đồ án tốt nghiệp năng lượng tái tạo điều hướng pin mặt trời theo hướng bức xạ mặt trời

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.................................................................................i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ................................................. iii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... viii CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................................ix TÓM TẮT ĐỀ TÀI..........................................................................................................x MỤC LỤC........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................1 1.1 Đặt vấn đề. .............................................................................................................1 1.2 Mục tiêu đề tài........................................................................................................2 1.3 Phạm vi đề tài.........................................................................................................2 1.4 Đối tượng và Phương pháp nghiên cứu của đề tài. ................................................2 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu. ....................................................................................2 1.4.2 Nghiên cứu lý thuyết.......................................................................................2 1.4.3 Nghiên cứu thực nghiệm.................................................................................3 1.5 Hướng triển khai đề tài...........................................................................................3 1.6 Giới thiệu nội dung. ...............................................................................................3 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG.......................................5 2.1 Tổng quan về năng lượng bức xạ mặt trời. ............................................................5 2.2 Phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam. ....................................................................6 PHỤ LỤC 9: MỤC LỤC. 2.3 Tình hình khai thác NLMT trong lĩnh vực điện năng............................................8 2.3.1 Tình hình khai thác NLMT thành điện năng. .................................................8 2.3.2 Tiềm năng khai thác........................................................................................8 2.3.3 Tiềm năng ở Việt Nam....................................................................................9 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................12 3.1 Khái quát về pin mặt trời. ....................................................................................12 3.2 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời. .......................................................................13 3.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời.......................................................................14 3.4 Hệ thống điều hướng pin mặt trời........................................................................16 3.4.1 Nguyên tắc điều hướng. ................................................................................16 3.4.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời...........................................................16 3.4.2.1 Hệ thống điều hướng theo một trục .......................................................17 3.4.2.2 Hệ thống điều hướng theo 2 trục............................................................17 3.4.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình. .....................................................18 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. ...21 4.1 Giới thiệu các thành phần trong hệ thống mô hình..............................................21 4.2 Hệ thống trục........................................................................................................22 4.2.1 Thiết kế ban đầu............................................................................................22 4.2.2 Tiến hành thi công.........................................................................................23 4.3 Tấm pin năng lượng mặt trời ...............................................................................24 4.4 Nguồn điện Acquy ...............................................................................................25 4.5 Động cơ servo ......................................................................................................26 4.6 Quang trở..............................................................................................................27 4.7 Arduino Nano CH340 ..........................................................................................28 4.8 Mạch giảm áp.......................................................................................................29 4.9 Nút nhấn. ..............................................................................................................30 4.10 Màn hình LCD ...................................................................................................31 PHỤ LỤC 9: MỤC LỤC. 4.11 Bộ bánh răng trục vít..........................................................................................32 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ, LẬP TRÌNH ..........................................33 5.1 Thiết kế mạch điện tử...........................................................................................33 5.1.1 Mạch điều khiển............................................................................................33 5.1.2 Mạch cảm biến hướng sáng. .........................................................................35 5.1.3 Mạch nạp acquy. ...........................................................................................37 5.2 Lập trình Vi Xử Lý. .............................................................................................38 5.2.1 Xây dựng thuật toán cân bằng giá trị điện trở trên bộ cảm biến...................38 5.2.1.1 Điều khiển động cơ Servo 1 (trục ngang)..............................................39 5.2.1.2 Điều khiển động cơ Servo 2 (trục dọc). .................................................40 5.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trình.....................................................................41 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN....44 6.1 Thực nghiệm mô hình. .........................................................................................44 6.1.1 Thực nghiệm với điều kiện ban ngày nắng tốt..............................................44 6.2 Đánh giá mô hình thực tế.....................................................................................49 6.2.1 Một số vấn đề cần lưu ý khi vận hành bảo dưỡng mô hình..........................49 6.2.2 Ưu, nhược điểm của mô hình........................................................................50 6.3 Đề xuất hướng phát triển......................................................................................50 KẾT LUẬN....................................................................................................................51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................52

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Nguồn năng lượng thiên nhiên như than đá và dầu mỏ đã được con người sử dụng từ hàng ngàn năm, nhưng việc khai thác chúng đã thải ra khí quyển một lượng lớn chất thải nguy hiểm, góp phần làm Trái đất ấm lên và gây ra biến đổi khí hậu tiêu cực Để giảm thiểu tình trạng này, các nhà khoa học ở các quốc gia phát triển đang tích cực tìm kiếm nguồn năng lượng sạch mới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sóng biển Trong số đó, năng lượng mặt trời được chú trọng nhiều nhất nhờ vào tính ổn định, khả năng khai thác dễ dàng và tiềm năng lớn.

Hiện nay, nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế và lắp đặt trên toàn thế giới Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng dàn pin mặt trời để chuyển hóa quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng dễ dàng lưu trữ, truyền tải và sử dụng trong đời sống hàng ngày.

Một trong những thách thức lớn trong việc khai thác năng lượng mặt trời là chi phí cao của các tấm pin mặt trời, do đó cần nâng cao hiệu suất của chúng Trong suốt những ngày nắng, Mặt Trời di chuyển khoảng 180 độ so với một điểm cố định trên mặt đất, dẫn đến việc tấm pin mặt trời cố định không thể tận dụng tối đa năng lượng từ bức xạ mặt trời, gây ra hiện tượng hao phí Hệ thống nâng cao hiệu suất pin mặt trời tự động điều chỉnh vị trí của tấm pin để đảm bảo tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt cả ngày, từ đó tăng cường hiệu suất năng lượng của hệ thống.

Tấm pin mặt trời hoạt động hiệu quả nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt của nó Để tối ưu hóa hiệu suất, hướng phát triển mới là thiết kế tấm pin có khả năng tự xoay theo hướng di chuyển của Mặt Trời trên hai trục, đảm bảo rằng nguồn bức xạ mặt trời luôn chiếu vuông góc vào bề mặt tấm pin.

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh góc quay của bề mặt thu năng lượng mặt trời theo vị trí của mặt trời nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng Việc này giúp gia tăng lượng năng lượng thu được từ ánh sáng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.

✓ Thử nghiệm, chế tạo và mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời với tấm pin năng lượng mặt trời

✓ 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 năng lượng mặt trời.

Đối tượng và Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu về các hệ thống tự động điều chỉnh góc quay của bề mặt thu năng lượng mặt trời theo vị trí của mặt trời nhằm tối ưu hóa lượng năng lượng thu được Việc này giúp tăng hiệu suất thu năng lượng, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong suốt cả ngày.

✓ Thử nghiệm, chế tạo và mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời với tấm pin năng lượng mặt trời

✓ 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 năng lượng mặt trời

Thiết kế và thi công hệ thống pin năng lượng mặt trời cần tối ưu hóa nguồn năng lượng, đảm bảo hiệu suất cao và hoạt động ổn định Đồng thời, cần xác định hướng lắp đặt để đạt công suất cực đại trong các điều kiện nhất định.

Phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề sau:

Ứng dụng thuật toán và lý thuyết về chuyển động theo ánh sáng của tấm pin giúp tối ưu hóa công suất ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời, đồng thời điều khiển dàn xoay để thu nhận ánh sáng hiệu quả nhất.

- Mô hình hóa hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời

- So sánh với hệ thống pin năng lượng mặt trời không có hệ thống điều hướng

1.4 Đối tượng và Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Hệ thống dàn pin mặt trời được điều hướng theo ánh sáng mặt trời

- Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

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

- 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 quả dàn pin tự xoay so với dàn 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 mặt trời.

Hướng triển khai đề tài

Để có thể triển khai đề tài, tập trung làm rõ các vấn đề sau:

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, việc tính toán và lựa chọn loại động cơ cùng công suất cần thiết để xoay dàn pin là rất quan trọng Bên cạnh đó, tốc độ quay của động cơ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả thu năng lượng.

- Thiết kế, lựa chọn các thành phần cơ khí trục đỡ và phương pháp xoay dàn pin

- Giải quyết bài toán tự động điều hướng, góc quay động cơ

- Liên kết các thành phần trong hệ thống sao cho đạt được hiệu quả cao nhất

- 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.

Giới thiệu nội dung

Chương 2: Năng lượng mặt trời và ứng dụng

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về năng lượng bức xạ mặt trời, bao gồm phân tích sự phân bố bức xạ và các phương thức khai thác năng lượng này Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến tiềm năng của năng lượng mặt trời tại Việt Nam cũng như trên toàn cầu.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương này giới thiệu đặc tính và nguyên tắc điều hướng của pin mặt trời, đồng thời đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất công suất cho hệ thống pin mặt trời.

Chương 4: Thiết kế phần cứng

- Chương này trình bày về xem xét lựa chọn thiết bị, khung sườn để chịu lực cho tấm pin mặt trời và có thể xoay theo 2 trục

Chượng 5: Thiết kế mạch điện tử, lập trình

Chương này tập trung vào thiết kế mạch điện tử cho việc nhận cảm biến ánh sáng, nạp điện cho acquy, điều khiển servo và lập trình sử dụng vi xử lý Arduino Nano CH340 Trong Chương 6, chúng tôi sẽ thực hiện mô hình thí nghiệm, đưa ra kết luận và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.

Chương này trình bày ưu nhược điểm của mô hình lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống và đề xuất giải pháp tối ưu Mục tiêu của nghiên cứu là giải quyết các vấn đề đã nêu, đồng thời ứng dụng thi công mô hình hệ thống tự điều hướng với tấm pin năng lượng mặt trời Kết quả thực nghiệm từ mô hình này sẽ là cơ sở cho các hướng phát triển tiếp theo trong lĩnh vực hệ thống pin năng lượng mặt trời.

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Tổng quan về năng lượng bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên vô tận mà con người có thể khai thác để tạo ra năng lượng hữu ích như nhiệt và điện Bức xạ này có phổ rộng, với cường độ nằm trong khoảng 0,1 – 10 µm, trong đó gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong vùng ánh sáng nhìn thấy từ 0,38 – 0,78 µm.

Hình 2.1: Dải bức xạ điện từ

Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp giữa các tia trực xạ và tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ theo công thức cụ thể.

D_T: hệ số góc giữa Trái Đất và Mặt Trời, φ

D_T= β 4 /4 β: góc nhìn Mặt Trời và β≈ 32 0

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

C0 = 5,67W/m 2 K 4 : hệ số bức xạ vật đen tuyệt đối

Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời đạt khoảng 5762 K, tương đương với một vật đen tuyệt đối Ở bên ngoài khí quyển Trái Đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số với giá trị 1353 W/m² Khi đi qua khí quyển, năng lượng này bị hấp thụ và tán xạ bởi ozone, hơi nước và các hợp chất khác, dẫn đến chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới bề mặt Trái Đất Vào những ngày quang đãng, năng lượng bức xạ mặt trời có thể đạt tối đa khoảng 1000 W/m² tại bề mặt.

Hình 2.2: Sự truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển Trái đất.

Phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam, với vị trí địa lý từ vĩ độ 8°30' Bắc đến 23°22' Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao Thành phố Hồ Chí Minh là nơi nhận được nhiều bức xạ nhất, tiếp theo là các tỉnh Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và vùng Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh Năng lượng mặt trời tại Việt Nam có sẵn quanh năm, ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng lãnh thổ.

Trang 7 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 (TLTK[11])

Hình 2.3: Phân bố cường độ bức xạ ở Việt Nam

TT Khu vực Cường độ BXMT

Số giờ nắng trung bình (giờ/năm)

4 Nam Trung Bộ – Tây Nguyên 4,9 – 5,7 2000 – 2600

Bảng 2.1: Giá trị trung bình cường độ bức xạ bức xạ ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam

Tình hình khai thác NLMT trong lĩnh vực điện năng

2.3.1 Tình hình khai thác NLMT thành điện năng

Trong các năm gần đây, các công nghệ Năng lượng tái tạo (NLTT), trong đó có các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục

Lý do của xu hướng trên là:

1 Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT ngày càng giảm sâu;

2 Vấn đề an ninh năng lượng NLTT là nguồn năng lượng (NL) địa phương, không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác;

3 Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng gia tăng;

4 Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn

NL sạch - các nguồn NLTT, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và sạch, có sẵn dồi dào hơn so với nhu cầu năng lượng dự kiến trong tương lai.

Theo các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn bộ bề mặt trái đất, chúng ta có thể sản xuất tới 20TW (20.000.000 MW), tương đương gấp 10.417 lần công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần tổng năng lượng hóa thạch hiện có trên thế giới.

Trong vòng 72 giờ, Trái Đất nhận được lượng năng lượng mặt trời tương đương với toàn bộ năng lượng từ các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên toàn cầu.

Hình 2.4: Biểu đồ tổng công suất lắp đặt nhà máy điện PV toàn thế giới và phân bố công suất riêng năm 2020

Theo định luật Swanson, giá điện mặt trời giảm 20% khi sản lượng tăng gấp đôi, và cứ 10 năm, giá điện mặt trời lại giảm một nửa Tốc độ giảm giá này khiến suất đầu tư vào điện mặt trời ngày càng hấp dẫn hơn đối với các nhà đầu tư hiện nay.

2.3.3 Tiềm năng ở Việt Nam Ở Việt Nam điện mặt trời được liệt vào danh sách các ngành công nghiệp mới nổi và đang được khuyến khích từng bước phủ sóng rộng rãi để trong tương lai gần nguồn năng lượng tái tạo này sẽ thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Và thật may nước ta đã và đang làm điều này rất tốt khi thực tế có đến hàng ngàn dự án điện mặt trời với công suất lớn nhỏ đã được lắp đặt sử dụng trong vài năm lại đây

Theo định luật Swanson, giá điện mặt trời giảm 20% mỗi khi sản lượng tăng gấp đôi, và cứ 10 năm, giá điện mặt trời giảm xuống một nửa Tốc độ giảm này khiến suất đầu tư vào điện mặt trời ngày càng hấp dẫn hơn đối với các nhà đầu tư hiện nay.

Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn trong việc khai thác điện mặt trời nhờ vào lượng bức xạ mặt trời dồi dào Đặc biệt, các tỉnh miền Nam có số giờ nắng cao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển năng lượng mặt trời và năng lượng gió Điều này mở ra nhiều cơ hội cho thị trường điện mặt trời tại Việt Nam.

Theo quyết định 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ, Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến 2050 đã được phê duyệt và đang triển khai với nhiều tín hiệu tích cực Đặc biệt, nhiều nhà máy điện mặt trời và dự án điện mặt trời đã được lắp đặt và đưa vào sử dụng, góp phần quan trọng vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân có công suất 19.2 MW và tổng chi phí đầu tư lên đến 800 tỷ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 hecta.

Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng có công suất 420MW, sản xuất khoảng 690 kWh điện mỗi năm Dự án sử dụng 1,3 triệu tấm pin và tổng mức đầu tư lên tới 9.100 tỷ đồng.

Nhà máy điện mặt trời tại Tỉnh Bình Thuận

• Dự án điện mặt trời hồng phong 1 có công suất 100 MW

• Nhà máy điện mặt trời Tuy Phong có công suất 30MW

• Nhà máy điện mặt trời Phong Phú có công suất 42MW

Các dự án điện mặt trời tại Ninh Thuận

• Nhà máy điện mặt trời Phước Hữu có công suất 50MW

• Nhà máy điện mặt trời Mỹ Sơn có công suất 50MW

Các dự án điện mặt trời tại Phú Yên

• Nhà máy điện mặt trời Hòa Hội có công suất xây dựng là 16 MW

• Nhà máy điện mặt trời Xuân Thọ có tổng công suất 49,6 MW

• Nhà máy điện mặt trời Europlast Phú Yên có tổng công suất 50 MW

Các dự án điện mặt trời ở Khánh Hòa

• Nhà máy điện mặt trời Cam Lâm có công suất 50 MW

• Nhà máy điện mặt trời Ami Khánh Hòa có công suất 50 MW

• Nhà máy điện mặt trời sông Giang có công suất 50 MW.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái quát về pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị bao gồm nhiều tế bào quang điện, hoạt động như các cảm biến ánh sáng để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên bề mặt Các tế bào quang điện được kết hợp thành khối, thường có 60 hoặc 72 tế bào trên mỗi tấm pin, và có khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời cũng như ánh sáng nhân tạo.

Hiện nay, pin mặt trời chủ yếu được làm từ silic tinh thể, chia thành ba loại: đơn tinh thể (mono), đa tinh thể (poly) và màng mỏng (thin-film) Để tạo ra silic có khả năng dẫn điện tốt, người ta thêm một lượng nhỏ nguyên tử nhóm III hoặc nhóm V vào silic Khi silic kết hợp với nguyên tử nhóm III như nhôm hoặc gali, nó tạo thành bán dẫn loại p (dương) Ngược lại, khi silic kết hợp với nguyên tử nhóm V như photpho hoặc asen, nó tạo ra bán dẫn loại n (âm).

Hình 3.1: Quá trình hình thành pin mặt trời

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý hoạt động pin mặt trời

Pin mặt trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện thông qua hiệu ứng quang điện Khi ánh sáng chiếu vào, năng lượng từ các photon tạo ra các hạt mang điện tự do, được tách ra nhờ điện trường Điện áp được tạo ra và đo tại các điểm tiếp xúc bên ngoài, cho phép xác định giá trị dòng quang điện khi có tải kết nối Dòng quang điện này tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ Pin quang điện là thiết bị chính chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, và cường độ nắng, nhiệt độ tế bào quang điện cùng điện áp vận hành đều ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất và dòng điện ngõ ra của pin mặt trời.

Hình 3.2: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Khi nhận được ánh sáng, pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Ip Vì vậy có thể xem Pin măt trời tương đương như một nguồn dòng

Lớp bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode

Khi phân cực ngược, điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện rò Điều này cho thấy tại điểm đó có một điện trở Rp với giá trị rất lớn.

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó đi qua các lớp bán dẫn p, n, các điện cực,…

Vì thế ta có thể xem đó như một điện trở Rs nối tiếp với mạch

Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống pin năng lượng mặt trời, người vận hành cần nắm vững các đặc tính của pin, bao gồm điện áp hở mạch lớn nhất (Uoc) khi dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch (Isc) khi điện áp ra bằng 0.

Đường đặc tính làm việc U-I của pin mặt trời cho thấy rằng điện áp hở mạch Voc chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, dẫn đến việc đường đặc tính V-A cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.

Hình 3.4: Sự phụ thuộc của đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ pin

Dòng ngắn mạch Isc tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng, vì vậy đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng bị ảnh hưởng bởi mức độ bức xạ này.

Trang 15 Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc với V = VMPP có công suất lớn nhất Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm trên hình (TLTK[17])

Hình 3.5: Đặc tính phụ thuộc V-A của pin mặt trời vào cường độ bức xạ

Pmax là điểm mà công suất của hệ thống sinh ra cao nhất, tại điểm cong nhất của đồ thị đặc tính P-V (TLTK[17])

Hình 3.6: Đặc tính P-V của pin mặt trời

Hệ 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 3.7: 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 Việc kết hợp với bộ điều khiển MPPT giúp tối ưu hóa hiệu suất bằng cách bám sát điểm MPP Nguyên tắc này là nền tảng cho thiết kế hệ thống xoay của pin mặt trời.

3.4.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời

Hiện nay, trên thế giới có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng: hệ thống định hướng theo trục đơn và hệ thống định hướng theo trục kép Hệ thống trục đơn điều chỉnh tấm pin theo vị trí 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 3.8: Các hệ thống với các kiểu xoay tấm pin khác nhau

3.4.2.1 Hệ thống điều hướng theo một trục Đặc điểm của hệ thống định hướng theo 1 trục

- Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách sử dụng một trục xoay

- Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34% so với dàn pin cố định (TLTK[8])

- Thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng phù hợp ở những vị trí có vĩ độ lớn

- Tần suất bảo trì thấp

- Giá thành vật tư thấp hơn so với hệ thống sử dụng 2 trục xoay

- Khả năng hư hỏng các thành phần thấp

Hình 3.9: Mô hình pin mặt trời tự xoay theo một trục

Trong hệ thống điều hướng theo một trục duy nhất, tấm pin được gắn trên một dàn cố định trên trục với góc nghiêng định trước Hệ thống này có ưu điểm là góc quay lớn, thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo trì, phù hợp cho các vị trí có độ cao lớn.

Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban đầu trước khi vận hành

3.4.2.2 Hệ thống điều hướng theo 2 trục Đặc điểm của hệ thống điều hướng dàn pin năng lượng theo 2 trục:

- Điều hướng xoay tấm pin theo vị trí Mặt Trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời có thể tăng hiệu suất thu năng lượng lên đến 37% so với các dàn cố định, đặc biệt trong điều kiện thời tiết thuận lợi.

- Thi công hệ thống phức tạp về mặt cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay

- Chi phí đầu tư gấp đôi so với hệ thống điều hướng chỉ theo một trục

- Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp hơn hệ thống cố định và điều hướng theo một trục

- Các bộ phận nhiều hơn so với hệ thống cố định,tăng khả năng hư hỏng

Hình 3.10: Mô hình pin mặt trời xoay theo 2 trục

Tấm pin năng lượng mặt trời hai trục xoay, bao gồm một trục thẳng đứng và một trục nằm ngang, được lắp đặt trên một dàn riêng biệt Hệ thống này cho phép góc quay lớn lên đến 360 độ, giúp thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn 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 hoạt động và đòi hỏi nhiều cấu trúc, lắp ráp và vận hành phức tạp.

3.4.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình

Hệ thống dàn hai trục không chỉ tạo ra công suất vượt trội so với dàn cố định mà còn mang lại hiệu suất đầu ra của tấm pin cao hơn so với hệ thống dàn một trục xoay.

Mặc dù hệ thống hai trục xoay thu được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống một trục xoay, nhưng năng lượng tiêu tốn trong hệ thống hai trục xoay lại cao hơn đáng kể Do đó, hiệu suất tổng thể của hệ thống hai trục xoay không cao hơn nhiều so với hệ thống một trục xoay.

Đối với hệ thống lớn với dàn pin nặng, việc tiêu tốn điện năng cho động cơ là rất đáng kể Hệ thống điều hướng hai trục phức tạp hơn và yêu cầu cao về bảo trì cũng như không gian làm việc Do đó, người thiết kế cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa việc lựa chọn hệ thống điều hướng một trục hay hai trục, tùy thuộc vào vốn đầu tư và yêu cầu hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời.

Đầu tư cho hệ thống điều hướng 2 trục thường cao hơn so với các hệ thống như dàn cố định hoặc điều hướng 1 trục Nếu khu vực lắp đặt có ít giờ nắng trong năm và độ cao thấp, chi phí đầu tư cho hệ thống này có thể không mang lại hiệu quả tăng năng suất mà dàn pin đem lại, dẫn đến lãng phí cả về chi phí đầu tư và vận hành.

Từ những phân tích nêu trên, ta có thể tổng hợp lại thành bảng sau:

Hệ thống điều hướng 1 trục xoay Hệ thống điều hướng 2 trục xoay Ưu điểm

- Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời so với dàn pin cố định

- Đơn giản, dễ thi công hệ thống

- Tần suất bảo trì thấp

- Giá thành đầu tư chấp nhận được

- Khả năng hư hỏng các thành phần trong hệ thống thấp

- Tăng hiệu suất thu năng lượng cao nhất trong các hệ thống

- Phạm vi áp dụng rộng rãi, không cần đặt dàn pin với hướng cho trước

- Giảm số lượng tấm pin trong hệ thống nhưng có thể cho lượng điện năng tương đương so với dàn cố định

Khi điều kiện vận hành như thời tiết, độ cao lắp đặt và vị trí địa phương không thuận lợi, hiệu suất của hệ thống sẽ không được cải thiện đáng kể so với dàn cố định.

- Phải đặt góc nghiêng ban đầu (vì hệ thống chỉ xoay được theo 1 trục)

- Thi công hệ thống phức tạp về mặt cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay

- Chi phí đầu tư và vận hành lớn hơn hệ thống điều hướng chỉ theo một trục

- Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp

- Khả năng hư hỏng cao hơn so với các hệ thống khác

Bảng 3.1: Ưu, nhược điểm của hai hệ thống điều hướng pin mặt trời

Kết luận nghiên cứu cho thấy việc chọn kiểu điều hướng hai trục xoay cho tấm pin mặt trời là hiệu quả, với tấm pin thử nghiệm có công suất nhỏ và trọng lượng nhẹ Hệ thống trục đỡ nhỏ gọn cho phép sử dụng động cơ xoay công suất nhỏ, dẫn đến tổn hao điện năng không đáng kể Lựa chọn kiểu dàn xoay hai trục này sẽ tối ưu hóa hiệu suất của pin năng lượng mặt trời ở nhiều vị trí và thời điểm khác nhau.

MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giới thiệu các thành phần trong hệ thống mô hình

Mô hình có sơ đồ khối như sau:

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

Tổng quan về thành phần:

➢ Hệ thống cơ khí trục đỡ, trục xoay

➢ Tấm pin năng lượng mặt trời

➢ Nguồn điện Acquy qua mạch giảm áp dùng để nạp điện và nuôi mạch điều khiển cùng hai động cơ servo

➢ Hai động cơ Servo với chức năng xoay 2 trục

➢ Bộ cảm biến hướng sáng được gắn trên đầu tấm pin

➢ 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

Từ sơ đồ này, tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hệ thống trục

4.2.1 Thiết kế ban đầu Để đảm bảo về phần thiết kế, ta nên xem xét khối lượng tấm pin, trục đỡ, ổ bi … Trong thực tế, mô hình này sẽ đặt ngoài trời, do đó phải đảm về nhiều yếu tố thời tiết như mưa, nắng, gió, bão … vì vậy phải chọn chất liệu phù hợp, kết cấu chắc chắn để đảm bảo mô hình vận hành ổn định

Sau khi nghiên cứu, khảo sát các kết cấu dàn tự xoay tấm pin thì đã cho ra được đề xuất mô hình như sau

Hình 4.2: Mô hình cơ khí được dựng trên phần mềm Inventor

Hình 4.3: Bản vẽ hình chiếu đứng mô hình

Phần đế chân được cấu tạo từ các thanh sắt lỗ V3, được kết nối chắc chắn bằng ốc vít và bass kê góc, đảm bảo tính ổn định trong quá trình vận hành Chiều dài của thanh ngang là 400mm, trong khi đó, chiều cao của 4 chân là 150mm.

➢ Trục đỡ khung chữ U là cây ti có ren 10mmkết hợp với tuốt năng bộ truyền động bánh răng trục vít

➢ Phía dưới là 3 bass chữ L dùng để cố định tuốt năng

Giá đỡ tấm pin được làm từ các thanh thép nhôm kích thước 25x50mm, với chiều dài 533mm và 215mm Thiết kế khoang lỗ cho cây ti ren xuyên qua và bắt ốc cố định giúp đảm bảo giá đỡ nhẹ nhưng vẫn chắc chắn, phù hợp để nâng đỡ tấm pin hiệu quả.

Trục đỡ tấm pin bao gồm cây ti có ren 8mm, kết hợp với hai gối đỡ vòng bi đứng 8mm và ốc 8mm Hai gối đỡ này được cố định bằng vít vào bass, và bass được gắn chặt vào khung giá đỡ, đảm bảo sự ổn định và chắc chắn cho hệ thống.

➢ Dùng 1 bass chữ L và mica để cố định tuốt năng và servo sao cho đảm bảo không rung lắc khi quay tấm pin

➢ Sau khi tiến hành thì phủ 1 lớp sơn cho ko bị rỉ sét, và đặt 2 tấm gỗ để kê bo mạch và acquy trên đế chân

Trong quá trình triển khai mô hình, đã xảy ra nhiều sự cố khiến phải tháo lắp lại, dẫn đến một số sai lệch nhỏ Tuy nhiên, những sai lệch này không ảnh hưởng đến hoạt động của tấm pin cũng như quá trình nghiên cứu.

Tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm pin được lựa chọn có thông số như sau:

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MONO 20 W

Công suất tấm pin P max 20 W Điện áp hở mạch V oc 22.54 V

Dòng ngắn mạch I sc 1.2 A Điện áp danh định V mp 17.82 V

Dòng danh định I mp 1.12 V Độ lệch công suất 3%

Chuẩn loại pin (cell) Pin silic đơn tinh thể ( monocrystalline )

Cấu tạo tấm pin mặt trời Kính-EVA-Cell-EVA-TPT & Khung nhôm

Chất lượng sản phẩm IEC 61215, IEC 61730, TUV

Nhiệt độ hoạt động T pv 40 o C 80 o C

Tuổi thọ sản phẩm 30 ~ 50 năm

Bảng 4.1: Thông số tấm pin mặt trời sử dụng trong mô hình

Hình 4.4: Tấm pin năng lượng mặt trời trong mô hình.

Nguồn điện Acquy

Cần lựa chọn một nguồn điện DC để khởi động và vận hành hệ thống, đồng thời nguồn điện này cũng là nơi nạp điện áp từ tấm pin mặt trời khi tiếp nhận ánh sáng.

Loại Acquy Acquy khô kín khí

Kích thước 90 (dài) x 70 (rộng) x 100 (cao) mm

Bảng 4.2: Thông số acquy sử dụng trong mô hình

Hình 4.5: Acquy trong mô hình

Động cơ servo

Dùng 2 động cơ servo cho hệ thống, mỗi servo điều khiển 1 trục 2 động cơ hoạt động độc lập xen kẽ nhau, nhắm đảm bảo cho tấm pin được gắn trực tiếp trên giá đỡ luôn nằm vuông góc với tia sáng mặt trời

Nhiệm vụ chính ở đây là điều khiển góc quay servo, không đề cập đến tốc độ quay servo (TLTK[13]) Ưu điểm khi dùng servo:

- Dễ dàng điều khiển: có 2 dây cấp nguồn và 1 dây nhận xung tín hiệu từ vi điều khiển

- Phần cơ khí đơn giảng, không cần phải thêm công tắc hành trình để giới hạn vì nhận tín hiệu từ vi điều khiển

Hệ thống có độ chính xác cao và khả năng điều chỉnh góc quay với giá trị nhỏ, cho phép động cơ servo xoay chính xác Điều này đảm bảo rằng mặt phẳng tấm pin luôn hướng về nguồn sáng sau khi hệ thống xác định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời.

Vì hệ thống hoạt động 2 trục, khối lượng tấm pin 2.3kg và các giá đỡ Do đó ta chọn loại servo MG996R với thông số như sau:

Thứ tự dây Đen: dây âm Đỏ: dây dương Trắng: dây tín hiệu

Bảng 4.3: Thông số servo sử dụng trong mô hình

Hình 4.6: Servo trong mô hình.

Quang trở

Quang trở là linh kiện có điện trở tỉ lệ nghịch với lượng ánh sáng chiếu lên nó, được chọn làm cảm biến hướng sáng cho hệ thống nhờ vào giá thành thấp và độ nhạy cao với cường độ ánh sáng Điện trở của quang trở thay đổi nhanh chóng, có nghĩa là khi ánh sáng chiếu vào nó tăng lên, điện trở giảm nhanh và ngược lại.

Chọn 4 quang trở 5mm có cùng thông số như sau: Điện áp tối đá 150VDC

Công suất tối đa 100mW Đỉnh phổ 560nm

Thời gian đáp ứng 30ms

Trở khi có ánh sáng (10lux) 5~10k

Bảng 4.4: Thông số quang trở sử dụng trong mô hình

Hình 4.7: Quang trở và đặc tính quang trở.

Arduino Nano CH340

Hệ thống này sử dụng board Arduino Nano CH340, nổi bật với kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết cho các dự án.

IC dán của ATmega328P thay vì IC cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno (TLTK[6])

IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp cấp 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân cấp nguồn

Số chân Digital 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

Bảng 4.5: Thông số Arduino Nano

Hình 4.8: Các thành phần trên Arduino Nano.

Mạch giảm áp

Trong mô hình, không thể sử dụng trực tiếp nguồn từ Arduino để cấp cho servo, vì vậy cần một nguồn nuôi ngoài từ acquy Tuy nhiên, acquy có điện áp 12V, trong khi servo chỉ hoạt động với nguồn 6V Do đó, cần thiết phải sử dụng mạch giảm áp để điều chỉnh nguồn acquy cho servo.

Mạch giảm áp DC LM2596 3A là một giải pháp nhỏ gọn có khả năng giảm điện áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao lên đến 92% Mạch này hỗ trợ điện áp đầu vào từ 3V đến 30V và điện áp đầu ra từ 1.5V đến 30V, mang lại sự linh hoạt cho nhiều ứng dụng điện tử.

Dòng đáp ứng tối đa 3A

Kích thước 45 (dài) x 20 (rộng) x 14 (cao) mm

Bảng 4.6: Thông số mạch giảm áp

Hình 4.9: Mạch giảm áp DC-DC LM2596 3A

Module này có 2 đầu vào IN và OUT, cùng với 1 biến trở để điều chỉnh điện áp đầu ra Khi cấp điện cho đầu vào (IN), người dùng có thể vặn biến trở và sử dụng VOM để đo mức điện áp ở đầu ra (OUT) nhằm đạt được điện áp mong muốn Điện áp đầu vào nằm trong khoảng từ 4-35V, trong khi điện áp đầu ra có thể điều chỉnh từ 1.25-30V với dòng tối đa là 3A.

Nút nhấn

Nút nhấn trong mô hình cho phép bật tắt chế độ tự động và chế độ tay Khi chuyển sang chế độ tay, Arduino sẽ ngắt toàn bộ tín hiệu analog từ mạch cảm biến, chỉ sử dụng nút nhấn để điều khiển hướng quay của tấm pin Do mạch điều khiển có kích thước nhỏ, nên nút nhấn cũng cần được thiết kế nhỏ gọn tương tự.

Trang 31 Áp và dòng tải 12V, 50mA-DC Điển trở tiếp xúc ≤ 50mΩ Điện trở cách điện ≥ 100MΩ

Nhiệt độ mối hàn 260 ± 5 0 C, 5 giây Điện áp quá tải 250V – AC, 1phút

Bảng 4.7: Thông số nút nhấn

Màn hình LCD

Trong quá trình vận hành hệ thống, việc giám sát góc quay của tấm pin là rất cần thiết Để thuận tiện cho việc theo dõi, chúng ta cần hiển thị các thông số lên màn hình LCD Màn hình LCD 1602, sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với 16 ký tự mỗi dòng, nổi bật với độ bền cao và tính phổ biến Nó dễ sử dụng và có nhiều mã mẫu hỗ trợ Điện áp hoạt động của LCD này là tối đa 7V và tối thiểu -0.3V.

Hoạt động ổn định 2.7-5.5v Điện áp ra mức cao >2.4V Điện áp ra mức thấp A 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 5.9: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Bắc

Arduino sẽ phát xung từ chân tín hiệu D2 để điều khiển động cơ Servo 1 xoay một góc +50 độ Nhờ cơ cấu truyền động của trục vít bánh răng, tấm pin sẽ xoay về phía ánh sáng với góc xoay tương ứng của Servo.

Nếu RUP - RDOWN > A, điều này cho thấy phần trên của bộ cảm biến ánh sáng đang ở trong vùng tối Khi đó, Arduino sẽ điều khiển động cơ Servo 1 xoay về góc -50.

Trong trường hợp cả 2 điều kiện RDOWN - RUP > A và RUP - RDOWN > A trên đều không thõa mãn, động cơ Servo 1 ngừng lại

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ, LẬP TRÌNH

5.2.1.2 Điều khiển động cơ Servo 2 (trục dọc)

Trong trường hợp quỹ đạo mặt trời thay đổi theo hướng Đông – Tây, ta có thể xác định giá trị trung bình cộng của quang trở 1 và quang trở 3 là RLEFT = (RLDR1 + RLDR3) / 2, trong khi giá trị trung bình cộng của quang trở 2 và quang trở 4 là RRIGHT = (RLDR2 + RLDR4) / 2 Giá trị chênh lệch tối thiểu giữa hai bên được đặt là B = 50 (trục dọc).

Nếu RRIGHT - RLEFT > B 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 5.10: Trường hợp ánh sáng chiếu đến bộ cảm biến từ hướng Tây

Arduino sẽ phát xung từ chân tín hiệu D3 để điều khiển động cơ Servo 2 xoay góc -50 độ Qua cơ cấu bánh răng, tấm pin sẽ được xoay về hướng ánh sáng.

1 góc đúng bằng góc xoay của Servo

Nếu hiệu số RLEFT - RRIGHT lớn hơn B, điều này cho thấy phần bên trái của cảm biến ánh sáng nằm trong vùng tối Khi đó, Arduino sẽ gửi tín hiệu điều khiển để động cơ Servo 1 xoay một góc 5 độ.

Khi cả hai điều kiện RRIGHT - RLEFT > B và RLEFT - RRIGHT > B không được thỏa mãn, động cơ Servo 2 sẽ ngừng hoạt động Do hạn chế về cơ khí và khả năng hoạt động của động cơ Servo chỉ từ 0 đến 180 độ, nên khoảng hoạt động của hai Servo được giới hạn.

5.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trình

Lưu đồ thuật toán chương trình là công cụ hữu ích trong việc viết chương trình vi xử lý, giúp mô tả chi tiết các bước lập trình thông qua các hình học và mũi tên Nó thể hiện các giải pháp một cách trực quan, giúp lập trình viên dễ dàng theo dõi và hiểu quy trình làm việc.

Hình 5.11: Lưu đồ chương trình Hình 5.12: Lưu đồ chế độ Manual

Hình 5.13: Lưu đồ chế độ Auto

Giải thích lưu đồ thuật toán:

Để bắt đầu, hãy bật nguồn và nhấn nút Mode để chọn chế độ Vi xử lý sẽ tự động lưu chế độ đã chọn trước đó Chế độ mặc định ban đầu là điều khiển bằng tay, trong khi chế độ thứ hai là tự động.

Bước 2: Khi ở chế độ tự động, Arduino sẽ thu thập giá trị từ bộ cảm biến ánh sáng khi nhận tín hiệu từ nút nhấn chế độ Sau đó, nó sẽ thực hiện phép so sánh để xác định xem điều kiện đã được cân bằng hay chưa Nếu chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay, người dùng chỉ cần nhấn nút để điều chỉnh hướng.

Để thực hiện bước 3, cần kiểm tra hai điều kiện: RUP - RDOWN > A và Góc 1 > 0 Nếu cả hai điều kiện này đều được thỏa mãn, Servo 1 sẽ xoay góc +5 độ và tiếp tục đến bước kế tiếp Nếu không, cần tiến hành kiểm tra lại.

Nếu RUP - RDOWN < A và Góc 1 < 180 độ, Servo 1 sẽ xoay góc -50 Nếu không thỏa mãn cả hai điều kiện, Servo 1 sẽ dừng lại và chuyển sang bước tiếp theo.

Trong bước 4, cần kiểm tra hai điều kiện: RRIGHT – RLEFT > B và Góc 2 > 0 Nếu cả hai điều kiện này đúng, Servo 2 sẽ xoay góc +5 độ và tiếp tục sang bước kế tiếp Ngược lại, nếu không thỏa mãn, ta sẽ kiểm tra điều kiện RRIGHT – RLEFT < B và Góc 2 < 180 độ Nếu cả hai điều kiện này đúng, Servo 2 sẽ xoay góc -5 độ và tiếp tục Nếu không, Servo 2 sẽ dừng lại và chuyển sang bước kế tiếp.

- A, B là các giá trị giới hạn chênh lệch được khai báo trước là hằng số

THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Thực nghiệm mô hình

Sau khi hoàn thành mô hình, chúng tôi tiến hành thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau để kiểm tra hiệu quả hoạt động của mô hình Đồng thời, chúng tôi so sánh công suất của tấm pin khi được điều hướng theo vị trí của Mặt Trời với công suất của tấm pin có góc nghiêng cố định tại một vị trí.

Hình 6.1: Mô hình pin mặt trời thực nghiệm

6.1.1 Thực nghiệm với điều kiện ban ngày nắng tốt

Ta thực nghiệm với tải định mức của tấm pin (TLTK[3]): dm dm 2 2 dm

Trước khi tiến hành thực nghiệm, ta mắc thêm một tải trở có R= 15Ω song song với vôn kế (V) tại ngõ ra của pin mặt trời như hình sau:

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Hình 6.2: Lắp mạch đo điện áp tấm pin

Sau 30 phút thực nghiệm, số liệu hiển thị trên màn hình vôn kế đèn LED sẽ được ghi lại một lần, đồng thời giá trị công suất của tấm pin sẽ được tính toán theo công thức đã nêu.

Khi thực hiện mô hình tự động điều hướng pin mặt trời theo ánh sáng mặt trời, không cần chú ý đến hướng của tấm pin.

Trong thực nghiệm với tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt cố định một góc nghiêng tại TP Hồ Chí Minh, nơi có vĩ tuyến 10 độ Bắc, mặt phẳng của tấm pin hướng về phía Nam để tối ưu hóa việc tiếp nhận ánh sáng mặt trời Góc nghiêng được thiết kế nhằm tối đa hóa cường độ bức xạ nhận được và giúp tấm pin tự làm sạch Khi có mưa, với mặt phẳng nghiêng, nước mưa sẽ chảy xuống, giúp loại bỏ bụi bẩn bám trên bề mặt tấm pin.

Hình 6.3: Góc chiếu mặt trời

Tính toán góc nghiên cho tấm pin đặt cố định (TLTK[3]):

Thời gian và vị trí thực nghiệm: Ngày 30/5/2021 tại 10°50'54.3"Bắc, 106°43'47.4" Đông

Với n là thứ tự ngày trong năm (n = 150) δ = 21 45'3" 0

Góc cao độ giữa trưa βN là góc giữa tia nắng mặt trời chiếu tới và mặt phẳng phương ngang của mặt đất:

Thay các giá trị L và δ vào ta có kết quả:

0 0 β = 90 -10 50'54.3"+21 45'3"0 54'8.7" Để tia nắng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng tấm pin lúc 12h trưa thì góc nghiêng β là:

Do đó t nghiêng tấm pin về hướng Nam 1 góc 10 0

Kết quả thực nghiệm và tính toán sẽ được ghi vào bảng 6.1, với:

Uout1: Điện áp ngõ ra của tấm pin được điều hướng hai trục xoay theo vị trí của MT

Uout2: Điện áp ngõ ra của tấm pin được đặt cố định

Pout1: Công suất ngõ ra của tấm pin được điều hướng hai trục xoay theo vị trí của MT

Pout2: Công suất ngõ ra của tấm pin được đặt cố định

TT Giờ P out1 (W) P out2 (W) U out1 (V) U out2 (V)

Bảng 6.1: Thông số thực nghiệm

Hình 6.4: Đồ thị đường biểu diễn công suất tấm pin theo thời gian

Mô hình tự động điều hướng hai trục xoay cho tấm pin năng lượng mặt trời cho thấy hiệu suất cao hơn so với tấm pin cố định trong hầu hết các khoảng thời gian ban ngày.

Công suất cực đại của tấm pin mặt trời đạt được vào lúc 12 giờ trưa, và giá trị này không có sự khác biệt đáng kể giữa tấm pin có hệ thống điều hướng và tấm pin cố định.

Mức độ giảm công suất của tấm pin khi tự động điều hướng hai trục xoay diễn ra chậm hơn so với tấm pin cố định.

THỜI GIAN ( GIỜ)Pout1(W) Pout2(W)

Trang 49 đặt cố định Điều này có nghĩa độ dốc của đặc tính công suất - thời gian (P-t) của hệ thống điều hướng nhỏ hơn so với hệ thống cố định

Khi động cơ Servo đạt điểm công suất cực đại, góc quay trong chế độ tự động điều hướng gần như trùng với góc đã đặt ban đầu ở chế độ bằng tay Điều này cho thấy mô hình tự động điều hướng đã xác định chính xác góc quay để tấm pin đạt công suất tối ưu trong thí nghiệm vào lúc 12 giờ trưa.

Mô hình điều hướng tự động sẽ không hoạt động hiệu quả khi cường độ ánh sáng yếu ảnh hưởng đến bộ cảm biến hoặc khi nguồn sáng tác động quá nhanh.

Việc tránh lãng phí điện năng trong hệ thống động cơ khi bị ảnh hưởng bởi ánh sáng không mong muốn là rất quan trọng Đồng thời, việc tận dụng tối đa điện năng từ tấm pin mặt trời qua mạch nạp vào các acquy dự trữ sẽ giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.

Đánh giá mô hình thực tế

6.2.1 Một số vấn đề cần lưu ý khi vận hành bảo dưỡng mô hình Để vận hành mô hình hoạt động ổn định, cách thức vận hành phải thực hiện theo trình tự sau:

➢ Kiểm tra các thiết bị, trục xoay, khung đỡ ở trạng thái bình thường

➢ Cấp nguồn Acquy đúng chiều

➢ Bật công tắc để cấp nguồn cho mạch vi xử lí, có LED báo trạng thái nguồn vào Một số lưu ý về bảo dưỡng mô hình thực tế:

Trong quá trình vận hành, phần trục xoay và các động cơ dây dẫn có thể bị tăng nhiệt do ánh sáng Mặt trời hoặc nước mưa thấm vào Do đó, cần thiết phải áp dụng các biện pháp cách nhiệt và che chắn hiệu quả để bảo vệ thiết bị.

➢ Các mối nối và các dây bus cắm vào header phải chắc chắn, và được kiểm tra

Vi xử lý Arduino rất nhạy cảm và dễ hư hỏng, vì vậy trong quá trình nạp chương trình, điều khiển hoặc bảo trì mô hình, cần chú ý đến các tác động cơ học Một tác động không mong muốn có thể dẫn đến hư hỏng Arduino, gây lãng phí linh kiện và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của mô hình.

➢ Khi vận chuyển thiết bị, thì nên tháo rời khung tấm pin tránh hư hại

6.2.2 Ưu, nhược điểm của mô hình

Trong quá trình vận hành mô hình, việc nhận diện các ưu điểm và nhược điểm là rất quan trọng Điều này giúp phát huy những lợi thế hiện có và đồng thời hạn chế, khắc phục những điểm yếu, từ đó hoàn thiện mô hình và nâng cao hiệu quả hoạt động.

- Công suất của tấm pin khi được tự động điều hướng cao hơn khi đặt cố định

- Không cần tính toán góc nghiêng mặt phẳng tấm pin so với mặt phẳng ngang ban đầu

- Vận tốc quay phù hợp

- Nếu điện áp tấm pin vọt lố thì không đạt được điểm công suất cực đại do chưa có bộ điều khiển MPPT

- Hệ thống vận hành chưa êm, còn gây tiếng ồn

- Trong quá trình vận hành còn có sự dao động khung đỡ

- Thời gian phản hồi từ tín hiệu điều khiển đến động cơ chưa thực sự nhanh

- Phần cơ khí chưa đảm bảo ngoài thời tiết khắc nghiệt

- Tiếu tốn năng lượng nhiều hơn đặt tấm pin cố định

Bảng 6.2: Ưu nhược điểm hệ thống.

Đề xuất hướng phát triển

Mô hình đồ án chỉ áp dụng cho nghiên cứu và khảo sát tấm pin công suất nhỏ, hệ thống cơ khí và truyền động đơn giản, cùng với lập trình vi xử lý và các thuật toán cơ bản Để phát triển hệ thống lớn hơn và nâng cao hiệu suất làm việc, cần tập trung vào một số vấn đề quan trọng.

➢ Nghiên cứu kỹ hơn về phần cơ cấu truyền động

➢ Tính toán điện năng tiêu tốn từ đó xem xét hệ thống nào phù hợp

➢ Thêm chế độ thời gian thực, để điều khiển tắt nguồn vào buổi tối, tránh lãng phí điện năng

➢ Cải thiện bộ cảm biến thích ứng với thời tiết

➢ Ứng dụng vào hệ thống lớn, từ đó kết nối vào lưới điện.

Kết luận, đề tài đã thành công trong việc chế tạo mô hình xoay hai trục điều hướng pin năng lượng mặt trời, giải quyết hiệu quả các vấn đề ban đầu Các kết quả chính đạt được bao gồm việc tối ưu hóa khả năng thu năng lượng mặt trời và cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.

➢ Nắm được các cơ sở lý thuyết, nguyên tắc xoay tấm pin sao cho hướng về lượng bức xạ lớn nhất

➢ Đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình điều hướng pin mặt trời 20W theo 2 trục

➢ Thực nghiệm cho kết quả tốt

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phan Duy An đã nghiên cứu về pháp luật liên quan đến các biện pháp khuyến khích và hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam hiện nay Bài viết thuộc chuyên ngành Luật kinh tế của Đại học Luật, nhấn mạnh tầm quan trọng của các chính sách pháp lý trong việc thúc đẩy năng lượng tái tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững của đất nước.

[2] Nguyễn Nhân Bổn, “Giải thuật nâng cao hiệu suất pin mặt trời và ứng dụng”,

BM Điện Công Nghiệp, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

[3] Trần Công Binh, Bài giảng “Năng lượng tái tạo”, Đại học Bách Khoa, 8/2013

Nguyễn Minh Hải đã thực hiện đồ án “Giải pháp nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời” thuộc ngành Điện-điện tử, chuyên ngành điện hệ thống tại Đại học Bách Khoa Đà Nẵng vào tháng 5 năm 2018.

[5] Hoàng Dương Hùng, “Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng”, Ngành

Nhiệt điện lạnh, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

[6] Huỳnh Minh Phú, “Tự học Arduino cho người mới bắt đầu”, khoa Cơ khí chế tạo máy, đại học Sư Phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2015

[7] Vương Đức Phúc, Đào Minh Quân, “Nghiêng cứu cảm biến ánh sáng dùng trong hệ tự động bám theo Mặt Trời”, khoa Điện – điện tử, trường đại học

Lý Ngọc Thắng (2011) đã thực hiện nghiên cứu về việc thiết kế hệ thống tự động có khả năng thích ứng với vị trí của mặt trời, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Công nghệ, Bộ Công Thương, với mục tiêu tối ưu hóa việc khai thác năng lượng mặt trời.

Nguyễn Ngọc Trung đã thực hiện một đồ án nghiên cứu về việc tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, thuộc chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện, tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TPHCM vào tháng 7 năm 2012 Nghiên cứu này đóng góp vào việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

[10] “Thúc đẩy chuyển dịch năng lượng tái tạo toàn câu”, 2017

[11] Sunemit, “Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam mới nhất năm 2021”

[Online]: https://sunemit.com/ban-do-buc-xa-mat-troi-tai-viet-nam/

[12] Reepro Solar, “Sản lượng lắp đặt điện mặt trời theo từng khu vực trên thế giới

[Online]: https://reeprosolar.com/tang-truong-dien-mat-troi-2021-2022/

[13] Lê Long, “Công nghệ điều khiển động cơ Servo”, 2015

[Online]: http://banbientan.com/cong-nghe-dieu-khien-dong-co-servo/

[14] Công ty TNHH Kỹ thuật Đạt Solar, “Hướng dẫn thiết kế góc đặt pin mặt trời”

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,84 MB