Đồ án Thiết Kế HT Cơ Điện Tử Đồ án Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD LỜI MỞ ĐẦU So với những nguồn năng lượng như thủy điện ,nhiệt điện nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, n.
Phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam
-Phân bố bức xạ mặt trời tại Việt Nam
Trải dài từ vĩ độ
Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, đặc biệt tại thành phố Hồ Chí Minh và các vùng Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai, cũng như vùng Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, ổn định và phân bố rộng rãi trên khắp các miền đất nước Trung bình, các tỉnh miền Trung và miền Nam có khoảng 300 ngày nắng mỗi năm, tạo điều kiện lý tưởng để khai thác năng lượng mặt trời.
Hình 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
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.
Khái quát về pin mặt trời
Pin mặt trời gồm nhiều tế bào quang điện, là các phần tử bán dẫn chứa đựng hàng triệu cảm biến ánh sáng dạng diode quang, giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào chúng, cho thấy khả năng hoạt động tối ưu dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Các tế bào quang điện được ghép lại thành khối để tạo thành pin mặt trời, thường gồm 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên mỗi tấm pin, đảm bảo hiệu suất vận hành cao trong việc chuyển đổi năng lượng.
Hiện nay, vật liệu chủ yếu để chế tạo pin mặt trời là silic tinh thể, được chia thành ba loại chính: mono (đơn tinh thể), poly (đa tinh thể), và thin-film (màng mỏng) Các loại pin mặt trời dựa trên silic tinh thể này ngày càng phổ biến nhờ hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và độ bền vượt trội Trong đó, pin đơn tinh thể có hiệu suất cao nhất nhưng giá thành cũng đắt hơn, còn pin đa tinh thể và màng mỏng là những lựa chọn tiết kiệm chi phí nhưng hiệu suất thấp hơn Việc chọn loại pin phù hợp phụ thuộc vào từng ứng dụng và ngân sách của dự án năng lượng mặt trời.
Để tạo ra tinh thể Silic dẫn điện tốt, người ta cần thêm một lượng nhỏ nguyên tử nhóm III hoặc nhóm V vào nguyên tử Silic thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn Khi Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III như nhôm hoặc gali, sẽ tạo ra bán dẫn loại p (dương), còn khi kết hợp với nguyên tử nhóm V như photpho hoặc asen, sẽ hình thành bán dẫn loại n (âm) Quá trình này giúp nâng cao khả năng dẫn điện của tinh thể Silic, phục vụ trong ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn.
Quá trình hình thành pin mặt trời.
+Nguyên lý hoạt động pin mặt trời.
Pin mặt trời có cấu tạo gồm lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện Khi ánh sáng chiếu vào pin, các photon tạo ra các hạt mang điện tự do được tách ra bởi điện trường, gây ra dòng quang điện Dòng điện này tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ và được đo tại các tiếp điểm ngoài, phản ánh khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng của pin Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ của tế bào quang điện và điện áp vận hành, ảnh hưởng lớn đến công suất và dòng điện ngõ ra Pin quang điện (pin mặt trời) là thiết bị cơ bản chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả.
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 giới hạn khiến vẫn tồn tại dòng rò điện, hay còn gọi là dòng dòng chảy qua điện trở Rₚ Do đó, có thể xem đây như một điện trở rất lớn, giúp giảm thiểu dòng điện truyền qua thiết bị và bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi quá tải Việc hiểu rõ đặc điểm này của điện trở rò góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế mạch điện và đảm bảo độ bền lâu dài của các thiết bị.
Khi dòng quang điện hoạt động trong mạch, nó đi qua các lớp bán dẫn p, n và các điện cực, tạo thành một phần của mạch điện Do đó, ta có thể xem dòng quang điện như một điện trở Rs nối tiếp với toàn bộ mạch, ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc điểm hoạt động của hệ thống.
Phương án hệ thống điều hướng pin mặt trời
Nguyên tắc điều hướng
-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.
Mô tả góc tới tia ánh sáng mặt trời đối với đối với mặt phẳng tấm pin.
Nguyên tắc xoay của mô hình là luôn luôn hướng pin vào mặt trời sao cho ánh sáng luôn chiếu
Nguyên tắc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin mặt trời dựa trên góc 90 độ của tấm pin so với mặt phẳng, kết hợp với bộ điều khiển MPPT để duy trì điểm MPP Phương pháp này là nền tảng cho việc thiết kế hệ thống pin mặt trời kiểu xoay nhằm tăng cường hiệu suất năng lượng.
Các hệ thống điều hướng pin mặt trời
Hiện nay, trên thế giới có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng chính là hệ thống định hướng theo trục đơn và hệ thống định hướng theo trục kép Hệ thống định hướng theo trục đơn điều hướng tấm pin theo hướng Mặt Trời mọc từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam, tối ưu hóa khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời trong suốt cả ngày Trong khi đó, hệ thống định hướng theo trục kép cho phép điều hướng tấm pin theo hướng Đông sang phía Tây và Bắc đến phía Nam, mang lại hiệu quả cao hơn trong việc thu nhận năng lượng mặt trời từ nhiều góc độ khác nhau.
Các hệ thống với các kiểu xoay tấm pin khác nhau.
1.5.2.1Hệ 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 25 % so với dàn pin cố định
-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
Mô hình pin mặt trời tự xoay theo một trục.
Hệ thống điều hướng theo một trục duy nhất sử dụng tấm pin gắn trên dàn được đặt nghiêng cố định, giúp tối ưu hóa hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời Với ưu điểm chính là góc quay lớn của dàn, hệ thống này có thiết kế đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành và bảo trì, phù hợp cho các vị trí lắp đặt có độ cao lớn và yêu cầu tính ổn định cao.
+Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban đầu trước khi vận hành.
1.5.2.2 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.
Bạn có thể nâng cao hiệu suất thu năng lượng mặt trời lên tới 37% so với hệ thống cố định, đặc biệt trong điều kiện thời tiết thuận lợi nhất, nhằm tối ưu hóa lượng điện năng sản xuất từ các hệ thống pin mặt trời.
-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.
Tấm pin hai trục xoay, gồm một trục thẳng đứng và một trục nằm ngang, được lắp đặt trên một dàn riêng biệt để tối ưu hóa khả năng theo dướng hướng ánh sáng Hệ thống này cho phép góc quay lên đến 360 độ, giúp thu nhận nhiều ánh sáng mặt trời hơn và nâng cao hiệu suất năng lượng Tuy nhiên, kiểu dàn này có hạn chế về độ ổn định, đòi hỏi vị trí ban đầu chính xác trước khi vận hành và yêu cầu kết cấu phức tạp, gây khó khăn trong lắp đặt và vận hành.
Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình
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.
Hiệu suất của hệ thống không tăng đáng kể nếu điều kiện vận hành như thời tiết, độ cao lắp đặt và vị trí địa phương không thuận lợi Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng, làm giảm khả năng tối ưu hóa công suất và hiệu quả tổng thể Do đó, lựa chọn vị trí lắp đặt phù hợp và đảm bảo điều kiện môi trường thuận lợi là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất và hiệu quả của hệ thống.
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. Ưu, nhược điểm của hai hệ thống điều hướng pin mặt trời.
Trong phạm vi nghiên cứu này, lựa chọn kiểu điều hướng hai trục xoay cho tấm pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất là giải pháp tối ưu, phù hợp với hệ thống nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và tiêu thụ điện năng ít Hệ thống trục đỡ nhỏ, giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng trong quá trình vận hành của động cơ xoay trục công suất nhỏ Để đạt hiệu quả tối đa trong việc nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời tại mọi thời điểm và vị trí, phương pháp xoay hai trục là lựa chọn phù hợp nhất, đảm bảo khả năng điều chỉnh tối ưu theo hướng của ánh sáng mặt trời và điều kiện thời tiết.
TÍNH TOÁN VỀ CƠ KHÍ,MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
Tổng quan về linh kiện điện tử
Giới thiệu về Arduino UNO R3
Arduino đã gây sóng gió lớn trên thị trường người dùng DIY toàn cầu trong những năm gần đây, tương tự như thành công của Apple trên thị trường thiết bị di động Với số lượng người dùng cực kỳ lớn và đa dạng về trình độ từ phổ thông đến đại học, Arduino đã trở thành hiện tượng, khiến cả những người sáng tạo ban đầu cũng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến của nó.
Những thành viên khởi xướng Arduino
Arduino là nền tảng phần cứng mã nguồn mở giúp sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon dễ dàng phát triển các dự án sáng tạo Chính vì khả năng mở rộng và dễ sử dụng, Arduino đã thu hút sự quan tâm của các tập đoàn lớn như Google, dẫn đến việc ra đời bộ kit Arduino Mega ADK nhằm hỗ trợ phát triển ứng dụng đa dạng Arduino không chỉ là công cụ giáo dục mà còn là nền tảng quan trọng thúc đẩy nghiên cứu và đổi mới công nghệ toàn cầu.
Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác?
Arduino là một bo mạch vi xử lý phổ biến dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn và nhiều thiết bị khác Môi trường phát triển ứng dụng của Arduino rất dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình dễ học, phù hợp cho người mới bắt đầu trong lĩnh vực điện tử và lập trình Điểm nổi bật của Arduino chính là mức giá thấp và tính mở nguồn rộng rãi từ phần cứng đến phần mềm, giúp thúc đẩy cộng đồng sáng tạo và chia sẻ kiến thức Trong các dòng mạch Arduino dùng để lập trình, Arduino UNO là dòng phổ biến nhất và đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3), trở thành lựa chọn hàng đầu cho người mới bắt đầu và các dự án sáng tạo.
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,
ATmega328 là bộ vi xử lý mạnh mẽ có khả năng điều khiển các tác vụ đơn giản như lập trình đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và xây dựng các trạm đo nhiệt độ - độ ẩm để hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD Đây là linh kiện phổ biến trong các dự án IoT và điện tử DIY, giúp người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng điều khiển tự động, giám sát môi trường và kết nối thiết bị thông minh Với khả năng mở rộng và tính linh hoạt cao, ATmega328 là sự lựa chọn lý tưởng cho các người yêu thích điện tử muốn thực hiện các dự án sáng tạo và hiệu quả.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần được nối với nhau để đảm bảo mạch hoạt động ổn định Việc kết nối chung GND giúp tránh hiện tượng nhiễu tín hiệu và đảm bảo các thiết bị hoạt động chính xác trong hệ thống Arduino.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này
Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân
RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Arduino UNO không có chức năng bảo vệ chống cắm ngược nguồn, do đó người dùng cần hết sức cẩn thận để kiểm tra kỹ các cực âm và dương của nguồn trước khi cấp nguồn cho board Việc đảm bảo nguồn điện đúng cực sẽ giúp tránh hư hỏng thiết bị và đảm bảo hoạt động ổn định của Arduino UNO.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể gây hỏng board Arduino, do đó người dùng cần cẩn thận khi kết nối nguồn điện để đảm bảo an toàn và tránh hư hỏng thiết bị.
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328.
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO không được phép vượt quá 40mA để tránh gây hỏng vi điều khiển Nếu không sử dụng để truyền nhận dữ liệu, cần mắc một điện trở hạn dòng để bảo vệ các chân này.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory) là nơi lưu trữ giá trị các biến khai báo trong lập trình Số lượng biến càng nhiều thì yêu cầu về bộ nhớ RAM cũng tăng lên để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của chương trình SRAM đóng vai trò quan trọng trong hệ thống bộ nhớ của thiết bị điện tử, giúp lưu trữ dữ liệu tạm thời nhanh chóng và truy cập dễ dàng.
EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory) có dung lượng 1KB, giống như một chiếc ổ cứng mini lưu trữ dữ liệu an toàn không bị mất khi mất điện, khác biệt so với SRAM vì khả năng đọc và ghi dữ liệu linh hoạt EEPROM thường được sử dụng để lưu trữ dữ liệu cần giữ được lâu dài và không bị mất khi hệ thống tắt hoặc bị cúp nguồn Với 1KB bộ nhớ, EEPROM phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lưu trữ nhỏ gọn, bền bỉ và đáng tin cậy trong các thiết bị điện tử.
Các cổng kết nối của Arduino UNO
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu, với hai mức điện áp chính là 0V và 5V Dòng tối đa có thể truyền qua mỗi chân là 40mA, đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định cho các thiết bị kết nối Mỗi chân đều được trang bị điện trở pull-up tích hợp sẵn trong vi điều khiển ATmega328, mặc dù mặc định các điện trở này chưa được kết nối, giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh theo nhu cầu của dự án.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu
Arduino Uno sử dụng chân TTL Serial để giao tiếp với các thiết bị khác, đặc biệt là qua kết nối không dây Bluetooth, còn gọi là kết nối Serial không dây Nếu không cần thiết phải thực hiện giao tiếp Serial, bạn nên tránh sử dụng hai chân này để tối ưu hóa hoạt động của board.
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit
Chức năng analogWrite() cho phép bạn điều chỉnh điện áp ra tại chân này từ 0V đến 5V theo giá trị từ 0 đến 255 Điều này giúp bạn kiểm soát mức điện áp đầu ra một cách linh hoạt, khác biệt hoàn toàn so với các chân khác chỉ hoạt động ở trạng thái cố định là 0V hoặc 5V Nhờ đó, bạn có thể thực hiện các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh điện áp hoặc điều khiển độ sáng của LED, động cơ một cách chính xác và dễ dàng hơn.
Chân giao tiếp SPI gồm các chân số 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) đóng vai trò chính trong việc truyền dữ liệu Ngoài chức năng cơ bản, bốn chân này còn được sử dụng để truyền phát dữ liệu qua giao thức SPI giữa các thiết bị khác nhau, đảm bảo quá trình truyền thông hiệu quả và chính xác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Hệ thống trục đở ,trục xoay
Để đảm bảo phần thiết kế, cần xem xét khối lượng tấm pin, trục đỡ và ổ bi để đảm bảo tính ổn định và an toàn Mô hình thử nghiệm này nhằm hiểu rõ cách tăng hiệu suất tấm pin, nhưng không được đặt ngoài trời và không chịu tác động của các yếu tố thời tiết như mưa, nắng, gió hay bão Vì vậy, nên chọn chất xốp Fomex 10mm để làm khung xoay và giá đỡ nhằm đảm bảo độ chắc chắn và hiệu quả của hệ thống.
-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.
Mô hình cơ khí 3D được dựng trên phần mềm AUTOCAD MECHANICAL
2.2.2 Cấu tạo khung đỡ hai trục
Khung trục xoay dọc được lắp bằng xốp fomex 10mm giúp tăng độ bền và nhẹ nhàng cho hệ thống Khung trục này được kết nối chắc chắn vào đế giàn khung, đảm bảo ổn định trong quá trình điều chỉnh Khung xoay ngang được lắp trên đĩa xoay đứng, cho phép dễ dàng thay đổi góc nhận ánh sáng mặt trời, tối ưu hiệu quả quang học của hệ thống.
Khi động cơ quay trục xoay đứng sẽ xoay một góc phù hợp với điều kiện ánh sáng theo phương thẳng đứng và giữ cân bằng trục ngang.
Phần đế chân được ghép từ các thanh xốp Fomex 10mm, được cố định chắc chắn bằng keo để đảm bảo độ bền và ổn định trong quá trình vận hành Các thanh ngang có chiều dài 400mm, kết hợp cùng 4 chân cao góp phần tạo nên cấu trúc vững chắc và bền bỉ cho sản phẩm.
Khung xoay đứng là đĩa xoay hình tròn có đường kính 190mm, được trang bị 3 gối đỡ kết dính phía dưới đĩa lệch nhau 120 độ để chống rung lắc hiệu quả Đĩa xoay và khung gắn tấm pin đều được kết nối chắc chắn với cánh tay đòn của động cơ servo, đảm bảo quá trình chuyển động chính xác và ổn định Thiết kế này giúp tối ưu hóa khả năng theo hướng của tấm pin năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất hệ thống.
Thiết kế Mạch điều khiển
Nguồn cấp 24VDC được đưa vào hai module giảm áp xuống 5VDC, trong đó một module cung cấp nguồn cho Arduino và mạch cảm biến ánh sáng, còn module còn lại cấp nguồn cho hai động cơ servo.
2.3.2 Mạch cảm biến ánh sáng:
Hệ thống pin mặt trời tự động quay theo chuyển động của mặt trời để duy trì góc vuông tối ưu, giúp tối đa hóa khả năng thu ánh sáng mặt trời Nhờ đó, tấm pin năng lượng mặt trời sẽ nhận được lượng ánh sáng lớn hơn, nâng cao hiệu quả sản xuất điện năng Công nghệ này đảm bảo tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ mặt trời, góp phần giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Hệ thống định hướng sử dụng 4 quang trở để tiếp nhận ánh sáng từ nguồn sáng như Mặt Trời, giúp xác định hướng tối ưu Các quang trở được phân chia bằng vách ngăn hình dấu "+" nhằm chia thành 4 cảm biến quang trở ở các hướng khác nhau Vách ngăn này có nhiệm vụ định hướng các cảm biến luôn hướng về nguồn sáng mạnh nhất để tối ưu hóa khả năng nhận diện ánh sáng Khi giá trị đo của 4 quang trở bằng nhau, nghĩa là cảm biến đang vuông góc với tia bức xạ của Mặt Trời, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động hiệu quả trong việc xác định hướng chính xác.
Hình mô phỏng cảm biến ánh sáng.
Hình ảnh cảm biến thực tế
2.3.3 Mạch điều khiển động cơ
Tín hiệu từ cụm cảm biến được truyền về trung tâm điều khiển Arduino để xử lý Arduino sẽ tính toán bằng cách lấy giá trị trung bình của hai cảm biến quang trở liền kề rồi trừ đi giá trị trung bình của chúng, giúp đánh giá chính xác hơn các dữ liệu cảm biến Quản lý dữ liệu cảm biến hiệu quả là yếu tố quan trọng giúp hệ thống hoạt động chính xác và ổn định.
Trong hệ thống điều khiển, hai cảm biến còn lại sẽ phát ra xung vuông để điều khiển động cơ servo quay theo một chiều khi giá trị cảm biến lớn hơn 0, và quay ngược lại khi giá trị nhỏ hơn 0 Khi giá trị cảm biến bằng không, hệ thống sẽ ngưng cung cấp xung cho động cơ, giúp chúng dừng quay và hệ thống giá đỡ pin giữ pin ở vị trí cố định, đảm bảo sự ổn định và an toàn của thiết bị.
Mạch cảm biến được cấp nguồn và xuất ra giá trị điện áp qua các chân A1, A2, A3, A0 phản ánh cường độ ánh sáng trên tường quang trở Arduino sử dụng các giá trị này để tính toán góc nghiêng chính xác, từ đó phát xung điều khiển động cơ servo hoạt động phù hợp Các chân xuất xung cho servo gồm chân 9 kết nối với servo 1 và chân 10 kết nối với servo 2, giúp điều chỉnh góc nghiêng một cách linh hoạt và chính xác.
Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển
2.4.1 Lưu đồ thuật toán(đính kèm bản vẽ)
Các cảm biến trong hệ thống gồm có cảm biến phía trên bên trái (cbtt), cảm biến phía dưới bên phải (cbdp), cảm biến phía trên bên phải (cbtp) và cảm biến phía dưới bên trái (cbdt), giúp đảm bảo hoạt động chính xác của thiết bị Động cơ xoay trục ngang (servo ngang) và động cơ xoay trục dọc (servo dọc) hỗ trợ điều chỉnh hướng di chuyển một cách linh hoạt và hiệu quả Việc lắp đặt và sử dụng các cảm biến cùng động cơ phù hợp giúp nâng cao độ chính xác, ổn định của hệ thống, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật trong các dự án tự động hóa và robot.
2.4.2 Code chương trình điều khiển trên arduino
#include // include Servo library
Servo horizontal; // horizontal servo int servoh = 90; // 90; // stand horizontal servo int servohLimitHigh = 170;
Servo vertical; // vertical servo int servov = 45; // 90; // stand vertical servo int servovLimitHigh = 130; int servovLimitLow = 5;
// name = analogpin; int ldrlt = A0; //LDR TREN BEN TRAI int ldrrt = A1; //LDR TREN BEN PHAI int ldrld = A2; //LDR DUOI BEN TRAI int ldrrd = A3; //ldr DUOI BEN PHAI void setup()
// name.attacht(pin); horizontal.attach(9); vertical.attach(10); horizontal.write(90); vertical.write(45); delay(3000);
{ int lt = analogRead(ldrlt); // tren trai int rt = analogRead(ldrrt); // tren phai int ld = analogRead(ldrld); // duoi trai int rd = analogRead(ldrrd); // duoi phai
// int dtime = analogRead(4)/20; // doc phan ap
This code segment calculates the average sensor readings to determine the position and orientation of a robot It reads sensor data along the top and bottom, computing average values to identify deviations between the front and back, which helps detect vertical misalignment Additionally, it calculates the differences between left and right sensor averages to assess horizontal misalignment These calculations are essential for implementing accurate navigation and alignment correction in autonomous robotic systems Using parameters like tolerance and delay time, the system can effectively respond to environmental variations, ensuring precise movement control.
Serial.println(" "); if (-1*tol > dvert || dvert > tol) // kiem tra xem su khac biet co nam trong gia tri cho phep de thay doi goc doc
{ servov = ++servov; delay(100); if (servov > servovLimitHigh)
{ servov= servov; delay(100); if (servov < servovLimitLow)
} if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol) // kiem tra xem su khac biet co nam trong gia tri cho phep de thay doi goc ngang
{ servoh = servoh; delay(100); if (servoh < servohLimitLow)
{ servoh = ++servoh; delay(100); if (servoh > servohLimitHigh)
Kết luận chương 2
Trong chương 2 của đề tài, chúng tôi đã xác định các cơ sở thiết kế và giới thiệu đặc điểm của các thiết bị quan trọng Phần này bao gồm danh sách các thiết bị vật tư của mô hình cũng như các tính toán hệ truyền động dựa trên đặc điểm thiết kế nhằm đảm bảo tính đồng bộ và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điều khiển Việc lựa chọn và tính toán đúng các thiết bị này đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của mô hình thực hiện.
Hệ thống được thiết kế dựa trên sơ đồ khối rõ ràng, tập trung vào việc phát triển hướng điều hướng trong tương lai để nâng cao hiệu quả hoạt động Việc tối ưu hóa hệ truyền động giúp cải thiện công suất và độ bền của mô hình, đồng thời giảm tiêu hao năng lượng không cần thiết Ngoài ra, hệ thống đo lường được tinh chỉnh để đảm bảo chính xác, từ đó đẩy mạnh công suất điện tạo ra, nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Thiết kế lưu đồ thuật toán phù hợp với thực trạng điều khiển đáp ứng của mô hình trong quá trình thử nghiệm, đảm bảo hiệu quả vận hành và độ chính xác cao Chương trình điều khiển Arduino Uno R3 tích hợp bốn cảm biến cung cấp dữ liệu đầu vào, giúp bộ điều khiển phân tích và xử lý thông tin một cách hiệu quả Hệ thống điều khiển sử dụng hai động cơ servo để điều chỉnh các trục của hệ thống, từ đó thực hiện các thao tác một cách linh hoạt và chính xác theo yêu cầu của quá trình thử nghiệm.
NGHIỆM MÔ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 3.1Thực nghiệm mô hình
Sau khi hoàn thành mô hình, chúng tôi tiến hành thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu quả hoạt động của mô hình Quá trình kiểm tra nhằm xác định xem hệ thống có hoạt động tối ưu hay không, đồng thời so sánh công suất của tấm pin khi được điều hướng theo vị trí của Mặt Trời với khi tấm pin có góc nghiêng cố định tại một vị trí nhất định Kết quả này giúp đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều hướng và tối ưu hóa năng lượng từ các hệ thống pin mặt trời.
Mô hình pin mặt trời thực nghiệm.
3.2Thực nghiệm với điều kiện ban ngày
Ta thực nghiệm với tải định mức của tấm pin
Vậy tải định mức của tấm pin : 2 2
Trong quá trình thực nghiệm, sau 30 phút, số liệu hiển thị trên màn hình vôn kế đèn LED sẽ được ghi nhận một lần để phân tích Đồng thời, công suất của tấm pin sẽ được tính dựa trên công thức cụ thể nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống Quá trình này giúp xác định chính xác hiệu suất của pin năng lượng mặt trời trong điều kiện thực tế.
Khi thực hiện mô hình tự động điều hướng pin mặt trời theo hướng của ánh sáng mặt trời, không cần quan tâm đến vị trí hoặc hướng của mặt phẳng tấm pin Công nghệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời mà không phụ thuộc vào hướng lắp đặt ban đầu Hệ thống tự động điều chỉnh góc của pin mặt trời phù hợp với sự thay đổi của ánh sáng mặt trời trong ngày, nâng cao hiệu suất năng lượng Điều này mang lại lợi ích lớn trong việc tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Trong quá trình thực nghiệm, khi đặt tấm pin cố định với một góc nghiêng ban đầu và hướng mặt phẳng của tấm pin chỉ về một phía, mặt phẳng đón ánh sáng mặt trời của tấm pin sẽ tự động quay về hướng Nam để tối ưu hóa khả năng nhận ánh sáng Điều này cho thấy tấm pin có xu hướng điều chỉnh vị trí để nhận được lượng ánh sáng mặt trời tối đa trong điều kiện cố định ban đầu Việc hướng mặt phẳng đón ánh sáng về hướng Nam giúp tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Vào lúc 14h30 ngày 26 tháng 11 năm 2022, trong điều kiện thời tiết mát mẻ, trời nắng nhẹ, chúng tôi tiến hành thực nghiệm Hệ thống pin được xoay sao cho tâm pin nghiên về phía nam, điện áp hiển thị trên hệ thống là 2,5V, giúp đo lường chính xác hiệu suất của pin dưới điều kiện khí hậu thuận lợi.
Suy ra công suất tâm pin lúc này đạt được là :
= R = = Điện áp tấm pin khi cố định.
+Sau đó ta bật chế độ tự động điều hướng thì điện áp tấm pin đo được lúc này 4,6V.
Suy ra công suất tâm pin lúc này đạt được là :
= R = = Điện áp tấm pin khi điều hướng.
Kết luận, mô hình điều hướng tự động hai trục xoay mang lại hiệu suất cao hơn so với tấm pin năng lượng mặt trời cố định Khi được tự động điều chỉnh theo hướng tối ưu, các tấm pin năng lượng mặt trời hai trục có khả năng tăng công suất rõ rệt Điều này giúp nâng cao hiệu quả thu năng lượng mặt trời và tối ưu hóa nguồn điện cho các hệ thống năng lượng tái tạo So với các tấm pin cố định, mô hình tự động điều hướng đóng vai trò quan trọng trong nâng cao khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường.
LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Ưu, nhược điểm của mô hình
Trong quá trình vận hành, mô hình có thể nhận thấy những ưu điểm nổi bật giúp tối ưu hóa hiệu suất, đồng thời cũng gặp phải một số nhược điểm cần khắc phục để nâng cao tính ổn định và hiệu quả Việc phân tích các ưu điểm như khả năng mở rộng và tính linh hoạt sẽ giúp tận dụng tối đa tiềm năng của mô hình, trong khi việc nhận diện các nhược điểm như hạn chế về khả năng xử lý hoặc thiếu tính thích ứng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện và cải tiến hệ thống Nhờ đó, chúng ta có thể phát huy các điểm mạnh, hạn chế các yếu điểm và sửa chữa các khuyết điểm nhằm đảm bảo mô hình vận hành ngày càng tốt hơn, phục vụ hiệu quả hơn cho mục tiêu kinh doanh.
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
-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.
-Tiếu tốn năng lượng nhiều hơn đặt tấm pin cố định
-Hệ thống điều khiển còn nhiều thiếu sót và rời rạc chỉ tập trung vào điều hướng
-Khả năng chịu nhiệt độ cao thấp nên dễ gây ra tình trạng hỏng linh kiện, cần có biện pháp bảo vệ.
-Hiệu suất của mạch điều khiển còn hạn chế. Ưu nhược điểm hệ thống.
Hướng phát triển đề tài
Do thời gian thực hiện có hạn và lượng kiến thức cá nhân còn hạn chế, đề tài hoàn thành vẫn chỉ đáp ứng một phần nhỏ của hệ thống tổng thể Để nâng cao tính phong phú, thực tế và khả năng ứng dụngcao hơn, em đề xuất bổ sung những yêu cầu sau nhằm phát triển nội dung một cách toàn diện và hiệu quả hơn.
-Thiết kế bộ truyền động để gia tăng sức mạnh của động cơ.
-Thêm một vài chức năng khác như tự điều chỉnh tốc độ, kết hợp cùng với bộ điều khiển sạc PMW, bộ nạp MPPT.
-Sử dụng thêm thời gian thực để hỗ trợ cho hệ thống cảm biến.
Nghiên cứu tập trung vào việc kết hợp bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại của pin mặt trời bằng phương pháp xử lý ảnh nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời Công trình đề xuất thay đổi hình thức tải tiêu thụ để phù hợp với mô hình lưới điện đôi, giúp nâng cao hiệu quả truyền tải và sử dụng năng lượng sạch Phần mềm tự động này sẽ xác định điểm làm việc tối ưu của pin mặt trời một cách chính xác và nhanh chóng, góp phần phát triển hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp lưới điện hiệu quả hơn.
Sử dụng các module kiểm soát công suất tích hợp khả năng kết nối IoT (Internet of Things) giúp người dùng dễ dàng giám sát và điều chỉnh hoạt động của thiết bị từ xa Nhờ công nghệ IoT, người dùng có thể kiểm soát tình trạng hoạt động của các thiết bị điện ngay cả khi không có mặt tại nhà Việc tích hợp IoT vào các module kiểm soát công suất không những nâng cao tính tiện ích mà còn tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ, mang lại sự thuận tiện và an toàn cho gia đình.
Hy vọng rằng với các hướng phát triển đã đề xuất cùng những ý kiến, góp ý từ quý thầy cô giáo, chúng em sẽ khắc phục những hạn chế và tồn tại của đề tài Điều này giúp làm phong phú hơn nội dung, nâng cao tính ứng dụng thực tế của đề tài trong cuộc sống hàng ngày Từ đó, góp phần mang lại những lợi ích thiết thực và giá trị trong tương lai.
Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, em đã hoàn thành đồ án môn học cơ điện tử với sự nỗ lực cá nhân và phối hợp công việc hợp lý, chặt chẽ Bên cạnh đó, sự hướng dẫn nhiệt tình và tận tâm của Thầy đã giúp em hoàn thành báo cáo đúng tiến độ và đáp ứng yêu cầu đề ra Hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời của em hoạt động hiệu quả bằng cách xoay tấm pin theo góc nhận diện để tối đa hóa lượng bức xạ mặt trời, mang lại kết quả tích cực trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống.
-Đã tìm hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính làm việc của pin năng lượng mặt trời và các thiết bị linh kiện điện tử.
-Mô hình điều hướng pin mặt trời tự động xoay theo hướng ánh sáng mặt trời.
Sau thời gian nghiên cứu và học hỏi, cùng sự hỗ trợ tận tình của thầy và đóng góp ý kiến từ bạn bè, em đã hoàn thành đồ án môn học Em xin chân thành cảm ơn thầy đã truyền đạt kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm, và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện, qua đó giúp em tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Dù đã cố gắng hết mình, em vẫn mong thầy quan tâm, chỉ bảo thêm để em khắc phục những sai sót và hoàn thiện hơn trong các dự án tương lai.
CHƯƠNG I TỔNG QUAN ,PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN ,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
1.1Lý do chọn đề tài 4
1.2Phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam 4
1.3Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6
1.4Khái quát về pin mặt trời 7
1.5 Phương án hệ thống điều hướng pin mặt trời 9
1.5.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời 9
1.5.2.1Hệ thống điều hướng theo một trục 10
1.5.2.2 Hệ thống điều hướng theo 2 trục 11
1.5.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình 11
CHƯƠNG II TÍNH TOÁN VỀ CƠ KHÍ,MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 14
2.1 Tổng quan về linh kiện điện tử 15
2.2 Hệ thống trục đở ,trục xoay 27
2.2.2 Cấu tạo khung đỡ hai trục 28
2.3 Thiết kế Mạch điều khiển 29
2.3.2 Mạch cảm biến ánh sáng: 30
2.3.3 Mạch điều khiển động cơ 31
2.4 Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển 32
2.4.2 Code chương trình điều khiển trên arduino 33
CHƯƠNG III:THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 3.1Thực nghiệm mô hình 39
CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43
4.1Ưu, nhược điểm của mô hình 43
4.2 Hướng phát triển đề tài 44
[1] TS Hoàng Dương Hùng, “Năng lượng mặt trời,lý thuyết và ứng dụng”
Nghiên cứu của Lý Ngọc Thắng (2011) tập trung vào việc thiết kế hệ thống tự động thích ứng theo vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời Bài viết này đề cập đến các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời thông qua hệ thống tự động điều chỉnh vị trí của các thiết bị, giúp tăng năng suất và hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong các ứng dụng thực tế Nghiên cứu tại Viện Công nghệ, Bộ Công Thương đã đóng góp quan trọng vào việc phát triển các hệ thống tự động thông minh, phù hợp với các điều kiện khí hậu và địa lý của Việt Nam.
[3] Nguyễn Chiến Thắng, “ Giải thuật điều hướng tấm pin theo hướng mặt trời” Đại học
[4] Phi Nguyễn, “Ebook tự học arduino cho người mới bắt đầu.”