BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CUNG CẤP ĐIỆN CHO MÁY BƠM NƯỚC NÔNG NGHIỆP Ngành Kỹ thuật điện, điện tử Giảng viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN HÙNG Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Phạm Lê Thế Anh 1711020084 17DDCA1 Nguyễn Minh Hiếu 1711020125 17DDCA1 Dương Cao Thế 1711020200 17DDCA1 Tp HCM, ngày tháng năm 2021 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, nhóm chúng em xin cảm ơn Quý thầy cô ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử đã tận tì.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Ngày nay, sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng với nhu cầu điện năng ngày càng tăng và các vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng đã tạo ra áp lực lớn cho các hệ thống điện truyền thống, làm cho việc phát triển năng lượng tái tạo trở nên cần thiết Nguồn năng lượng tự nhiên như than đá và dầu mỏ đã gây ra ô nhiễm và biến đổi khí hậu, đe dọa an ninh năng lượng toàn cầu Việt Nam đang khuyến khích phát triển năng lượng mặt trời với nhiều dự án PV tại các tỉnh như Quảng Ngãi, Khánh Hòa và Bình Thuận Các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió và mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, trong đó năng lượng mặt trời được ưu tiên do tính ổn định và khả năng khai thác dễ dàng Tính đến năm 2020, công suất lắp đặt năng lượng mặt trời ở Việt Nam đã đạt trên 16,6GW, chiếm 24% tổng công suất lắp đặt của lưới điện quốc gia, và theo quy hoạch năng lượng mới, dự kiến đến năm 2030, điện mặt trời sẽ đạt 18,6GW và điện gió 18GW, chiếm 30% tổng công suất lắp đặt.
Năm 2020, tăng trưởng tiêu thụ điện trong nước chỉ đạt 2.2% do ảnh hưởng của dịch Covid-19 Tuy nhiên, dự kiến khu vực sản xuất lớn của Việt Nam sẽ phục hồi trong quý 4 khi dịch bệnh được kiểm soát và chuỗi sản xuất từ Trung Quốc hồi phục Từ năm 2020 đến 2030, dự báo tăng trưởng điện mặt trời đạt 12.8% và điện gió là 34.2% Trong 25 năm tới, công suất năng lượng tái tạo (NLTT) dự kiến tăng từ 12% lên 30.8% tổng công suất phát điện vào năm 2045 Ngược lại, thủy điện sẽ có mức tăng trưởng nhẹ trong thập kỷ tới, với tỷ trọng giảm từ 36.2% năm 2020 xuống khoảng 18.1% vào năm 2030.
2020, với sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn NLTT
Bảng 1 1: Dự báo về công suất nguồn phát điện tại Việt Nam giai đoạn 2020-
Thị trường năng lượng tái tạo (NLTT) hiện có giá trị 714 tỷ USD, trong đó điện mặt trời chiếm 280 tỷ USD và điện gió chiếm 434 tỷ USD, tạo ra một sân chơi đầu tư quy mô lớn với thời gian phát triển trên 25 năm Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) cho điện mặt trời cao hơn, đạt tối đa 36% cho điện áp mái dân dụng, trong khi điện gió có IRR thấp hơn Dự báo, lĩnh vực này sẽ tăng trưởng trung bình gần 20% trong 10 năm tới, gấp hơn 2 lần so với tốc độ tăng trưởng trung bình của ngành điện, khoảng 9%.
Nguyên nhân chính là do chuyển hướng chiến lược trong ngành năng lượng, giảm tỷ trọng nhiệt điện than và tăng cường sản xuất điện từ năng lượng mặt trời và gió Dự báo đến năm tới, xu hướng này sẽ tiếp tục được duy trì và phát triển mạnh mẽ.
2030, tỷ trọng công suất phát từ NLTT sẽ vượt qua điện than
Giá thành cao của tấm pin mặt trời là một trong những rào cản lớn trong việc khai thác năng lượng mặt trời, do đó cần nâng cao hiệu suất của chúng Mặt trời di chuyển khoảng 180 độ so với một điểm cố định trên mặt đất vào những ngày nắng, khiến tấm pin cố định không tận dụng hết năng lượng bức xạ, dẫn đến hao phí Với những ưu điểm vượt trội, năng lượng mặt trời đang được chú trọng phát triển và dự kiến sẽ trở thành nguồn năng lượng quy mô lớn trong tương lai Hệ thống nâng cao hiệu suất pin mặt trời tự động điều chỉnh vị trí tấm pin để ánh sáng chiếu vuông góc, từ đó tăng cường hiệu suất khai thác năng lượng.
Tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt của nó.
Hệ thống tấm pin mặt trời tự xoay theo hướng di chuyển của mặt trời với thiết kế trục kép giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác năng lượng bức xạ mặt trời Chúng tôi đã phát triển một hệ thống solar tracking đơn giản và chi phí thấp, được điều khiển tự động bằng vi điều khiển Arduino Nghiên cứu này không chỉ cung cấp giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả mà còn phục vụ cho giáo dục STEM và nhu cầu tưới tiêu trong nông nghiệp.
Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh góc quay của bề mặt thu năng lượng mặt trời nhằm tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng từ mặt trời Thiết kế và thi công một hệ thống pin năng lượng mặt trời với mục tiêu khai thác tối đa nguồn năng lượng này, đạt hiệu suất cao và đảm bảo hoạt động ổn định, đồng thời xác định điểm có công suất cực đại.
4 trong điều kiện nhất định Kết hợp tưới (tiêu) cho nông nghiệp có dò điểm công suất cực đại.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Hệ thống này sử dụng tấm pin quang điện để thu năng lượng mặt trời và thiết bị chuyển đổi nguồn thông minh từ DC sang AC, tạo ra dòng điện AC dạng sóng sin chuẩn, phục vụ cho bơm nước tưới tiêu trong nông nghiệp.
Hệ thống dàn pin mặt trời được điều hướng theo ánh sang mặt trời, bơm nước tưới cho nông nghiệp
Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời
Phương pháp nghiên cứu
Tập trung nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề sau:
- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin mặt trời
- Góc quay và giờ mặt trời
- Mạch điện tử, vi điều khiển và cấu trúc lập trình
- Động cơ, điều khiển động cơ và cơ cấu truyền động cơ khí
- Máy bơm nước cho nông nghiệp
- Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại vị trí đặt tấm pin mô hình
- Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu qủa dàn pin tự xoay so với dàn pin cố định
- Cải tiến mô hình thực nghiệm cho hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời để nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời.
Nội dung nghiên cứu
- Phát triển hướng chế tạo cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí trong thực tế
Thử nghiệm và chế tạo tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp với máy bơm nước nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng trong nông nghiệp Việc ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tăng cường hiệu quả tưới tiêu, góp phần phát triển bền vững cho ngành nông nghiệp.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm hiệu quả về hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời
- Kết luận, đưa ra hướng phát triển cho những nghiên cứu về nâng cao hiệu suất pin mặt trời
Hướng triển khai đề tài
Mặc dù đã có nhiều hệ thống dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng các phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu cơ khí cho các hệ thống này vẫn chưa được cụ thể hóa Kết cấu và kích thước của dàn tự xoay chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Để triển khai đề tài một cách hiệu quả, cần làm rõ các vấn đề liên quan đến tính toán và thiết kế.
1 Tính toán lựa chọn loại động cơ, công suất cần thiết để xoay dàn pin năng lượng Mặt trời cũng như sự ảnh hưởng của tốc độ quay động cơ
2 Thiết kế, lựa chọn các thành phần cơ khí trục đỡ và phương pháp xoay dàn pin
3 Giải quyết bài toán tự động điều hướng, góc quay động cơ
4 Liên kết các thành phần trong hệ thống sao cho đạt được hiệu quả cao nhất
5 Đánh giá về hiệu quả vận hành giữa mô hình không sử dụng hệ thống tự điều hướng và mô hình có hệ thống tự điều hướng
6 Tính toán bơm nước cho nông nghiệp Đề tài này được thực hiện nhằm giả quyết những vấn đề nêu trên đồng thời ứng dụng thi công mô hình có hệ thống tự điều hướng với tấm pin năng lượng mặt trời Kết quả thực nghiệm mô hình này có thể được dùng làm cơ sở cho các hướng phát triển về hệ thống pin năng lượng mặt trời tiếp theo Đồng thời, kết hợp với Máy bơm năng lượng mặt trời mang tính khả thi về kinh tế cho hệ thống thủy lợi, chẳng hạn như tưới nhỏ giọt, trong đó lượng nước sử dụng ít nước hơn các loại khác Hệ thống bơm năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua việc sử dụng tế bào quang điện (PV) Các tế bào quang điện đươc đấu nối với nhau để tạo ra một module năng lượng mặt trời Điện được sản xuất bởi các tế bào PV được sử dụng trực tiếp đến máy bơm nước chìm Các máy bơm nước được sử dụng để
Bơm nước từ giếng hoặc các nguồn nước mặt như ao hồ vào bể chứa nước trên cao là một phương pháp hiệu quả để cung cấp nước cho vật nuôi Nước từ bể chứa này có thể được sử dụng linh hoạt cho các nhu cầu khác khi cần thiết.
7
T ỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI
Hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng của dàn pin để tối ưu hóa ánh sáng chiếu vào tấm pin trong suốt cả ngày, từ đó tăng hiệu suất đáng kể Có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, với khả năng xoay độc lập theo góc phương vị và góc vĩ độ Hệ thống xoay quanh hai trục vuông góc cho hiệu suất cao hơn so với dàn pin cố định Mặc dù dàn xoay một trục có cấu trúc đơn giản hơn và hiệu suất thấp hơn, cả hai loại dàn đều cần năng lượng để vận hành cơ cấu điều khiển Điều này mở ra cơ hội đầu tư cho thiết kế và chế tạo các hệ thống dẫn động cơ khí và điều khiển tự động cho dàn pin năng lượng mặt trời.
Trái đất quay quanh trục của mình, dẫn đến sự thay đổi liên tục của góc ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến lượng bức xạ mà các tấm pin năng lượng hấp thụ Để tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời, cần có hệ thống thiết bị định hướng tấm pin quang điện theo hướng mặt trời, được gọi là hệ thống solar tracking.
Hình 2 1: Đường đi của mặt trời
Năng lượng mặt trời, với những ưu điểm vượt trội và khả năng khai thác dễ dàng, đang trở thành nguồn năng lượng chủ lực trong tương lai gần Mỗi ngày, trái đất nhận được khoảng 1.600.10^6 GWh, trong đó 25% bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất, 30% được phản xạ trở lại không gian, và 45% chuyển đổi thành nhiệt Năng lượng mặt trời cung cấp cho con người khoảng 10^9 GWh, trong khi nhu cầu năng lượng của con người chỉ khoảng 140*10^6 GWh Điều này có nghĩa là nếu toàn bộ nhân loại sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời, chỉ cần một ngày khai thác sẽ đủ cho 27 năm sử dụng Bức xạ mặt trời có một phổ rộng với cường độ bức xạ tối đa truyền trong không gian bên ngoài mặt trời.
Hình 2 2: Bức xạ mặt trời
Hình 2 3: Dải bức xạ điện từ
P HÂN BỐ BỨC XẠ MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở V IỆT N AM
2.2.1 Phân bố bức xạ mặt trời trên thế giới
Năng lượng mặt trời thay đổi bởi vì sự chuyển động tương đối của mặt trời
Bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian trong ngày và mùa trong năm, với lượng bức xạ cao nhất vào giữa trưa Khi Mặt Trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời, đường đi của tia nắng mặt trời qua bầu khí quyển được rút ngắn, dẫn đến việc ít bị tán xạ và hấp thụ hơn Do đó, lượng bức xạ đến bề mặt Trái Đất vào thời điểm này sẽ lớn hơn.
Hình 2 4: Phân bố cường độ bức xạ trên Việt Nam 2.2.2 Phân bố bức xạ mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam, trải dài từ vĩ độ 23°23' Bắc đến 8°27' Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, đặc biệt là tại thành phố Hồ Chí Minh.
Các vùng Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh đều có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào Năng lượng mặt trời ở Việt Nam không chỉ ổn định mà còn có sẵn quanh năm, phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước.
- Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm
Giá trị bức xạ năng lượng mặt trời tại Việt Nam dao động từ 897 kWh/m2/năm đến 2108 kWh/m2/năm, với giá trị trung bình hàng ngày từ 2,46 kWh/m2 đến 5,77 kWh/m2 Khu vực từ Đà Nẵng vào miền Nam có bức xạ mặt trời cao, dao động từ 4,4 đến 5,6 kWh/m2 Đặc biệt, các tỉnh như Long An, Tây Ninh, Bà Rịa Vũng Tàu, Bình Thuận và Ninh Thuận có mức bức xạ năng lượng mặt trời rất cao, lên đến 5,6 kWh/m2, cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng mặt trời tại đây.
TT Khu vực Cường độ BXMT
Số giờ nắng trung bình ( giờ/ năm )
Bảng 2 1: Giá trị trung bình cường độ bức xạ ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam
M ỘT SỐ NHÀ MÁY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI V IỆT N AM
Chủ đầu tư Bà VÕ THỊ NGOAN
Tổng mức đầu tư 165 tỷ
SP giao dịch chính Sản xuất điện năng
Qui mô dự án 12,7 Mwp
Hình 2 5: Nhà máy NLMT tại Long An
Tên dự án/ nhà máy
Tỉnh Công suất Chủ đầu tư
1.Nhà máy điện mặt trời Phước
Ninh Thuận 50 Cong ty CP Đầu tư xây dựng Vịnh Nha Trang
2.Nhà máy điện mặt trời Cam Lâm
Khánh Hòa 50 Công ty TNHH Cam Lâm
Soalr 3.Dự án điện mặt trời Trung Nam ( hình 6 )
Ninh Thuận 204 Công ty CP điện mặt trời
4.Nhà máy điện mặt trời Xuân Thọ
Phú Yên 49,6 Công ty CP Quang Điện
5.Nhà máy điện mặt trời Xuân Thọ
Phú Yên 49,6 Công ty CP Quang Điện
6.Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng
Tây Ninh 150 Công ty CP năng lượng
7.Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng
Tây Ninh 200 Công ty CP năng lượng
8.Nhà máy điện mặt trời Bình An
Bình Thuận 50 Công ty TNHH Năng lượng
Everich Bình Thuận 9.Nhà máy điện mặt trời Thuận
Bình Thuận 50 Công ty CP SD Trường
Thành Công ty TNHH Tái Chính hạ tầng
Bảng 2 2: Một số nhà máy NLMT tại Việt Nam
Hình 2 6: Nhà máy điện mặt trời cơ chế dẩn hướng
Hình 2 7: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất
Hình 2 8: Tính năng theo dõi ngang của iPV Tacker 360
Hình 2 10: Tấm pin mặt trời áp mái
Hình 2 11: INVERTER điện mặt trời
Hình 2 12: Bơm nước vô bồn chứa nước
P IN MẶT TRỜI
3.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số pin mặt trời
Cấu tạo pin mặt trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong lớp bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng một chiều Cấu tạo của pin mặt trời bao gồm các lớp vật liệu bán dẫn, thường là silicon, cùng với các thành phần khác để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang dẫn, cho phép tạo ra dòng điện khi bề mặt pin được chiếu sáng.
Hình 3 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Gồm 3 phần chính như đã mô tả ở hình trên:
Mặt ghép bán dẫn p-n, được làm từ tinh thể Silic, là thành phần chính của pin mặt trời Lớp n thường được thiết kế mỏng để ánh sáng có thể dễ dàng chiếu tới lớp tiếp xúc p-n, tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Điện cực là thành phần quan trọng trong việc dẫn điện đến phụ tải Để đảm bảo hiệu suất, vật liệu làm điện cực cần có độ dẫn điện tốt và khả năng bám dính hiệu quả vào chất bán dẫn.
- Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu suất của pin giảm Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện, khi lớp p-n hấp thụ ánh sáng, tạo ra cặp điện tử và lỗ trống, trở thành các hạt tải điện tự do Điện tử di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n, trong khi lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p Khi có tải nối bên ngoài giữa hai cực, dòng điện sẽ xuất hiện.
Cho tới nay vật liệu để chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại sau:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất cao và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống
Đa tinh thể được sản xuất từ thỏi đúc từ silic nóng chảy, sau đó trải qua quá trình làm nguội và rắn hóa Mặc dù loại này có giá thành thấp hơn so với đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó lại kém hơn.
Dải Silic được chế tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại dải này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn kinh tế nhất do không cần cắt từ thỏi silicon.
Hỡnh 3 2: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)ỉ Đặc tớnh làm việc của Pin mặt trời
Hình 3 3: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời
Khi được chiếu sáng, pin mặt trời phát ra dòng quang điện Iph, cho phép coi nó như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc p-n hoạt động giống như một diode D, nhưng khi phân cực ngược, vẫn có dòng điện rò qua do điện trở tiếp xúc giới hạn Dòng điện rò này được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh Dòng quang điện phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực và lớp tiếp xúc, tạo thành tổng điện trở trong mạch, được biểu diễn bằng điện trở RS mắc nối tiếp Từ đó, ta có thể xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát của pin mặt trời.
𝑛𝐾𝑇 – 1) (3.1) Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:
Theo định luật Kirchhoff về điện thế:
- IS – Dòng điện bão hòa của diode (A)
- ID - Dòng điện qua diode (A)
- IPV - dòng điện ngõ ra của PV (A)
- VPV - điện áp ngõ ra của PV (V)
- q - điện tích của electron (q= 1.602 x 10ି (mũ-19) C)
Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), suy ra phương trình đặc tính I-V của một tế bào pin mặt trời:
Để đạt được công suất, điện áp và dòng điện theo yêu cầu, cần ghép các tế bào pin mặt trời thành một module Cụ thể, nếu ghép nối tiếp Ns tế bào và ghép song song Np các dãy tế bào pin mặt trời nối tiếp, sẽ tạo ra phương trình đặc tính I.
) (3.5) Đặc tính của pin mặt trời:
− Đặc tính I-V lý tưởng của pin mặt trời:
Hình 3 4: Mạch điện công suất và mạch điều khiển của hệ thống PV một pha- nối lưới
Bộ chỉnh lưu DC/DC thực hiện hai chức năng quan trọng: tối ưu hóa công suất phát từ hệ thống năng lượng mặt trời (PV) trong mọi điều kiện bức xạ thông qua MPPT và khuếch đại điện áp VPV của PV để cung cấp cho bộ nghịch lưu DC/AC với điện áp đầu ra VDC.
Cầu H sử dụng 4 khóa điều khiển IGBT để chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC Quá trình này được thực hiện thông qua phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM với tần số cơ bản 50 Hz tại Việt Nam và Châu Âu, cũng như 60 Hz tại Mỹ, giúp đồng bộ hóa với điện áp lưới điện.
Sơ đồ mạch điện tương đương của hệ thống Inverter PV một pha nối lưới mô tả các đặc tính thông qua giản đồ vectơ pha, bao gồm điện áp và dòng điện xoay chiều đầu ra của Inverter PV (Vinv, Iout), sụt áp trên điện cảm (VL = jXLIout = jωLIout) và điện áp lưới điện (Vgrid) Góc lệch pha giữa điện áp lưới Vgrid và dòng điện Iout được ký hiệu là φ, trong khi góc lệch δ cũng được xác định trong mạch điện này.
Điện áp giữa Vinv và Vgrid là 23 pha Các giá trị điện áp và dòng điện xoay chiều đầu ra của Inverter PV được xác định là vinv = √2.Vinv∠δ và iiout = √2.Iout∠φ.
Hình 3 5: Sơ đồ mạch điện tương đương
Hình 3 6: Giản đồ vectơ với các đại lượng mạch điện
Bài viết này sẽ phân tích tác động của điện áp Vinv và góc lệch pha đến biên độ dòng điện xoay chiều bơm lên lưới điện Iout, cũng như góc pha của điện áp lưới và dòng điện này Trong hình 3a, khi góc lệch pha giữ cố định và biên độ điện áp đầu ra Inverter PV (Vinv) thay đổi, ví dụ Vinvl = 0,8Vinv, ta nhận thấy biên độ dòng điện Iout và góc pha của điện áp lưới có sự biến đổi Trong hình 3b, khi biên độ điện áp Vinv không đổi và góc lệch pha 2 tăng lên, sự thay đổi của biên độ dòng điện xoay chiều Iout và góc lệch pha điện áp lưới cũng được ghi nhận.
Hình 3 7: Điện áp đầu ra Inverter PV thay đổi
Hình 3 8: Góc lệch pha giữa điện áp đầu ra Inverter PV và điện áp lưới thay đổi
Mặt khác, từ pha-diagram trên hình 2, mối quan hệ giữa các đặc tính như sau:
Vinv sin@ = VL cos𝝋 = XLIout cos𝝋 (3.6)
Công suất tác dụng đầu ra của Inverter PV bơm vào lưới như sau:
Phương trình(2), công suất của nguồn PV bơm vào lưới phụ thuộc vào: điện kháng
XL, điện áp đầu ra Inverter PV, điện áp lưới và sự thay đổi góc lệch pha của 2 điện áp này (𝛿)
Công suất phản kháng của Inverter PV:
XL.Iout sin𝜑 = Vinv cos𝜑 - Vgrid
Giá trị và công suất phản kháng của Inverter PV phụ thuộc vào các yếu tố như điện kháng, biên độ điện áp đầu ra, điện áp lưới và góc pha của điện áp lưới Điều này cho thấy rằng có thể điều chỉnh góc lệch pha giữa điện áp đầu ra của Inverter PV và điện áp lưới, hoặc thay đổi biên độ điện áp xoay chiều của Inverter PV để kiểm soát công suất tác dụng bơm lên lưới điện Đồng thời, công suất phản kháng của Inverter PV tỷ lệ thuận với biên độ điện áp xoay chiều của nó Sự thay đổi trong biên độ điện áp lưới sẽ ảnh hưởng đến dòng công suất mà Inverter PV bơm lên lưới điện.
Hình 3 9: Sơ đồ mạch điện của hệ thống tấm pin mặt trời
Mô hình lý tưởng của pin mặt trời là mô hình không xét tới những ảnh hưởng của điện trở Rsh và RS, có nghĩa là Rsh = ∞, Rs = 0
Phương trình đặc tính I – V thu được của pin dựa vào phương trình (1.5):
Hình 3 10: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng
Hình 3.10 minh họa mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và điện áp I(V), cũng như công suất với điện áp P(V) = I.V, mối quan hệ này thay đổi theo điều kiện thời tiết Mỗi điều kiện khí hậu cụ thể sẽ xác định một điểm công suất tối đa gọi là MPP (maximum power point), tại đó hiệu suất của pin mặt trời đạt mức cao nhất Để làm rõ vị trí và quá trình di chuyển của điểm MPP, phần tiếp theo sẽ phân tích tác động của các yếu tố bên trong và bên ngoài đối với đặc tính của pin mặt trời.
- Ảnh hưởng của Rs và Rsh lên đặc tính I-V của pin năng lượng mặt trời + Ảnh hưởng của điện trở Rsh tới đặc tính I-V của pin
Hình 3 11: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs
Khi có điện trở Rsh thì dòng điện của pin mặt trời cấp cho bị giảm đi một lượng 𝑉
𝑅 𝑠ℎ 𝑠𝑜 so với đặc tính lý tưởng của pin mặt trời nên đặc tính I-V có dạng như
Hình 3 12: Đặc tính I-V khi có điện trở Rs
Khi xét tới ảnh hưởng của Rs thì đường đặc tính thu được bị kéo về phía gốc tọa độ một lượng ΔV = I.Rs như mô tả
Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến pin mặt trời:
H Ệ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI
Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu suất cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó
Hình 3 20: Mô tả góc tới tia ánh sáng mặt trời đối với đối với mặt phẳng tấm pin
Nguyên tắc xoay của mô hình pin mặt trời là luôn hướng tấm pin về phía mặt trời, đảm bảo ánh sáng chiếu vuông góc 90 độ vào bề mặt tấm pin Để tối ưu hiệu suất, có thể kết hợp với bộ điều khiển MPPT nhằm duy trì điểm công suất tối đa (MPP) Nguyên tắc này đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế hệ thống xoay của pin mặt trời.
Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời trục đơn sử dụng giá treo bảng PV nghiêng kết hợp với động cơ điện để điều chỉnh vị trí của bảng theo quỹ đạo gần đúng với mặt trời Trục xoay có thể được thiết kế theo chiều ngang, dọc hoặc nghiêng Sơ đồ tổng quát của bộ theo dõi này thể hiện cả trục xoay và mặt phẳng collector, với góc giữa hai vectơ đơn vị thường được giữ không đổi, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc thu nhận năng lượng mặt trời (Reca-Cardeủa và Lúpez-Luque, 2018).
Hình 3 22: Phương hướng của hệ thống solar tracking trục đơn
Hệ thống solar tracking hai trục có khả năng tối ưu hóa việc thu năng lượng nhờ vào khả năng di chuyển tự do theo hai hướng, cho phép nó theo dõi mặt trời một cách linh hoạt ở bất kỳ vị trí nào.
Hình 3 23: Phương hướng của hệ thống solar tracking trục kép
3.2.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời
Hiện nay, có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng: hệ thống theo trục đơn và hệ thống theo trục kép Hệ thống trục đơn điều chỉnh tấm pin theo chuyển động của Mặt Trời từ Đông sang Tây trên một trục Bắc - Nam, trong khi hệ thống trục kép có khả năng điều chỉnh tấm pin theo cả hai hướng Đông - Tây và Bắc - Nam.
Hình 3 24: Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3 25: Một mô hình pin mặt trời xoay theo hai trục
Tấm pin năng lượng mặt trời hai trục xoay bao gồm một trục thẳng đứng và một trục nằm ngang, cho phép tấm pin được lắp trên một dàn riêng Hệ thống này có ưu điểm nổi bật là khả năng quay đến 360 độ, giúp thu nhận ánh sáng mặt trời tối đa và nâng cao hiệu suất Tuy nhiên, dàn pin này có tính ổn định thấp, yêu cầu thiết lập vị trí ban đầu trước khi vận hành, và đòi hỏi nhiều cấu trúc cũng như quy trình lắp ráp phức tạp.
Hình 3 26: Hệ thống điều hướng tấm pin
T ỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH
Hệ thống mô hình gồm các thành phần được mô tả như sơ đồ khối hình dưới
Hình 4 1: Sơ đồ khối của một hệ thống điều hướng tự động
Tổng quan về các thành phần:
- Hệ thống cơ khí trục đỡ, trục xoay
- Tấm pin năng lượng mặt trời
- Nguồn điện acquy dùng để nạp điện và nuôi mạch điều khiển cùng hai động cơ servo
- Hai động cơ servo với chức năng xoay hai trục
- Bộ cảm biến hướng sáng
- Vi xử lí arduino đóng vai trò xử lí tín hiệu đầu vào và điều khiển
- Các mạch giảm áp, bảng điều khiển bằng tay và hiển thị thông số
Hình 4 2: Mô hình 3D máy bơm nước dùng nguồn năng lượng mặt trời
C Ở S Ở L Ý T HUYẾT T ÍNH T OÁN H Ệ T HỐNG P IN N ĂNG L ƯỢNG M ẶT T RỜI 41
Chọn động cơ servo DC 150W, PB = 150W
Thời gian sử dụng mỗi ngày là T=3h
Để tính tổng số Watt-hour sử dụng hàng ngày cho từng thiết bị, bạn cần ghi lại mức tiêu thụ của từng thiết bị Sau khi cộng tất cả các giá trị này lại, bạn sẽ có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.
Để xác định số Watt-hour cần thiết từ các tấm pin mặt trời cho toàn bộ tải hàng ngày, cần tính đến tổn hao trong hệ thống và đảm bảo tính an toàn cho những ngày nắng.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời, số Watt-hour của tấm pin mặt trời cần phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải Công thức tính toán là: Số Watt-hour cần cung cấp từ các tấm pin mặt trời (PV modules) = (1.3 – 1.5) x tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng Hệ số an toàn từ 1.3 đến 1.5 được áp dụng để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.
Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời, cần xác định Watt-peak (Wp) cần thiết, phụ thuộc vào khí hậu từng vùng Mức độ hấp thu năng lượng của cùng một tấm pin sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí lắp đặt Để thiết kế chính xác, cần khảo sát từng khu vực và xác định hệ số phát điện của pin mặt trời, hay còn gọi là “panel generation factor” Hệ số này là tích số của hiệu suất hấp thu và độ bức xạ năng lượng mặt trời trong các tháng ít nắng, được đo bằng kWh/m2/ngày Tại Việt Nam, mức hấp thu năng lượng mặt trời khoảng 4.58 kWh/m2/ngày, do đó, tổng số Watt-hour cần cung cấp chia cho 4.58 sẽ cho ra tổng số Wp của tấm pin.
Bình ắc quy sử dụng cho hệ thống năng lượng mặt trời là loại deep-cycle, cho phép xả sâu và nạp nhanh, có độ bền cao với tuổi thọ lâu dài Để tính toán dung lượng ắc quy, có hai phương pháp: phương pháp đầu tiên dựa vào lượng điện sản xuất từ tấm pin mặt trời, yêu cầu dung lượng ắc quy phải gấp 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất hàng ngày Hiệu suất nạp xả của ắc quy khoảng 70-80%, do đó cần chia số Wh do pin mặt trời sản xuất cho 0.7-0.8 và nhân với 1.5 đến 2 để có dung lượng ắc quy cần thiết Nếu nhu cầu sử dụng chủ yếu vào ban ngày, dung lượng ắc quy chỉ cần bằng lượng điện sản xuất từ pin mặt trời Để kéo dài tuổi thọ ắc quy trong hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, nên hạn chế xả sâu.
43 cho ắc quy xả sâu, nên bảo vệ ắc quy ở ngưỡng áp trên 11V (đối với ắc quy 12V) và chuyển sang sử dụng điện lưới hoặc bù lưới
0.85.0.6.12 = 95.5(Ah) (4.4) Lựa chọn Acqui Yêu cầu điện áp theo tấm pin 56.25 wp Điện áp :21.72V
Dòng hở mạch Isc = 8.79 A Điện áp danh định (vmp)= 12V
- 20,92: là phụ tải một ngày (kwh)
- 0,8: mức xả tối đa của Acqui
- 3/10: là Acqui phải bù tối đa mất điện lưới trong ngày sử dụng 10 giây
Động cơ Servo DC hoạt động dựa trên nguyên lý hồi tiếp vòng kín, với rotor là nam châm vĩnh cửu mạnh và stator được quấn bằng các cuộn dây riêng biệt Khi được cấp nguồn theo trình tự thích hợp, rotor sẽ quay, phụ thuộc vào tần số, pha, cực và dòng điện trong cuộn dây stator Mạch điều khiển của động cơ nhận tín hiệu phản hồi về vận tốc và vị trí trong quá trình hoạt động Nếu có bất kỳ trở ngại nào cản trở chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ can thiệp để điều chỉnh hoạt động.
Động cơ DC Servo là một hệ thống hồi tiếp vòng kín, giúp điều chỉnh sai lệch cho động cơ đến khi đạt điểm chính xác, mang lại khả năng kiểm soát tốc độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành Ưu điểm của động cơ này là dễ điều khiển và giá thành rẻ hơn so với các loại động cơ khác Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là sự có mặt của bộ phận chổi than, gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao và quán tính lớn khi giảm tốc độ Để khắc phục, việc sử dụng động cơ DC servo không chổi than sẽ giúp động cơ hoạt động êm ái và hiệu quả hơn Nguyên lý hoạt động của servo là chỉ quay khi nhận được tín hiệu điều khiển trong khoảng góc từ 0 độ đến một giới hạn nhất định.
Động cơ servo có đa dạng kiểu dáng, khối lượng và kích thước, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc khác nhau Chúng được sử dụng từ các mô hình robot nhỏ cho đến máy tiện điều khiển bằng máy tính, cũng như trong các mô hình máy bay và xe hơi.
H Ệ THỐNG CƠ KHÍ TRỤC ĐỠ , TRỤC QUAY
4.3.1 Thiết kế ban đầu Để lựa chọn và thiết kế phần cơ khí hệ thống trục cho hệ thống, cần xem xét đến khối lượng tấm pin, dây dẫn, các thiết bị phụ trợ Trong thực tế vận hành, các hệ thống cơ khí, trục đỡ này còn bị ảnh hưởng bởi yếu tố thời tiết như mưa, gió, bão , vì vậy người thiết kế cần đưa ra các phương án lựa chọn kết cấu hệ thống cơ khí, trục đỡ và chất liệu sao cho đảm bảo hệ thống vận hành ổn định dưới các điều kiện thời tiết khác nhau Đối với mô hình nhỏ như trong đề tài, sau khi khảo sát các kết cấu dàn tự xoay, một mô hình kết cấu hệ thống tự xoay đã được đề xuất Kết cấu được xây dựng trên phần mềm Solidworks như hình bên dưới
Hình 4 3: Bản vẽ hình chiếu đứng mô hình (đơn vị: mm)
Hình 4 4: Bản vẽ hình mô hình (đơn vị: mm)
Mô hình kết cấu được xây dựng trên phần mềm Solidworks Mô hình được lắp ráp bởi:
Phần chân đế được cấu tạo từ hai thanh thép vuông 50mm x 50mm, dài 1400mm, được hàn chặt thành hình dấu “+”, đảm bảo độ vững chắc cho hệ thống trên, ngăn chặn nguy cơ sập đổ tấm pin trong quá trình vận hành Trụ đỡ thứ nhất là ống thép tròn 40mm, dày 10mm, cao khoảng 220mm, được hàn vào chân đế để gắn bi và trục quay Trụ đỡ thứ hai là ống thép vuông 20mm, cao khoảng 355mm, dùng để gắn động cơ servo 1 Động cơ servo 1 được cố định bằng bát L và hai bát thẳng hàn vào trụ, đảm bảo tính ổn định trong quá trình hoạt động.
T ẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hình 4 5: Tấm pin năng lượng mặt trời MONO MSP-150W
Công suất Pmax 150W+-3% Điện áp hở mạch Voc 21.72V
Dòng ngắn mạch Isc 8.79A Điện áp danh định Vmp 18.1V
Chủng loại Pin (cell) Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)
Tuổi thọ sản phẩm Từ 25 năm đến 30 năm
Công suất Pmax 150W+-3% Điện áp hở mạch Voc 21.72V
N GUỒN ĐIỆN ẮC QUY
Hình 4 6: Ắc quy Đồng Nai CMF 31S800 (12V-100Ah)
Để khởi động và vận hành hệ thống, cần chọn một nguồn điện DC phù hợp, đồng thời nguồn điện này cũng là nơi nạp điện cho ắc quy từ năng lượng mà tấm pin mặt trời tạo ra khi tiếp xúc với ánh sáng.
Chọn Acquy có các thông số cơ bản sau:
Đ ỘNG CƠ SERVO
Tổng quan về động cơ servo
Động cơ Servo là thành phần chính trong hệ thống vòng kín, bao gồm các bộ phận quan trọng như mạch điều khiển, động cơ Servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa hoặc bộ phân giải.
- Động cơ Servo là một thiết bị điện độc lập, được sử dụng để quay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao
Trục đầu ra của động cơ này có khả năng di chuyển đến một góc hoặc vị trí xác định với vận tốc được chỉ định trước, điều mà các động cơ thông thường không thể thực hiện.
- Hiểu đơn giản thì động cơ Servo như một động cơ thông thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí
- Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ Servo được thiết kế và sử dụng chuyên biệt cho mục đích này
- Động cơ Servo là một cơ chế vòng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc độ và vị trí quay hoặc tuyến tính
- Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, analog hoặc digital, xác định chuyển động theo vị trí lệnh cuối cùng của trục
Kiểu ắc quy Ắc quy khô, kín khí (miễn bảo dưỡng) Điện áp 12V
Kích thước 230x 171x 215mm (Dài x Rộng x Cao)
Encoder hoạt động như một cảm biến, cung cấp thông tin phản hồi về tốc độ và vị trí Thiết bị này được lắp đặt bên trong vỏ động cơ và thường kết hợp với hệ thống bánh răng.
Động cơ DC servo không chổi than có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, đồng thời phản ứng nhanh và có quán tính thấp nhờ mô men xoắn ổn định Mặc dù việc điều khiển loại động cơ này phức tạp hơn, nhưng chúng hoạt động thông minh hơn với khả năng chuyển mạch điện tử linh hoạt theo sóng vuông hoặc sóng sin Động cơ này mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, giảm bức xạ điện từ, duy trì nhiệt độ thấp và có tuổi thọ cao.
Hình 4 7: Điều khiển động cơ DC Servo bằng giải thuật PID
Sau nhiều nghiên cứu, giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển động cơ đã được xác định là bộ điều khiển PID Mặc dù kỹ thuật điều khiển PID không phải là mới, nhưng nó vẫn là phương pháp phổ biến nhất trong ngành công nghiệp, được ứng dụng rộng rãi cho các hệ thống như lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí và moment của động cơ AC và DC Sự phổ biến của bộ điều khiển PID xuất phát từ tính hiệu quả và độ tin cậy của nó trong việc tối ưu hóa quá trình điều khiển.
51 vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế
Hình 4 8: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển vòng kín
Trong hình vẽ trên: - Plant: là hệ thống cần được điều khiển
- Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống u=Kpe+ k1∫ 𝑒𝑑𝑡 + 𝐾 𝐷 𝑑𝑒
Biến số (e) thể hiện sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị đầu ra (Y) Sai số này được gửi đến bộ điều khiển PID, nơi nó được xử lý để tính toán cả vi phân và tích phân của tín hiệu sai số Tín hiệu điều khiển (u) sẽ được xác định từ các phép tính này.
Tín hiệu (u) được gửi đến đối tượng điều khiển để tạo ra tín hiệu mới (Y) Tín hiệu này sau đó được gửi đến cảm biến để tính toán sai số mới (e).
Bộ điều khiển tính toán các giá trị vi phân và tích phân của sai số, thực hiện quá trình lặp đi lặp lại Các đặc tính của bộ điều khiển P, I và D cho thấy rằng bộ điều khiển tỷ lệ (KP) giúp giảm thời gian lên, đồng thời làm giảm nhưng không hoàn toàn triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập.
Bộ điều khiển tích phân (KI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại có thể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ
Bộ điều khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và tăng chất lượng đáp ứng quá độ
Hình 4 9: Sơ đồ khối phần cứng
Hình 4 10: Sơ đồ khối của hệ thống trackinh hai truc
Hình 4 12: Phần cứng tự động theo dõi NLMT
Encoder gia tăng độ chính xác trong việc cung cấp thông tin trạng thái cho vi điều khiển, với độ phân giải cao giúp cải thiện chất lượng điều khiển Tuy nhiên, việc sử dụng encoder có độ phân giải cao cũng đòi hỏi vi điều khiển phải có khả năng xử lý mạnh mẽ hơn Khối công suất đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện áp chính xác để điều khiển động cơ, dựa trên các phép tính của vi điều khiển Việc thiết kế khối công suất cần phù hợp với công suất của động cơ được điều khiển.
Động cơ servo được ứng dụng trong hệ thống điều hướng pin mặt trời, giúp điều chỉnh góc của các tấm pin để tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng từ mặt trời suốt cả ngày Hệ thống điều hướng pin mặt trời hai trục xoay sử dụng hai động cơ servo, mỗi động cơ đảm nhận việc điều khiển một trục Trục ra của động cơ được gắn trực tiếp vào cơ cấu bánh răng, tạo ra sự linh hoạt và hiệu quả trong việc điều chỉnh hướng của tấm pin.
Về mặt cơ khí, hai động cơ hoạt động động lập và xen kẽ nhau, nhằm đảm bảo cho tấm pin
- Mặt trời được gắn trên giá đỡ luôn nằm vuông góc với các tia sáng mặt trời
Chọn động cơ servo cho hệ thống
Hình 4 13: Động cơ servo DC
Thông số kỹ thuật: Động Cơ DC RS775-150W
- Chiều dài động cơ: 65mm
Q UANG TRỞ
Quang trở, hay còn gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell, là linh kiện được chế tạo từ chất đặc biệt có khả năng thay đổi điện trở khi có ánh sáng chiếu vào Nó hoạt động dựa trên nguyên lý quang dẫn, có thể được hiểu như một tế bào quang điện Nói cách khác, quang trở là một điện trở có giá trị thay đổi tùy thuộc vào cường độ ánh sáng.
Quang trở được cấu tạo từ hai phần chính: phần trên và phần dưới, với các màng kim loại được kết nối qua các đầu cực Linh kiện này được thiết kế để tối đa hóa diện tích tiếp xúc giữa hai màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa, cho phép tiếp xúc với ánh sáng và cảm nhận sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Quang trở chủ yếu được cấu tạo từ Cadmium Sulphide (CdS), một chất quang dẫn có khả năng dẫn điện kém trong bóng tối do chứa rất ít hoặc không có hạt electron Khi có ánh sáng chiếu vào, quang trở sẽ hoạt động hiệu quả hơn nhờ sự gia tăng số lượng electron.
Quang trở hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng chất bán dẫn với trở kháng cao và không có tiếp giáp Trong điều kiện tối, quang trở có điện trở lên đến vài MΩ, nhưng khi có ánh sáng chiếu vào, giá trị điện trở sẽ giảm xuống chỉ còn từ một đến vài trăm Ω.
Quang trở hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện, trong đó các photon có năng lượng lớn tác động lên khối vật chất, giải phóng electron khỏi phân tử và tạo ra electron tự do Khi ánh sáng chiếu vào quang trở, mức độ dẫn điện sẽ tăng lên tùy thuộc vào số lượng photon được hấp thụ Độ nhạy của quang trở với các loại sóng photon khác nhau phụ thuộc vào loại chất bán dẫn được sử dụng.
- Ưu nhược điểm và một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản
Quang trở mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm giá thành hợp lý và sự đa dạng về kích cỡ, phù hợp với nhiều loại bo mạch khác nhau Kích thước phổ biến của quang trở thường có đường kính mặt là 10mm Bên cạnh đó, quang trở tiêu thụ năng lượng thấp và hoạt động với điện áp nhỏ, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Nhược điểm của quang trở là thời gian phản hồi chậm, dẫn đến độ chính xác không cao Thời gian phản hồi của quang trở thường dao động từ hàng chục đến hàng trăm mili giây.
- Nguyên lý hoạt động của Quang điện trở
- Quang điện trở làm việc ở chế độ thụ động, khi được chiếu sáng sẽ xuất hiện các hạt dẫn tự do làm độ dẫn điện tăng 1 lượng :
∆n và ∆p : độ gia tăng nồng độ khi được chiếu sáng àn và àp : độ linh động của điện tử và lỗ trống
Các đặc tính quan trọng của Quang điện trở Độ dẫn quang điện σ quang Độ nhạy quang theo bước sóng ánh sáng vào
Tốc độ làm việc của quang điện trở được xác định bởi thời gian cần thiết để nó thay đổi 65% giá trị khi chuyển đổi giữa chế độ chiếu sáng và chế độ tối Trong chế độ tối, hệ số nhiệt điện trở của quang điện trở không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giữ cho điện trở ổn định.
Hình 4 14: Đồng hồ vạn năng và quang điện trở
Để đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng VOM (đồng hồ kim), bạn cần chuyển thang đo về chế độ đo điện trở (thang đo ôm) Sau đó, đặt hai que đo vào hai chân của quang điện trở Khi che ánh sáng bằng tay hoặc vật khác, kim đồng hồ sẽ lên cao do điện trở tăng lên Ngược lại, khi chiếu sáng mạnh vào bề mặt quang trở, số Ohm đo được sẽ giảm.
57 được càng giảm Quan sát sự thay đổi kim trên đông hồ chúng ta sẽ biết được Quang trở đó còn tốt hay không.
Bốn điện trở quang được đặt ở các cạnh của tấm pin mặt trời, tạo ra điện trở thấp khi nhận ánh sáng Động cơ servo kết nối với tấm pin sẽ tự động quay tấm pin theo hướng Mặt trời Tấm pin được định hướng bằng cách so sánh cường độ ánh sáng trên hai điện trở quang, xoay về phía điện trở có cường độ cao hơn, tức là điện trở thấp hơn Điều này giúp tấm pin theo dõi quỹ đạo Mặt trời thay đổi từ Bắc đến Nam Giá trị trung bình cộng của quang trở 1 và quang trở 2 được xác định bằng RUP = (RLDR1 + RLDR2) / 2.
RDOWN = (RLDR3 + RLDR4) / 2 là giá trị trung bình cộng của quang trở 3 và quang trở 4, và giá trị chênh lệch tối thiếu A = 20 (trục ngang) Ta xét 2 điều kiện:
Nếu điều kiện (1) thõa mãn, chứng tỏ phần bên dưới của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối do bị che khuất bởi vách vách ngăn
Hình 4 15: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Bắc
Lúc này, Arduino sẽ cấp xung từ chân tín hiệu D2, điều khiển động cơ Servo
1 xoay góc 5 0 Thông qua truyền động của cơ cấu bánh răng, tấm pin xoay về hướng ánh sáng 1 góc đúng bằng góc xoay của Servo
Nếu điều kiện (2) được thỏa mãn, điều này cho thấy phần trên của bộ cảm biến ánh sáng nằm trong vùng tối Khi đó, Arduino sẽ gửi tín hiệu điều khiển để động cơ Servo 1 xoay về góc -50.
Trong trường hợp cả 2 điều kiện (1) và (2) trên đều không thõa mãn, động cơ Servo 1 ngừng lại Điều khiển động cơ Servo 2 (trục dọc)
Trong trường hợp này, quỹ đạo của mặt trời thay đổi theo hướng Đông – Tây Để tính toán, ta xác định RLEFT là giá trị trung bình cộng của quang trở 1 và quang trở 3, trong khi RRIGHT là giá trị trung bình cộng của quang trở 2 và quang trở 4 Giá trị chênh lệch tối thiểu B được đặt là 20 theo trục dọc Hai điều kiện sẽ được xem xét để phân tích tình huống này.
Nếu điều kiện (3) thõa mãn, chứng tỏ phần bên phải của bộ cảm biến hướng sáng nằm trong vùng tối do bị che khuất bởi vách vách ngăn
Hình 4 16: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Tây
Lúc này, Arduino sẽ cấp xung từ chân tín hiệu D3, điều khiển động cơ Servo
2 xoay góc +50 Thông qua truyền động của cơ cấu bánh răng, tấm pin xoay về hướng ánh sáng 1 góc đúng bằng góc xoay của Servo
Nếu điều kiện (5.4) được thỏa mãn, điều này chứng tỏ rằng phần bên trái của bộ cảm biến ánh sáng đang ở trong vùng tối Khi đó, Arduino sẽ gửi xung điều khiển để động cơ Servo 1 xoay về góc -50.
Trong trường hợp cả 2 điều kiện (5.3) và (5.4) trên đều không thõa mãn, động cơ Servo 1 ngừng
Arduino sẽ đọc giá trị điện trở từ bộ cảm biến ánh sáng và thực hiện so sánh, xử lý dữ liệu Hai động cơ Servo sẽ chỉ dừng hoạt động khi đồng thời thỏa mãn hai điều kiện: điều kiện cân bằng trục ngang và điều kiện cân bằng trục dọc.
Rup - RDown < A Điều kiện cân bằng trục dọc:
Do hạn chế về cơ khí và hoạt động của động cơ Servo trong khoảng từ 0 đến 1800, ta xác định giới hạn hoạt động cho hai động cơ Servo như sau: Động cơ Servo 1 có góc hoạt động từ 30 độ đến 150 độ, trong khi Động cơ Servo 2 có góc hoạt động từ 5 độ đến 175 độ.
V I XỬ LÝ ADUINO
Hình 4 18: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống
Hình 4 19: Datasheet của Arduino Nano CH340 Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật chính:
IC nạp và giao tiếp UART: CH340
Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw
Số chân Digita: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân)
Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)
Tần số hoạt động: 16Mhz
Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC
Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX
Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117
Hình 4 21: ATmega328P-AU (Mạch in)
Mạch điều khiển động cơ Servo sử dụng vi xử lý Arduino để đọc tín hiệu đầu vào từ bộ cảm biến hướng sáng, giúp xác định giá trị điện trở.
Bài viết mô tả quy trình xử lý dữ liệu và điều khiển động cơ Servo thông qua Arduino, với việc truyền thông tin góc quay lên màn hình LCD Sử dụng 4 chân ngõ vào (Analog) A1 đến A4, Arduino kết nối với 4 quang trở từ bộ cảm biến hướng sáng, trong khi hai chân ngõ ra (Digital) D2 và D3 điều khiển tín hiệu cho hai động cơ Servo Hệ thống được cấp nguồn từ Acquy 12V qua hai modul LM259, điều chỉnh điện áp xuống 6V-12V Để điều khiển trục xoay ở chế độ bằng tay, các nút nhấn hai chân được kết nối với ngõ ra của Arduino và đất, với các chân tín hiệu được sắp xếp theo thứ tự.
- Button Right vào chân D4 của Arduino
- Button Down vào chân D5 của Arduino
- Button Mode vào chân D6 của Arduino
- Button Left vào chân D7 của Arduino
- Button Up vào chân D8 của Arduino
Mỗi lần nhấn nút, trạng thái logic của các cổng tương ứng của Arduino lên mức 1
Hình 4 22: Sơ đồ mạch nguyên lý các nút nhấn đến Arduino và bố trí trên
M ẠCH ĐIỀU KHIỂN
Board mạch điều khiển hoàn chỉnh
Hình 4 23: Sơ đồ board mạch in Layout
Hình 4 24: Board mạch điều khiển
Hình 4 25: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống
Hình 4 26: Mạch điều khiển động cơ Servo
Mạch điều khiển động cơ Servo sử dụng vi xử lý Arduino để đọc tín hiệu từ bộ cảm biến hướng sáng, xử lý dữ liệu và điều khiển góc quay của động cơ Servo, đồng thời hiển thị thông số góc quay trên màn hình LCD Sơ đồ mạch kết nối 4 chân ngõ vào (Analog) từ A1 đến A4 với 4 quang trở, và hai chân ngõ ra (Digital) D2, D3 kết nối với dây tín hiệu của hai động cơ Servo Nguồn 12V được điều chỉnh xuống 6V qua hai modul LM2596 để cấp điện cho toàn hệ thống Để điều khiển trục xoay ở chế độ bằng tay, sử dụng các nút nhấn 2 chân, một chân kết nối với ngõ ra của Arduino và chân còn lại nối đất, với các chân nối đất được kết hợp chung.
- Button Right vào chân D4 của Arduino
- Button Down vào chân D5 của Arduino
- Button Mode vào chân D6 của Arduino
- Button Left vào chân D7 của Arduino
- Button Up vào chân D8 của Arduino
Hình 4 27: Board mạch điều khiển hoàn chỉnh
M ẠCH CẢM BIẾN HƯỚNG ÁNH SÁNG
Để điều khiển động cơ điều hướng tấm pin mặt trời theo vị trí của Mặt Trời, cần thiết phải sử dụng một mạch cảm biến có khả năng phát hiện cường độ ánh sáng lớn nhất tại các thời điểm khác nhau.
Hình 4 28: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hướng ánh sáng
Mạch cảm biến hướng sáng sử dụng 4 quang trở giống nhau, được ngăn cách bởi 4 vách ngăn vuông góc Khi ánh nắng mặt trời chiếu vuông góc, bóng của vách ngăn không che phủ quang trở, dẫn đến giá trị điện trở của các quang trở bằng nhau Ngược lại, khi ánh nắng chiếu xiên, bóng vách ngăn sẽ che phủ ít nhất 1 quang trở, làm cho giá trị điện trở không đồng nhất Tín hiệu từ mạch cảm biến sẽ được truyền về mạch điều khiển để xử lý, sau đó gửi tín hiệu đến động cơ servo, giúp mô hình điều chỉnh tấm pin vuông góc với tia nắng mặt trời.
Hình 4 29: Mô phỏng bố trí quang trở và mạch cảm biến hướng sáng thực tế
M ẠCH NẠP
Khi tấm pin hoạt động, nó tạo ra điện năng không chỉ để cung cấp cho các mạch cảm biến, mạch điều khiển và động cơ servo, mà còn để sạc vào acquy thông qua một mạch nạp tự ngắt khi acquy đã đầy.
Hình 4 30: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy tự ngắt
Hình 4 31: Mạch nạp của mô hình
Nguyên lý hoạt động của mạch nạp acquy từ tấm pin bắt đầu khi điện áp tại acquy thấp hơn điện áp tại tấm pin Dòng điện sẽ đi qua tiếp điểm thường đóng của rơle, đến J1 và bóng đèn D4, sau đó theo dây âm qua biến trở RV1 về cực âm đầu vào Đồng thời, diode zener sẽ ngăn cản dòng điện không mong muốn.
Khi điện áp tại B của transistor giảm xuống 70V, transistor sẽ khóa lại, dẫn đến việc không có dòng điện tại C và mạch bị hở Khi quá trình nạp đầy hoàn tất, điện áp vượt ngưỡng làm diode zener phân cực ngược, cho phép dòng điện chảy qua B, khôi phục kết nối tại C Dòng điện đi qua transistor và cuộn dây rơle, tạo ra lực hút đủ mạnh để đóng tiếp điểm thường hở và mở tiếp điểm thường đóng Dòng điện tiếp tục qua tiếp điểm thường hở, làm sáng đèn D5, rồi đi qua biến trở và trở về cực âm của nguồn Khi không còn dòng điện đến J1, quá trình nạp kết thúc.
M ẠCH GIẢM ÁP
Hình 4 32: Mạch giảm áp DC-DC LM2596 3A của mô hình
Trong mô hình, các thiết bị như mạch điều khiển, mạch cảm biến ánh sáng và động cơ Servo hoạt động với điện áp khoảng 6VDC, trong khi tấm pin mặt trời sản sinh điện áp lên đến 18.1VDC và acquy cung cấp 12VDC Để đảm bảo các thành phần hoạt động hiệu quả, cần sử dụng mạch giảm áp DC-DC Mạch giảm áp DC LM2596 3A là một giải pháp lý tưởng, với khả năng điều chỉnh dòng ra lên đến 3A và sử dụng IC nguồn tích hợp sẵn.
Module nguồn không sử dụng cách ly
Kích thước mạch: 53 mm x 26 mm
N ÚT NHẤN
Hình 4 33: Nút nhấn và bảng nút nhấn của mô hình thực
Chọn nút nhấn 2 chân tròn có thông số:
- Áp và dòng tải: 12V, 50mA – DC
- Nhiệt độ mối hàn: 260 ± 50C, 5 giây
- Điện áp quá tải: 250V – AC, 1phút
M ÀN HÌNH LCD
Trong quá trình vận hành hệ thống, việc theo dõi các giá trị như góc quay của động cơ Servo, điện áp và dòng điện từ tấm pin là rất quan trọng Để đánh giá hiệu suất hoạt động của mô hình, cần có một bộ phận hiển thị các thông số này Nếu phát hiện vấn đề, chúng ta sẽ xác định nguyên nhân và tìm giải pháp khắc phục Màn hình LCD, cụ thể là màn hình LED LCD 16x2 màu xanh lá (hoặc xanh dương) sử dụng driver HD44780, sẽ đảm nhận nhiệm vụ hiển thị hai dòng thông tin để người dùng dễ dàng theo dõi.
Màn hình 16 ký tự với kích thước gọn nhẹ và độ bền cao rất phổ biến trong việc phục vụ hệ thống Thiết bị này dễ sử dụng, có nhiều mẫu code hỗ trợ và giá thành thấp, là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.
