai
bình ắc quy chì loại thường dùng cho xe máy
điện, hiệu Mochi, thông số kĩ thuật một bình
như sau:
- Điện áp: 12 V
- Dòng điện: 30 Ah
- Trọng lượng: 6,5 kg.
2) Pin mặt trời: Giá đỡ bằng thép ống Φ
27 được lắp với thân xe bằng bu lông M10
vừa là nơi đặt pin mặt trời vừa tạo thành mái
che nắng, mưa cho người lái. Bốn tấm pin
loại Poly được đấu nối với nhau như sơ đồ ở
Hình 6 để đạt điện áp 24 V và công suất 120
W, kích thước 135 cm (dài) x 108 cm (rộng).
Thông số kĩ thuật một tấm pin như sau:
- Công suất lớn nhất: 55 W
- Điện áp lớn nhất: 19,44 V
- Dòng điện lớn nhất: 2,93 A
- Điện áp hở mạch: 23,14 V
- Dòng ngắn mạch: 3,08 A
- Trọng lượng: 4,7 kg
- Kích thước (dài x rộng x cao): 671 x 540
x 35 mm.
Hình 7: Sơ đồ đấu nối pin mặt trời
Một bộ nạp có thông số kĩ thuật tương ứng
kết nối tấm pin với ắc quy, đảm bảo tự ngắt
khi pin không nạp điện và khi ắc quy đầy,
tránh tổn hao điện.
3) Bộ phận điều khiển: Bộ phận điều
khiển gồm tay lắc sẵn có của xe và tay phanh
(bên trái), tay ga (bên phải) được lắp trên hai
đoạn ống inox hàn thêm vào tay lắc như Hình
7. Công tắc lùi lắp trên thanh ngang sẵn có
của tay lắc.
Động cơ điện được bật tắt bằng ổ khóa
điện nằm ở tay ga, trên tay ga còn có đồng
hồ báo dòng điện. Khi mở khóa, chỉ số báo
dòng điện sẽ sáng lên, người lái chỉ cần vặn
tay ga để xe chạy, trong khi xe chạy tay lắc
được giữ yên. Tốc độ được điều chỉnh bằng
cách tăng giảm ga. Khi lên dốc hoặc điện yếu
thì lắc thêm để trợ lực.
Tay phanh chỉ phanh được bánh chủ động
là bánh trước, bánh sau bên phải có một tay
phanh gạt, chỉ dùng khi dừng, đỗ để tránh trôi
35
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Hình 8: Tay phanh (a) và tay ga (b) lắp trên
tay lắc
xe hoặc khi phanh khẩn cấp. Tay phanh còn
là một công tắc thường mở, khi bóp phanh
điện áp 5 V từ cụm dây ngắt phanh trong
bộ điều tốc chạm max điều khiển động cơ
ngừng hoạt động để đảm bảo an toàn. Khi đi
xuống dốc có độ dốc cao thì nên tắt động cơ
và sử dụng tay phanh.
Hình 9: Bộ điều tốc
Khi muốn đi lùi thì trước tiên xe phải ở
trạng thái đứng yên, nếu đang tiến thì phải
phanh để dừng lại. Sau đó, bật công tắc lùi
rồi lên ga để lùi, động cơ sẽ được đảo chiều
quay thông qua một bộ điều tốc 24 V/250 W
như Hình 8.
4) Bộ truyền động xoay một chiều: Ở xe
lắc, chuyển động lắc sẽ được chuyển thành
chuyển động quay của bánh sau bên phải
thông qua một cơ cấu tương tự trục khuỷu
(Hình 8). Trường hợp xe tự chạy, như khi
xuống dốc, tay lắc vẫn hoạt động theo chuyển
động quay của bánh xe. Do vậy, nếu để
nguyên cơ cấu này thì người lái sẽ phải liên
tục lắc tay bị động khi xe chạy điện, gây mệt
mỏi không cần thiết.
Bộ truyền động xoay một chiều thay cho
thanh dẫn động lắp cứng sẽ khắc phục được
điều này. Bộ truyền động hoạt động tương tự
líp xe đạp và thực tế được chế tạo bằng cách
tạo vành trục giả rồi lắp một cái líp xe đạp
vào trục bánh xe. Thanh dẫn động được chế
tạo như Hình 7b và gắn cứng với vành ngoài
của líp bằng bốn bu lông M10.
C. Khảo nghiệm
1) Thời gian nạp đầy ắc quy bằng pin mặt
trời: Trong một ngày nắng đẹp, ắc quy của
xe được xả hết điện và nạp lại bằng pin mặt
trời, bắt đầu từ 8 giờ sáng. Thời gian nạp đo
được là 7 giờ 12 phút, khá chênh lệch so với
tính toán. Điều này có thể giải thích là do
hiệu suất thu của tấm pin và sự thay đổi của
bức xạ mặt trời trong ngày.
2) Chạy điện không dùng pin mặt trời: Sau
khi nạp đầy ắc quy, điện áp hiển thị trên đồng
hồ 26,4 V, xe được thử nghiệm chạy liên tục
từ Trường Cao đẳng Giao thông Huế, số 365
Điện Biên Phủ đến số 266 Điện Biên Phủ, và
ngược lại cho đến khi không chạy được nữa,
điện áp còn 23,8 V. Đoạn đường này dài 550
m, có một đoạn dốc nhẹ (5o) dài khoảng 100
m ở trước số 266. Điện Biên Phủ còn lại là
đường bằng. Kết quả quãng đường đi được
là 27,4 km.
Nếu hiệu suất của động cơ là 0,7 thì quãng
đường đi được theo lí thuyết là:
s = v . 0,7 . Pắc quy/Pdc = 15 . 0,7 . 720 /
250 = 30,24 km
Sự chênh lệch này một phần do ma sát ở
các trục bánh xe, độ rơ của tay lái và cân
nặng của người thử nghiệm là 63 kg so với
55 kg tính toán.
Tốc độ tối đa đạt được là 25 km/giờ. Khi
leo dốc, kết quả thử nghiệm cho thấy, sức
kéo của động cơ điện chỉ giúp xe vượt qua
được độ dốc dưới 7o, từ đó trở lên phải lắc
tay trợ lực. Dốc càng cao và dài thì lắc tay
phải càng nhanh.
3) Chạy điện dùng pin mặt trời: Cũng ở
đoạn đường trên, trong ngày nắng đẹp, xe
được nạp đầy ắc quy và đặt chế độ nạp từ
pin mặt trời, điện áp hiển thị trên đồng hồ
26,4 V. Việc chạy thử nghiệm bắt đầu từ 8
giờ, cứ 30 phút chạy 3 km rồi dừng lại ở
ngoài nắng, nghỉ lượt 12 giờ 30 và kết thúc
36
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Hình 10: Cơ cấu truyền động bánh xe trước (a), sau khi cải tạo (b) và cấu tạo chi tiết bộ
truyền động xoay một chiều (c)
vào lúc 16 giờ, lúc này điện áp đo được là
24,1 V. Cách di chuyển đi rồi nghỉ này được
thiết kế theo hoạt động của người bán vé số
hay hàng rong. Như vậy, sau khi di chuyển
48 km thì dung lượng ắc quy còn lại khoảng
13%.
D. Giá thành của xe
Giá thành trình bày ở Bảng 2 là trong điều
kiện chế tạo thử nghiệm, đơn chiếc, do vậy,
sẽ cao hơn so với sản xuất số lượng lớn. Ước
đoán giá thành sản xuất với số lượng từ 100
chiếc trở lên sẽ khoảng 7 triệu đồng, trong
đó phần lắp thêm là 4 triệu đồng.
Chẳng hạn, động cơ điện cùng loại hiện
được rao bán giá chỉ từ 5 – 15 USD trên
trang vietnamese.alibaba.com, tính ra khoảng
116.000 – 345.000 VNĐ, tùy theo số lượng
đơn hàng, thấp nhất là 100 bộ. Giá này chỉ
khoảng 1/10 đến 1/3 so với giá mua ở Bảng
2, chưa tính phụ kiện.
Tương tự, các chi tiết và bộ phận phải chế
tạo như giá đỡ, bộ truyền động quay một
chiều cũng có thể rẻ hơn đến một nửa nếu
sản xuất với số lượng trên 100 chiếc.
V. KẾT LUẬN
Kết quả tính toán và khảo nghiệm đã cho
thấy xe lắc năng lượng mặt trời được chế tạo,
lắp đặt đảm bảo yêu cầu đề ra. Xe sẽ giúp
người khuyết tật sử dụng đi được nhanh và
xa hơn, ít tốn sức hơn lại hầu như không tốn
chi phí điện năng. Giá thành cũng ở mức phù
hợp để có thể tự trang bị hoặc để các tổ chức,
cá nhân kêu gọi tài trợ.
Giải pháp cải tạo này có thể thực hiện
riêng lẻ hoặc hàng loạt, phù hợp nhất là các
doanh nghiệp sản xuất phần điện và năng
lượng mặt trời như phụ kiện tùy chọn của
xe. Khách hàng có thể chọn lắc tay, chạy điện
hoặc chạy điện năng lượng mặt trời tùy theo
khả năng và nhu cầu. Với năng lượng mặt
trời lại có thể chọn lắp 2, 4 hoặc 6 tấm pin
tùy theo độ dài quãng đường thường xuyên di
chuyển. Khi chưa có điều kiện mua ngay một
lúc, người sử dụng có thể mua từng phần.
Nếu có thêm kinh phí, người sử dụng có
thể chế tạo thêm kính chắn gió trước và sau
bằng polycarbpnat, chủ yếu sử dụng vào mùa
mưa. Việc dùng pin mặt trời siêu dẻo sẽ giúp
37
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 36, THÁNG 12 NĂM 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Bảng 2: Giá thành xe lắc năng lượng mặt trời
giảm trọng lượng xuống thêm khoảng 18 kg,
tuy nhiên, giá thành pin sẽ tăng lên khoảng
8 triệu đồng.
Nhược điểm của thiết kế này là động cơ
điện có công suất khá nhỏ, chỉ 250 W, nên
khả năng vượt dốc không cao, chỉ phù hợp
với đường bằng. Ở nơi có nhiều đường dốc,
người sử dụng cần tăng công suất động cơ
lên thêm. Tuy vậy, việc này sẽ dẫn đến giảm
quãng đường hoặc tăng dung lượng ắc quy,
pin mặt trời, trọng lượng xe và tất nhiên là
cả giá thành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Venkatesh C P, Rajesh U, Hari S N, Sugin E R, Pavan
K K B, Little P S A. Review on modified vehicles for
differently abled people. International Research Jour-
nal of Engineering and Technology. 2018;5(10):1550–
1558.
[2] Cửa hàng Xe lăn 243. Sản phẩm; 2019. Truy cập từ:
 [Ngày truy
cập: 26/01/2019].
[3] Công ty TNHH Onplaza Việt Pháp. Xe máy điện; 2019.
Truy cập từ: https://www.xedienvietphap.com/xe-may-
dien [Ngày truy cập: 26/01/2019].
[4] Ngọc Thu. Nhóm chế tạo Robot ĐH Duy Tân
sáng chế xe lăn điện tặng người khuyết tật.
Trường Đại học Duy Tân; 2019. Truy cập từ:
https://duytan.edu.vn/news/NewsDetail.aspx?id=4382
&pid=2061&lang=vi-VN [Ngày truy cập: 26/01/2019].
[5] Tùng Nguyên. Ông Tây làm xe lắc điện tặng người
khuyết tật Việt Nam. Báo Dân Trí; 2019. Truy cập
từ: https://dantri.com.vn/xa-hoi/ong-tay-lam-xe-lac-
dien-tang-nguoi-khuyet-tat-viet-nam-1363571345.htm
[Ngày truy cập: 13/3/2013].
[6] Desai P, Kapadia D, Nikunj T. Design and fabrication
of solar tricycle. International Journal of Engineering
Sciences & Research Technology. 2016;5(6):658–665.
[7] Kandasamy R, Raut S, Varma D, There G. Design
of Solar Tricycle for Handicapped Person. Journal of
Mechanical and Civil Engineering. 2013;5(2):11–24.
[8] Masud M H, Akhter M S, Islam S, Parvej A M, Mah-
mud S. Design, Construction and Performance Study
of a Solar Assisted Tri-cycle. Periodica Polytechnica
Mechanical Engineering. 2017;61(3):234–241.
[9] Sonar D, Sonar S, Katariya R. Design of Solar Tricycle
For Handicapped People. International Research Jour-
nal of Engineering and Technology. 2017;4(8):1125–
1129.
38