Nâng cao hiệu năng của hệ thống Pin năng lượng mặt trời

Bài viết trình bày việc chế tạo một hệ thống Pin năng lượng Mặt trời có khả năng tự tính toán chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực và tọa độ, luôn điều hướng được tấm Pin quay về hướng thu nhận được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm bảo hiệu suất sản sinh ra năng lượng điện tốt nhất.

Nâng cao hiệu năng của hệ thống PIN năng

lượng Mặt Trời

Bùi Trung Ninh, Nghiêm Mạnh Cường

Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN Email: ninhbt@vnu.edu.vn

Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo một hệ

thống Pin năng lượng Mặt trời có khả năng tự tính toán

chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực và tọa độ,

luôn điều hướng được tấm Pin quay về hướng thu nhận

được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm bảo hiệu

suất sản sinh ra năng lượng điện tốt nhất Các kết quả

khảo sát cho thấy hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều

hướng được cải thiện 33,6% so với tấm Pin không có hệ

thống điều hướng (cố định) và điện lượng cũng được cải

thiện 31,7 % trong khi nhiệt độ là không đổi Ngoài ra, kết

quả thực nghiệm cũng cho thấy tấm Pin luôn quay vuông

góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện

thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn

định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của các tác nhân bên

ngoài

Keywords- PIN, điện Mặt trời

I GIỚITHIỆU Một trong những điều kiện tiên quyết đảm bảo sự

phát triển và duy trì sức mạnh về công nghệ, công

nghiệp, chính là việc cung cấp năng lượng hoạt động cho

tất cả những thiết bị điện tử, máy móc Và năng lượng ở

đây, chính là điện năng Thực tế đã chứng minh, số

lượng phát minh khoa học gia tăng tỉ lệ thuận với năng

lượng điện tiêu thụ Để đáp ứng nhu cầu khổng lồ về

điện, các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và sử

dụng đa dạng các giải pháp như nhiệt điện, thủy điện,

điện hạt nhân, điện gió [1]

Hình 1 Tỉ lệ điện năng được khai thác vào năm 2017 (IEA)

[1]

Dựa trên biểu đồ, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy phần lớn điện năng trên thế giới được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện, thông qua việc đốt cháy các nguyên liệu như than đá, khí đốt, dầu…Tuy nhiên, phương án này chỉ là tạm thời, do những nguồn tài nguyên này đang dần

bị cạn kiệt Sự thay đổi nhỏ về nguồn cung, cũng tạo nên một tác động lớn tới giá cả của lượng điện năng được tạo ra Bên cạnh đó, sự hoạt động của hệ thống nhiệt điện tạo ra một một lượng khí thải vô cùng lớn, gây ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường Trong suốt thập kỷ qua, tiêu dùng điện than đã tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng năm là 0,8%, đặc biệt tại các quốc gia trong khu vực châu Á – Thái Bình Dương là 2,4% Trong năm

2019, Việt Nam có tốc độ tăng trưởng điện than đặc biệt cao, lên tới 30,2% Theo báo cáo của Uỷ ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (IPCC), nếu các nước thực hiện nghiêm túc lộ trình giảm 50% lượng khí CO2 vào năm 2030, và xuống mức 0% đến năm

2050, thì mới có thể kiềm chế được mức tăng nhiệt độ Trái Đất ở ngưỡng an toàn 1,5 độ C Với hàng loạt con

số đáng báo động, con người đang rất gấp rút trong việc tìm kiếm các phương án thay thế cho hệ thống nhiệt điện Điều này đã và đang đặt ra vô vàn những thách thức mới cho nhân loại [1] [2]

Hình 2 Sự thay đổi về tỉ lệ khai thác điện năng từ các nguồn tài nguyên, từ năm 1974 đến 2018 trên toàn cầu (IEA) [1]

Một trong những phương án thay thế nhiệt điện được nhiều quốc gia lựa chọn chính là xây dựng các nhà máy thuỷ điện Thuỷ điện là một nguồn điện linh hoạt, vì số

lượng các trạm có thể thay đổi rất nhanh để thích nghi

với nhu cầu năng lượng Một ưu điểm nữa là turbine thuỷ

lực có thời gian khởi động ngắn hơn rất nhiều so với các

turbine khí hoặc nhà máy hơi nước Và yếu tố tiên quyết,

tạo nên sự phát triển của nhà máy thuỷ điện, chính là

việc không tạo ra carbon dioxide Song, việc xây dựng

các công trình thủy điện cũng gây ra một số hậu quả

nặng nề Các hồ chứa lớn gắn liền với nhà máy thuỷ điện

truyền thống, dẫn đến việc các khu vực rộng lớn ở phía

thượng nguồn của các con đập thường bị ngập, thậm chí

phá huỷ các khu rừng thấp và hệ sinh thái ở các khu vực

đầm lầy, đồng cỏ Bên cạnh việc ảnh hưởng tới môi

trường sống của động thực vật, thuỷ điện còn tác động

trực tiếp tới đời sống của những con người sống trong

khu vực đập Việc di dời và tái định cư cho các hộ dân

luôn là vấn đề phức tạp tại bất kì quốc gia nào

Với những bất cập kể trên, điện Mặt trời nổi lên như

một giải pháp với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang

được nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam phát

triển Tuy nhiên, việc sử dụng tấm Pin Mặt trời cũng cần

phải đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật như phương chiếu

sáng của Mặt trời phải vuông góc với bề mặt Pin, thì hiệu

suất mà tấm Pin đem lại mới đạt tối đa Nhưng một sự

thật đặt ra ở đây, trong khi tấm Pin nằm yên, Trái đất lại

luôn chuyển động xoay quanh Mặt trời Điều này đồng

nghĩa với việc góc giữa tia sáng và bề mặt tấm Pin luôn

thay đổi Do đó lượng điện sinh ra từ tấm Pin không

được ổn định, đem lại hiệu quả khai thác điện năng thấp,

đặc biệt vào thời điểm góc chiếu tới lớn Điều này đặt ra

cho chúng ta câu hỏi, tại sao chúng ta không chế tạo một

hệ thống tự động điều hướng cho tấm Pin, nhằm đảm

bảo bề mặt tấm Pin luôn được vuông góc với phương

chiếu ánh sáng Mặt trời, từ đó tạo hiệu suất hoạt động

sinh điện cao nhất cho tấm Pin?

Hiện nay, có một số hệ thống tự động điều hướng

tấm Pin quay theo hướng ánh sáng Mặt trời đã được

nghiên cứu hoặc sản xuất [3] Những thiết bị này thường

sử dụng cảm biến ánh sáng hoặc thiết lập lệnh điều khiển

cố định theo thời gian trong ngày để tấm Pin quay tương

đối theo hướng Mặt trời Tuy nhiên với những thiết lập

trên, các hệ thống này thường gặp phải một số vấn đề

như:

- Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời dựa trên

khung thời gian được thiết lập sẵn dẫn tới việc tấm

Pin không thể quay hoàn toàn chính xác về hướng

Mặt trời Điều này xảy ra do tấm Pin chỉ quay theo

các góc quay được thiết lập cố định, nhưng thời gian

Mặt trời chiếu sáng và quỹ đạo di chuyển của Mặt

trời luôn thay đổi theo từng ngày, đặc biệt theo mùa

- Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời sử dụng cảm

biến ánh sáng có thể gặp phải nhiễu do các nguồn

sáng khác, khiến chúng hoạt động không chính xác,

ví dụ như tia chớp kéo dài, ánh sáng phản chiếu từ

các tấm kính tòa nhà, ánh đèn chiếu vào hay sai lệch

do bụi bẩn bám vào

Hiện tại các hệ thống điện Mặt trời ở Việt Nam, cụ thể là tại Ninh Thuận đều sử dụng cảm biến ánh sáng Với các bất cập kể trên, hệ thống chỉ có thể gia tăng được lượng điện năng thêm 20% so với giá Pin cố định Một

ví dụ khác là sản phẩm [4] có sử dụng cảm biến ánh sáng điện quang trở để xác định vị trí Mặt trời, hoạt động theo nguyên lý bám đuổi ánh sáng giống hoa hướng dương

Hệ thống này chỉ có thể tăng hiệu suất lên trung bình 10%

Trong bài báo này chúng tôi đề xuất thiết kế, chế tạo một hệ thống Pin năng lượng mặt trời có khả năng tự tính toán chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực

và tọa độ, luôn điều hướng để tấm Pin quay về hướng thu nhận được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm bảo hiệu suất sản sinh năng lượng điện Từ kết quả khảo sát, chúng tôi nhận thấy rằng tấm Pin luôn quay vuông góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các tác nhân bên ngoài Hiệu suất và điện lượng được cải thiện đáng kể trong khi nhiệt độ không thay đổi

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần II, chúng tôi phân tích lý thuyết mô hình hệ thống Trong phần III, chúng tôi trình bày việc thiết kế, chế tạo

và các kết quả đạt được Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV

II PHÂNTÍCHLÝTHUYẾT

1 Hoạt động của PIN năng lượng Mặt trời

Điện Mặt trời, hay còn được gọi là quang điện hay quang năng, là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng Mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ Pin Mặt trời [5]

Hệ thống điện Mặt trời hoạt động được là nhờ có các

tế bào quang điện Kích thước của những tế bào này rất

đa dạng, một số thì nhỏ hơn cả một chiếc tem, số khác lại có kích thước chiều ngang lên tới 12 cm Những tế bào quang điện được cấu tạo bởi vật liệu bán dẫn Chúng hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp, và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng Để đáp ứng được những tính chất này, chất bán dẫn được làm bằng silicon Mặt trên và mặt dưới của các tế bào thường có các điểm tiếp xúc bằng kim loại, nơi mà dòng điện có thể chạy qua Mỗi tế bào có hai lớp silicon, loại N và P, với những tính chất khác nhau Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P cùng nhau tạo ra điện trường Các tế bào năng lượng Mặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực N đến điện cực P, không cho phép di chuyển ngược lại [5]

Để kích hoạt quá trình này cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon Và ánh sáng Mặt trời chính là giải pháp Ánh sáng này mang theo những hạt photon với năng lượng rất lớn, có thể tiếp xúc với các tế bào

quang điện, từ đó nới lỏng các liên kết của các electron

ở điện cực N Sự di chuyển của các electron tự do từ điện

cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện Khi điện trường

được tạo ra, ta thu thập và chuyển hóa chúng thành dòng

điện có thể sử dụng Một bộ biến tần được gắn với các

tế bào quang điện sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC)

thành dòng điện xoay chiều Một tế bào quang điện chỉ

có thể tạo ra một lượng nhỏ điện năng Chính vì vậy, để

đáp ứng những nhu cầu trong cuộc sống, những tế bào

này thường phải được liên kết với nhau, tạo thành

module, hay còn gọi là tấm Pin năng lượng Mặt trời

Những tấm này thường có thể tạo ra lượng điện năng lên

tới vài trăm watt

Hình 3 Cấu tạo tấm PIN Mặt trời [5]

Pin năng lượng Mặt trời hoạt động tối ưu khi tấm

Pin được đặt vuông góc với phương chiếu của ánh sáng

Mặt trời Vì lí do kể trên, những tấm này thường được

đặt trên những hệ thống “theo dõi” Những hệ thống này

có thể xoay tấm Pin dọc theo hướng di chuyển của Mặt

trời, để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động hiệu quả nhất

Tuy nhiên các hệ thống theo dõi vị trí Mặt trời hiện tại

thường sử dụng cảm biến ánh sáng để xác định phương

hướng Điều này vô hình chung gây ra một điểm bất lợi

cho hệ thống trong những ngày thời tiết xấu Vào những

ngày mưa hoặc trời nhiều mây, các cảm biến ánh sáng

của hệ thống khó có thể xác định được chính xác vị trí

của Mặt trời Chính vì vậy, trong bài báo này, sẽ nghiên

cứu phương án tối ưu để giải quyết được vấn đề tồn đọng

trên

Trong bài báo [3] nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế

tạo thành công mô hình hệ thống hướng sáng cho Pin

mặt trời Dù đã có kết quả như mong đợi tuy nhiên vẫn

còn khuyết điểm như sự sai lệch góc do nhiễu ở servo,

năng lượng thu vào quá thấp, hệ thống sử dụng cảm biến

điện quang trở, thiết kế cảm biến cho hệ thống đòi hỏi

việc thu nhận dữ liệu, độ mạnh yếu, hướng sáng của cảm

biến Do đó phải sử dụng 4 cảm biến điện quang trở đặt

tách biệt và thu về những dữ liệu tách biệt để so sánh

Điều này gây ra sự phức tạp cho hệ thống, vì càng nhiều

cảm biến đồng nghĩa với việc càng nhiều nhiễu có thể

xảy ra Bên cạnh đó, như đã trình bày ở trên, việc sử

dụng cảm biến có thể gây ra nhiều trở ngại do tình hình

thời tiết, cũng như bụi bẩn bám trên bề mặt Động cơ của

hệ thống này khá yếu, chỉ có thể quay được những tấm

Pin nhỏ Không có hệ thống thống kê để đánh giá hiệu

suất hoạt động

Trong bài báo [4] tác giả đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời có cơ cấu định hướng theo vị trí Mặt trời để thu được nhiều năng lượng Tổng dòng tích lũy trong một ngày của hệ thống đạt được cao hơn so với thiết bị đối chứng từ 20-30% Ngoài ra, việc sử dụng góc quay thiết lập sẵn mà vị trí Mặt trời mỗi ngày là khác nhau, nên góc quay được thiết lập sẵn sẽ không tối ưu

2 Cách thức xác định vị trí của Mặt trời

Với sự ra đời của hệ thống vi điều khiển Arduino và các phần cứng liên quan để điều khiển động cơ bước, việc sản xuất tấm Pin năng lượng Mặt trời có khả năng

tự định hướng dựa trên những thiết bị này đã được rất nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu Có hai cách

cơ bản để hiện thực hóa ý tưởng này Ở phương pháp đầu tiên, người ta sử dụng cảm biến ánh sáng (thường lên tới bốn chiếc trên một hệ thống) để xác định vị trí Mặt trời bằng cách tìm kiếm nguồn sáng mạnh nhất Sau

đó sử dụng hai động cơ bước để điều khiển hai trục quay, hướng tấm Pin quay chính xác về phía Mặt trời Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi việc thiết lập quản lý các cảm biến ánh sáng phải thực sự hiệu quả Hệ thống này

có thể dễ dàng xảy ra lỗi nếu có những nguồn sáng khác thường xuất hiện vào thời điểm trời nhiều mây hoặc đang mưa Điều này đặt ra một bài toán mới cần được giải quyết Phương pháp thứ hai được xây dựng dựa trên một nền tảng lý thuyết về vị trí của Mặt trời – cụ thể ở đây là độ cao và góc phương vị - những yếu tố có thể được tính toán dựa trên các phương trình thiên văn nổi tiếng Để có thể triển khai được phương án này, đòi hỏi

ta cần cung cấp cho hệ thống những thông số kinh độ và

vĩ độ chính xác (những yếu tố có thể dễ dàng tìm kiếm thông qua Internet) [6]

a) Tính ngày Julian

Nếu tháng > 2, thì y’ và m’ không thay đổi;

Nếu tháng ≤ 2, y’ = năm – 1, m’ = tháng +12

A = phần nguyên (y’/100);

B = 2 + A + phần nguyên (A/4) Ngày Julian (phần nguyên) = phần nguyên [365.25 * (y’ + 4716) + phần nguyên [30.6001 * (m’ + 1)] + ngày + B – 1524.5

(1)

Ngày Julian (phần thập phân) = (giờ + phút/60 + giây/3600)/24 – 0.5 (2)

b) Tính toán vị trí Mặt trời

Phần này sẽ xác định vị trí của Mặt trời trong hệ tọa

độ hoàng đạo trước, sau đó sẽ chuyển đổi thành vị trí tọa

độ theo phương xích đạo của Trái đất, thông qua kinh tuyến Greenwich [7, 8]

T là số thế kỷ Julian (36525 ngày) kể từ 12:00:00 UT, ngày 1/1/2000

T = (Ngày Julian – 2451545)/36525 (3) Kinh độ Mặt trời (đơn vị: độ)

L0 = 280.46645 + 36000.76983 * T +

Điểm dị thường trung bình của Mặt trời (góc giữa

các đường vẽ từ Mặt trời đến điểm cận nhật B và đến

một điểm chuyển dộng trên quỹ đạo với tốc độ đều

tương ứng với chu kỳ quay của hành tinh)

M = 357.5291 + 35999.0503 * T -

0.0001559 * T2 - 0.00000048*T3 (5)

Độ lệch tâm của quỹ đạo Trái đất:

e = 0.016708617 - 0.000042037 * T -

Phương trình tâm Mặt trời C (đơn vị: độ)

C = (1.9146 - 0.004847 * T - 0.000014 *

T2) * sin(M) + (0.019993 - 0.000101 * T)

•sin(2 * M) + 0.00029 * sin(3 * M)

(7) Kinh độ thực của Mặt trời (đơn vị: độ)

Điểm dị thường trung bình chính xác của Mặt trời

(đơn vị: độ)

Khoảng cách từ Mặt trời tới Trái đất

R = 1.000001018 * (1 – e2)/ [1 + e*cos(f)] (10)

Góc giờ Greenwich (đơn vị: độ)

280.46061837 + 360.98564736629 * (ngày

Julian - 2451545) + 0.000387933 * T2 –

T3/38710000

(11)

Độ nghiêng của đường xích đạo (đơn vị: độ)

23 + 26/60 + 21.448/3600 - 46.815/3600 *

T – (0.00059/3600) * T2 + (0.001813/3600)

* T3

(12) Xích kinh độ:

tan-1 [(sin(Ltrue) * cos(độ nghiêng đường

Độ nghiêng:

sin-1[sin(độ nghiêng đường xích đạo)

Góc giờ:

Góc giờ Greenwich + L0 – Xích kinh độ (15)

Góc phương vị của Mặt trời

tan-1 {sin(góc giờ)/[cos(góc giờ) * sin(L0) –

Độ cao của Mặt trời

sin-1[sin(L0)*sin(độ nghiêng) + cos(L0) •

(cos(độ nghiêng) *cos(góc giờ)] (17)

III THIẾTKẾ,CHẾTẠOVÀKẾTQUẢ

1 Thiết kế, chế tạo hệ thống

Trong phần này, chúng tôi thiết kế và xây dựng hệ thống mạch điều hướng cho tấm Pin sử dụng bộ vi điều khiển Arduino NANO, mô đun thời gian thực DS1307, động cơ bước NEMA17, điều khiển động cơ bước Driver TMC2208 Wemos D1 Mini Pro được sử dụng trong hệ thống với chức năng nhận dữ liệu đo nhiệt độ của Pin năng lượng Mặt trời, hiệu điện thế và cường độ dòng điện đi từ Pin qua mạch sạc; kết nối với server qua giao thức kết nối không dây; chuyển toàn bộ dữ liệu tới server để người dùng có thể truy cập và quản lý thông tin từ xa qua các thiết bị kết nối Internet Bộ INA219 để

đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế đi từ Pin năng lượng Mặt trời qua mạch sạc, sau đó gửi dữ liệu về Wemos D1 Mini Pro qua giao tiếp I2C DS18B20 được

sử dụng trong hệ thống với chức năng đo nhiệt độ của tấm Pin năng lượng Mặt trời để gửi về Wemos D1 Mini Pro nhằm kiểm soát nhiệt độ Pin, đảm bảo tuổi thọ hoạt động của tấm Pin (Hình 4 và 5)

Hình 4 Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch điều hướng

Hình 5 Sơ đồ mạch điều hướng sau khi lắp đặt

Hình 6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ

Hình 6 trình bày sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ,

hệ thống được hoạt động dựa trên các thông tin về thời

gian, toạ độ được nhập vào và chuyển tiếp tới hệ thống

xử lý trung tâm, từ đó đưa ra những quyết định điều

hướng tấm Pin năng lượng Mặt trời Thông tin về thời

gian sẽ luôn được lưu trữ trong DS1307, kể cả trong

trường hợp không được cấp nguồn (thời gian lên tới 2

năm) [9] Hệ thống cũng sử dụng các module endstop

quang để xác định điểm gốc Trước khi bật hệ thống,

module này được thiết lập quay về hướng Bắc Khi được

khởi động, hai động cơ sẽ tự động đưa tấm Pin đến

endstop để xác định vị trí điểm gốc

Hình 7 Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch thống kê

Hình 8 Mạch thống kê sau khi chế tạo thành công

Để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hướng và

thống kê hiệu suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ

và thời gian thực, chúng tôi chế tạo mạch thống kê, bao

gồm một cụm các cảm biến điện áp, dòng điện, nhiệt độ,

vi điều khiển có khả năng kết nối Internet (không dây

hoặc có dây), từ đó gửi dữ liệu đo được về máy tính hoặc

điện thoại, thông qua server Blynk Bên cạnh đó, các

thông số này còn được hiển thị trên màn hình OLED của

hệ thống (Hình 7 và 8)

Hình 9 Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống

Hình 9 và 10 mô tả thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển cho hệ thống Hình 11 là hệ thống Pin hoàn chỉnh sau thiết kế, chế tạo Thiết bị được gia cố bằng khung nhôm chắc chắn, nhằm đảm bảo có thể chịu được sức nặng của tấm Pin cũng như hệ thống điều hướng Hệ thống được dẫn động thông qua dây curoa, từ đó có thể đảm bảo sự

ổn định về mặt tốc độ khi thay đổi phương hướng của tấm Pin, tránh trường hợp bị văng theo phương không mong muốn do tốc độ quá lớn

Hình 10 Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống

Hình 11 Hệ thống Pin hoàn chỉnh sau chế tạo

2 Kết quả

Thử nghiệm được tiến hành trong thời gian 48 giờ liên tục (vào thời điểm mùa xuân, ít nắng) để xem xét và đánh giá hiệu năng của hệ thống Để đánh giá hiệu năng của “hệ thống điều hướng và thống kê hiệu suất của Pin năng lượng Mặt trời theo tọa độ và thời gian thực”, chúng tôi đã sử dụng mạch thống kê có chức năng đo cường độ dòng điện, hiệu điện thế từ Pin năng lượng Mặt trời chuyển tới mạch sạc, từ đó tính ra công suất, số điện năng Wh thu được từ ánh sáng Mặt trời Bên cạnh đó, ta còn thu thập được thông tin về nhiệt độ của hệ thống Dựa vào đó, có thể đưa ra những tính toán phù hợp để duy trì tuổi thọ của thiết bị

Tất cả các thông số trên được hiển thị trên màn hình OLED đặt trên mạch, đồng thời gửi qua server Blynk Chúng ta có thể dễ dàng truy cập những dữ liệu này

thông qua các thiết bị có kết nối với Internet, như điện

thoại, máy tính, máy tính bảng… Đặc biệt thông số điện

năng được thống kê dưới dạng biểu đồ thời gian

Hình 12 Hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều hướng

Hình 13 Hiệu suất tấm Pin cố định (không có điều hướng)

Bảng 1 So sánh hiệu năng giữa tấm Pin cố định và tấm

Pin có hệ thống điều hướng

Đại lượng Tấm

Pin cố

định

Tấm Pin có điều hướng

Tỉ lệ tăng hiệu suất

Công suất

Điện tích

Ah

Theo như kết quả thống kê và dữ liệu trên Hình 12,

13, với hệ thống điều hướng, lượng điện năng thu được

lớn hơn 30% so với tấm Pin cố định (không có hệ thống điều hướng) Số liệu này dựa theo hiệu suất trung bình trong khoảng thời gian thử nghiệm và hoàn toàn có thể thay đổi phụ thuộc vào các thời điểm trong năm, với các

số giờ có nắng khác nhau theo mùa Từ những cải thiện đáng kể về hiệu suất, cùng với chi phí sản xuất thấp, hệ thống hoàn toàn có thể được cân nhắc để tiến hành đưa vào sản xuất và sử dụng đại trà

IV KẾTLUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công Hệ thống điều hướng và thống kê hiệu suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ và thời gian thực, giải quyết được các vấn đề tồn đọng của các hệ thống Pin năng lượng Mặt trời hiện hành như: Tấm Pin luôn quay vuông góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào; hệ thống không sử dụng cảm biến để điều khiển nên hoạt động ổn định, không bị nhiễu; có thể đặt bất cứ vị trí nào trên Trái đất, tấm Pin vẫn luôn đảm bảo quay vuông góc chính xác với hướng ánh sáng Mặt trời chiếu tới do hệ thống sử dụng

dữ liệu thời gian thực và tọa độ của vị trí đặt hệ thống để tính toán vị trí của Mặt trời Các kết quả khảo sát cho thấy việc sử dụng hệ thống điều hướng và thống kê hiệu suất Pin năng lượng Mặt trời theo dữ liệu tọa độ và thời gian thực giúp tăng hiệu suất lên tới 30% so với việc lắp đặt Pin mặt trời theo một hướng cố định như cách truyền thống Với thiết kế gọn gàng, chắc chắn, sản phẩm có thể được ứng dụng rộng rãi bởi khả năng di động cao cùng hiệu suất mang đến vượt trội, giá thành không quá cao so với việc lắp đặt truyền thống nếu được sử dụng với số lượng lớn

TÀILIỆUTHAMKHẢO

[1] VietinBank, “Báo cáo cập nhật Ngành điện”, VietinBank Securities, 2019

[2] Wikipedia, Thermal Power Station

[3] Trần Văn Trưởng , Lê Văn Sơn, Bùi Như Phong, “Hệ thống

hướng sáng PIN Mặt trời”, Tạp san sinh viên nghiên cứu khoa

học số 9, 2019, Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

[4] Lý Ngọc Thắng, Viện Năng lượng, Bộ Công Thương, “Nghiên

cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí Mặt trời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị dùng năng lượng Mặt trời”

[5] Richard Hantula, “How do Solar panels work”, Infobase Publishing, U.S.A, 2010, pp 14 – 17

[6] Jean Meeus, “Astronomical Algorithm”, Willman-Bell Inc,

1998

[7] David Brooks,“Arduino Uno and Solar Position Calculations”, Institute for Earth Science Research and Education, 2015 [8] Roderick, M L., Methods for calculating solar position and day

length including computer programs and subroutines

Department of Primary Industries and Regional Development, Western Australia, Perth Report 137, 1992

[9] TS Nguyễn Tất Bảo Thiện, KS Phạm Quang Huy, “Arduino

và lập trình IoT”, NXB Thanh Niên, 2020