BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG DÀN PIN MẶT TRỜI Sinh viên thực hiện TRẦN ĐĂNG LUẬN T.
PHẦN MỞ ĐẦU
Mục đích và yêu cầu của đề tài
Tự động điều chỉnh thiết bị thu năng lượng Mặt Trời quay theo hướng Mặt Trời gồm hai mục đích:
- Làm cho thiết thiết bị thu năng lượng Mặt Trời luôn hướng về phía Mặt
Trời, phát huy tối đa khả năng thu nhận năng lượng
- Lấy số liệu và so sánh hiệu suất với trường hợp khi đặt thiết bị nầm cố định một hướng
Yêu cầu cảu đề tài:
- Tìm hiểu các thiết bị thu nhận năng lượng Mặt Trời
- Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất, mạch điều khiển động cơ servo.
- Viết chương trình điều khiển cho vi xử lí Arduino UNO R3
Trong khuôn khổ khảo nghiệm về hiệu suất tấm pin mặt trời, bài viết tiến hành thu thập số liệu và so sánh hai trường hợp: tấm pin được đặt cố định và tấm pin đi kèm thiết bị tự động định hướng Dữ liệu cho thấy hệ thống theo dõi mặt trời tự động cho phép điều chỉnh góc nghiêng và theo dõi vị trí mặt trời theo thời gian, từ đó tăng sản lượng điện và hiệu suất tổng thể so với cấu hình cố định Tuy nhiên, sự chênh lệch này phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng, địa hình và chi phí đầu tư cho thiết bị theo dõi Kết quả phân tích cho thấy lợi ích rõ ràng của hệ thống định hướng tự động ở nhiều môi trường, đồng thời gợi ý các yếu tố tối ưu để cải thiện ROI và hiệu suất dài hạn cho người dùng.
- Đánh giá hoạt động của mô hình.
Cấu tạo và nguyên lý Pin mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết khai thác từ rất sớm, nhưng việc tích hợp nó vào công nghệ sản xuất và quy mô công nghiệp thực sự phổ biến vào cuối thế kỷ 18, chủ yếu ở những nước có nguồn sáng mặt trời dồi dào và ở các vùng sa mạc Sau các cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu vào những năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời được đặc biệt quan tâm và đẩy mạnh đầu tư cho nghiên cứu ứng dụng Các nước công nghiệp phát triển đã đi đầu trong quá trình này, từ phát triển công nghệ quang điện (pin mặt trời) đến hệ thống nhiệt mặt trời và các giải pháp lưu trữ năng lượng Hiện nay, các ứng dụng phổ biến của năng lượng mặt trời gồm sản xuất điện từ pin mặt trời, cung cấp nhiệt và nước nóng bằng nhiệt mặt trời, cùng với các hình thức tích hợp và lưu trữ nhằm tối ưu hiệu quả và giảm phát thải carbon.
Pin mặt trời là công nghệ sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện, có ưu điểm gọn nhẹ và có thể lắp đặt ở bất cứ nơi nào có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tàu vũ trụ; ứng dụng của năng lượng mặt trời được phát triển nhanh, nhất là ở các nước phát triển, và ngày nay pin mặt trời được sử dụng để chạy xe và dần thay thế nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên giá thành vẫn còn cao, trung bình khoảng 5 USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển, việc sử dụng pin mặt trời chủ yếu phục vụ điện cho các vùng sâu, vùng xa nơi đường điện quốc gia chưa có; ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế, đã thực hiện thành công xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu vùng xa, đặc biệt đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn còn là món hàng xa xỉ đối với nhiều nước nghèo.
Pin mặt trời (pin quang điện) là một thiết bị bán dẫn làm từ silic tinh khiết, được cấu thành từ mạng lưới các diode p-n Thiết bị này biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng, mang lại nguồn điện sạch và bền vững cho các hệ thống điện mặt trời và các ứng dụng ngoài trời.
Hình 1 1: Cấu tạo PIN mặt trời
Thiết bị điều tiết sạc ắc quy là thành phần giúp điều chỉnh quá trình nạp và xả, bảo vệ ắc quy khỏi nạp quá tải và xả quá sâu Nhờ có nó, tuổi thọ của bình ắc quy được nâng cao và hệ thống pin mặt trời vận hành hiệu quả, ổn định và bền lâu.
Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của pin mặt trời vào ắc quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải
Bộ điều khiển sạc được trang bị chức năng bảo vệ quá áp (>13,8 V) và bảo vệ điện áp thấp ( dvert || dvert > tol) // kiem tra gia tri cac quang tro
{ servov = servov + 1; delay(100); if (servov > servovLimitHigh)
{ servov= servov- 1; delay(100); if (servov < servovLimitLow)
} if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol) // kiem tra gia tri cac quang tro
{ servoh = servoh- 1; delay(100); if (servoh < servohLimitLow)
{ servoh = servoh + 1; delay(100); if (servoh > servohLimitHigh)
Hiển thị giá trị từ PIN Mặt Trời lên Android App
a Hiển thị giá trị điện áp và đưa ra cảnh báo
Ta sẽ đọc giá trị hiệu điện thế của cảm biến, giá trị được số hóa thành 1 số nguyên có giá trịtrong khoảng từ 0 đến 1023
Hiện tại ta chỉ cần tính giá trị điện áp từ giá trị ADC bằng công thức float volt = value * 10.0 / 1023, sau đó hiển thị giá trị điện áp trên LCD và trên ứng dụng điện thoại để người dùng theo dõi thời gian thực Hệ thống sẽ cảnh báo khi điện áp từ tấm PIN xuống dưới 5V, kích hoạt chuông báo động và đèn tín hiệu để người dùng nhận biết và xử lý kịp thời.
Hình 3 9: hiển thị điện áp trên LCD và App b Đọc nhiệt độ - độ ẩm và xuất ra màn hình LCD
Hình 3 10: Sơ đồ nối DHT!!
Cảm biến DHT11 được tích hợp sẵn trong một mạch duy nhất, giúp đơn giản hóa việc lắp đặt cho các dự án đo nhiệt độ và độ ẩm Bạn chỉ cần nối dây nguồn Vcc và GND cùng dây tín hiệu (Signal) vào mạch Arduino là xong, không cần thêm phần cứng phức tạp Thiết kế này cho phép kết nối nhanh chóng, an toàn và tin cậy, phù hợp với các dự án IoT và hệ thống giám sát môi trường.
Hình 3 11: Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên app và LCD
3.2.2: Cấp nguồn cho mạch định hướng điều khiển trên App
Trong ứng dụng, tín hiệu cấp nguồn được điều khiển từ xa và hai nút ON/OFF trên màn hình cho phép bật/tắt nguồn một cách dễ dàng Khi người dùng nhấn ON trên ứng dụng, Arduino nhận tín hiệu và cấp điện cho cuộn hút của relay 12V10A, từ đó cung cấp nguồn cho mạch điều khiển để hoạt động.
Hình 3 12: Nút ON/OFF nguồn mạch điều hướng
3.2.3: Sơ đồ kết nối và mạch in
Hình 3 13: Mô phỏng linh kiện
Hình 3 14: Mạch in mạch hiển thị và điều khiển trên App
#include //khai báo thư viện
#define DHTPIN 8 //khai báo chân cảm biến nhiệt độ độ ẩm dht11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); int OutPin = A0; // Lưu chân ra của cảm biến char state; float volt; int h; byte t;
LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2); //khai báo chân lcd void setup() {
Serial.begin(9600); pinMode(12, OUTPUT); pinMode(13, OUTPUT); dht.begin(); lcd.begin(16, 2);
//======================hiển thị lcd lcd.setCursor(0, 0); //sét dòng lcd lcd.print("Khoi Tao: "); //hiển thị trên lcd delay(1000); //trễ lcd.clear();
An Arduino sketch reads environmental data by calling dht.readHumidity() for humidity and dht.readTemperature() for temperature, then displays these on a 16x2 LCD—on the first line showing T: [temperature] C and on the second line showing D.am: [humidity]%; it also reads an analog sensor value with analogRead(OutPin), converts the 0–1023 ADC result to a voltage using volt = value * 10.0 / 1023, and prints V: [voltage] on the first line at a fixed cursor position, providing a real-time, at-a-glance view of humidity, temperature, and sensor voltage.
{ digitalWrite(13, HIGH); delay(100); digitalWrite(13, LOW); delay(100); digitalWrite(13, HIGH); delay(100); digitalWrite(13, LOW); delay(300);
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau khoảng thời gian ghiên cứu và lắp đặt, dưới sự giúp đỡ của Thầy Trịnh
Trọng Chưởng, bọn em đã hoàn thành mô hình tề tài được giao.
Về lý thuyết, tiềm năng của năng lượng mặt trời được khái quát là to lớn và được coi là vô tận, có thể tái tạo liên tục nhờ ánh sáng mặt trời Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả, các phương pháp như công nghệ PV (pin quang điện), hệ thống điện mặt trời mái nhà và các giải pháp lưu trữ năng lượng đang được triển khai rộng rãi Đầu tư vào công nghệ và hạ tầng năng lượng mặt trời giúp giảm phát thải carbon, cân bằng cung cầu điện và thúc đẩy sự phát triển bền vững của nền kinh tế.
Trong quá trình khảo sát thiết kế, chúng tôi đã nghiên cứu các phương pháp thiết kế hệ thống điều hướng cho hệ thống giá đỡ pin và lọc được phương án tối ưu nhất về hiệu suất vận hành, độ bền và tính ổn định, đồng thời đảm bảo việc lắp đặt và điều khiển dễ dàng.
Trên thực tế, các mô hình tự động điều hướng pin mặt trời hiện đang hoạt động ở công suất nhỏ Những kết quả ban đầu này có thể làm tiền đề để chế tạo các mô hình lớn hơn trong tương lai, từ đó giúp giảm gánh nặng lên hệ thống lưới điện quốc gia và thúc đẩy hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời ở quy mô rộng hơn.
Nhóm em thiết kế và thi công hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời cỡ nhỏ, với kết cấu gọn nhẹ và dễ chế tạo Hệ thống lắp đặt nhanh chóng và có chi phí đầu tư thấp, đồng thời dải thu nhận ánh sáng tốt, giúp hiệu quả vận hành cao không chỉ tại một vị trí cố định mà còn ở nhiều địa điểm khác nhau.
Mặt hạn chế và hướng khắc phục
Với thời gian nghiên cứu ngắn và kiến thức chuyên ngành còn hạn chế, mô hình tự động điều hướng pin mặt trời khó tránh khỏi sai sót và tồn tại một số nhược điểm rõ rệt Các vấn đề nổi bật bao gồm độ chính xác điều hướng bị ảnh hưởng bởi biến đổi thời tiết và vị trí tia nắng, sự phụ thuộc vào dữ liệu huấn luyện và các giả định của mô hình, cũng như khả năng tổng quát hóa chưa đủ để duy trì hiệu suất ở mọi điều kiện thực tế Bên cạnh đó, chi phí triển khai, yêu cầu tính toán và bảo trì hệ thống cao, cùng với rủi ro sai lệch khi vận hành có thể làm giảm độ tin cậy và hiệu quả khai thác nguồn sáng Cần có biện pháp cải thiện liên tục để tăng tính ổn định và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin mặt trời trong thực tế.
Hoạt động chưa ổn định với nguồn sáng quá mạnh từ nhiều phía.
Chưa có khả năng chống nước.
Khả năng chịu nhiệt độ cao thấp nên dễ gây ra tình trạng hỏng linh kiện, cần có biện pháp bảo vệ
Cải tiến hệ thống cảm biến để có thể hoạt động được cả trong điều kiện có nhiều nguồn sáng ở nhiều phía.
Dung keo epoxy lên toàn bộ bề mặt hệ thống để đảm bảo chống nước
Cơ cấu chuyển động phải được bôi trơn định kì.
Xem xét từ những ưu điểm mà hệ thống tự động điều hướng mang lại và cách khắc phục những nhược điểm của nó, ta có thể nâng cao đề tài lên một tầm cao mới Hệ thống tự động điều hướng mang lại hiệu suất vận hành tối ưu, tối ưu hóa lộ trình, giảm chi phí vận hành và tăng độ an toàn cho người dùng, đồng thời nâng cao tính nhất quán và khả năng mở rộng ứng dụng Tuy nhiên, nhược điểm vẫn tồn tại ở độ phức tạp công nghệ, đòi hỏi dữ liệu định vị chính xác và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc môi trường đô thị hỗn tạp Để khắc phục, cần tập trung vào cải tiến thuật toán định vị, tích hợp cảm biến đa nguồn, tăng cường khả năng tự chẩn đoán và phục hồi lỗi, cùng với khung quản trị dữ liệu an toàn và chuẩn hóa quy trình kiểm thử Nhờ đó, ta có thể mở rộng phạm vi ứng dụng, nâng cao trải nghiệm người dùng và tạo đà cho nghiên cứu, đổi mới và thương mại hóa, đồng thời xây dựng nội dung có giá trị cho độc giả và phù hợp với các yếu tố SEO.
Thiết kế một hệ thống điện có quy mô đủ lớn để đáp ứng nhu cầu của một hộ gia đình và có thể tách biệt khỏi lưới điện quốc gia khi cần thiết, đồng thời vẫn đảm bảo sự ổn định và chi phí đầu tư hợp lý Hệ thống này tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy, giảm thiểu rủi ro gián đoạn nguồn điện khi nguồn từ bên ngoài biến động Mục tiêu là cân bằng giữa hiệu suất, ổn định và chi phí để đảm bảo tính khả thi của việc vận hành độc lập mà vẫn tiết kiệm chi phí cho người dùng.
- Sử dụng thêm thời gian thực để hỗ trợ cho hệ thống cảm biến.
Việc bổ sung các module kiểm soát công suất có khả năng kết nối IoT (Internet of Things) cho hệ thống cho phép con người theo dõi và kiểm soát tình trạng hoạt động của thiết bị từ xa, ngay cả khi không ở nhà.