Skkn hệ thống chiếu sáng năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng thu sáng

Mặc khác, cách bố trí tấm pin mặt trời của các loại đèn này là cố định do đó hiệu suất thu năng lượng ánh sáng bị hạn chế tùy theo từng thời điểm trong ngày.. Đặc điểm chung của các loại

-2015)

1

- Hệ thống chiếu sáng năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng thu sáng

2

- Điện tử

3

- 08/2014

4

Ngoài nước: Năng lượng mặt trời từ lâu đã được các nước phát triển chú

ý đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn Trong lĩnh vực chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời cũng đã có nhiều công ty sản xuất thiết bị phục vụ nhu cầu cho chiếu sáng gia đình và công cộng Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị này so với các thiết bị chiếu sáng thông thường và thu nhập bình quân của người Việt Nam là tương đối cao Đây cũng là một trong những nguyên nhân chính là cản trở sự phát triển của năng lượng mặt trời Hiện nay, đa số các đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời trên thị trường Việt Nam đều có xuất xứ từ Trung Quốc Các sản phẩm đều được nhà cung cấp bảo hành trong vòng 1 năm

Trong nước: Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện một số loại đèn sử

dụng năng lượng mặt trời như đèn đường chiếu sáng, đèn trang trí sân vườn,… Tuy nhiên, giá cả của các loại đèn này tương đối cao Mặc khác, cách bố trí tấm pin mặt trời của các loại đèn này là cố định do đó hiệu suất thu năng lượng ánh sáng bị hạn chế tùy theo từng thời điểm trong ngày

Dưới đây là một số sản phẩm đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời hiện có trên thị trường Việt Nam

- Xuất xứ: Trung Quốc

- Thời gian sáng 8 – 10 giờ/ngày, có thể

sử dụng 3 – 5 ngày mưa

- Bảng năng lượng: 100W

- Đèn LED 40W

- Kích thước: cao từ 6 – 8 mét

- Tuổi thọ trung bình: 5 năm

Hình 1 Đèn chiếu sáng công cộng CP38

- Xuất xứ: Trung Quốc

- Thời gian sáng 8 – 10 giờ/ngày, có thể sử dụng 3 – 5 ngày mưa

- Bảng năng lượng: 100W

- Đèn LED: 40W

- Kích thước: cao từ 6 – 8 mét

- Tuổi thọ trung bình: 5 năm

Hình 2 Đèn trụ chiếu sáng công cộng CP37

Ngoài ra, các thông tin chi tiết về sản phẩm chiếu sáng năng lượng mặt trời có thể được tham khảo tại các trang web như: http://www.cp-lights.com, http://www.chinatech.com.vn, http://www.vatgia.com,

Đặc điểm chung của các loại đèn chiếu sáng công cộng hiện nay là độ linh hoạt cao, có thể di chuyển dễ dàng; hoạt động độc lập, không cần dây cấp nguồn nên lắp đặt dễ dàng,… Tuy nhiên, nhược điểm chung của các thiết bị này là vốn đầu tư ban đầu lớn, giá thành cao nên dẫn đến chi phí thắp sáng/giờ cao so với đèn compact, bộ phận thu năng lượng được chế tạo cố định nên hiệu suất thu năng lượng thấp,…

5

Trên cơ sở tình hình phát triển của các thiết bị chiếu sáng năng lượng mặt trời trong và ngoài nước còn một số hạn chế là giá thành cao và hiệu suất thu quang năng còn thấp nên đề tài được thực hiện nhằm khắc phục các nhược điểm trên Ngoài ra, trong hoàn cảnh nhân loại đang đối phó với tình biến đổi khí hậu như hiện nay thì việc tìm kiếm một nguồn năng lượng mới, không gây

ô nhiễm môi trường nhằm thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng khan hiếm là rất cần thiết Do vậy, mục tiêu của đề tài là tạo ra mộ

ả

ể đạt được hiệu suất cao nhất Đồng thời, t

6

Giải pháp gồm có 3 nội dung chính như sau:

Nội dung 1: nghiên cứu chế tạo bộ chuyển đổi năng lượng từ quang năng sang điện năng sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời Bộ điều khiển có chức năng điều khiển việc nạp điện từ tấm pin năng lượng mặt trời vào bình Accquy

Nội dung 2: Nghiên cứu chế tạo bộ phận chiếu sáng có khả năng tiết kiệm điện bằng cách sử dụng bộ biến tần để điều khiển các LED siêu sáng

Nội dung 3: thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tấm pin năng lượng tự điều chỉnh hướng thu sáng

Trong đó, điểm đặc biệt của thiết bị so với các sản phẩm hiện có trên thị trường là tấm pin năng lượng có thể tự điều chỉnh hướng thu sáng theo vị trí di chuyển của mặt trời Sơ đồ khối của hệ thống được trình bày như trong Hình 1

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống

Điểm mới của giải pháp so với các sản phẩm đã có là có thêm bộ phận điều hướng tấm pin mặt trời và các hệ thống cảm biến

Cảm biến hướng sáng có nhiệm vụ theo dõi vị trí của mặt trời để đảm

bảo tấm pin năng lượng luôn hướng về phía mặt trời

Cảm biến ngày đêm có nhiệm vụ phân biệt ngày và đêm để điều khiển

việc tắt/mở đèn một cách tự động

Vi điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển

hoạt động của toàn bộ hệ thống Nếu vị trí của tấm pin năng lượng và mặt trời

bị lệch, vi điều khiển sẽ nhận được tín hiệu từ cảm biến hướng sáng và thông báo cho bộ điều hướng tấm pin mặt trời để điều khiển vị trí của tấm pin

hướng về phía mặt trời Điều này đảm bảo việc thu năng lượng đạt được hiệu suất cao nhất

(Sơ đồ mạch và hoạt động thực tế của các khối được đính kèm trong phần phụ lục)

6.2

Sản phẩm có khả năng ứng dụng cao và cạnh tranh với chi phí thấp Ngoài ra, do khả năng ứng dụng cao nên sản phẩm có thể dễ dàng xâm nhập vào thị trường nếu được đầu tư một cách bài bản Sản phầm có thể được sử dụng làm mô hình giảng dạy, thực tập để đào tạo các chuyên ngành Điện tử truyền thông, Điện – Điện tử,

Pin năng lượng

mặt trời

Accquy

khiển

Cảm biến hướng sáng

Cảm biến ngày đêm

Khối chiếu sáng

Bộ điều hướng tấm pin mặt trời

Đề tài có khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực chiếu sáng, kể cả chiếu sáng công cộng và cho hộ gia đình Đặc biệt trong tình hình các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm và giá thành ngày càng cao thì một thiết

bị chiếu sáng sử dụng năng lượng lượng mặt trời – một nguồn năng lượng sạch

và hầu như vô tận là rất cần thiết Thiết bị có khả năng ứng dụng rộng rãi tại những nơi có nguồn ánh sáng năng lượng mặt trời đảm bảo, đặt biệt là tại các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới

6.3

Kết quả nghiên cứu tạo ra một sản phẩm chiếu sáng thông minh với chi phí thấp (15 triệu đồng) so với các thiết bị tương tự trên thị trường (từ 20 triệu đồng trở lên nhưng không tự điều chỉnh hướng thu sáng) Người tiêu dùng sẽ

có thêm một sự lựa chọn mới hấp dẫn trong tình hình các nguồn năng lượng khác liên tục tăng cao như hiện nay Đặc biệt sản phẩm sử dụng nguồn năng lượng chính là ánh sáng mặt trời nên không gây ô nhiễm môi trường và người

sử dụng không phải lo về chi phí phát sinh sau khi sử dụng Đặc biệt, giá thành của hệ thống thấp hơn các sản phẩm tương đương trên thị trường

6.4

Giải pháp có cải tiến so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường là hệ thống thu năng lượng có thể tự xoay theo hướng di chuyển của mặt trời để tăng hiệu suất thu năng lượng Do đặc điểm của tấm thu năng lượng sẽ cho hiệu suất cao nhất khi bề mặt vuông góc với tia sáng nên đối với các sản phẩm hiện có trên thị trường hiệu quả thu năng lượng là chưa tối ưu

Giải pháp đưa ra là tạo ra một cơ cấu điều khiển để tự động hướng bề mặt của tấm pin năng lượng theo vị trí di chuyển của mặt trời để đạt hiệu suất thu năng lượng cao nhất Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng đèn LED để chiếu sáng nhằm tiết kiệm năng lượng mà vẫn đạt được hiệu quả chiếu sáng

Kết quả nghiên cứu tạo ra một sản phẩm công nghệ năng lượng xanh và sạch Sản phẩm có khả năng ứng dụng rộng rãi Sự thành công của đề tài góp phần thúc đẩy các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực năng lượng mới thân thiện với môi trường

Ngoài ra, việc sử dụng sản phẩm sẽ góp phần nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của người dân trong tình hình tác động của biến đổi khí hậu ngày một nặng nề hiện nay

Rạch Giá, 05 06 năm 2015

Nguyễn Đặng Phúc Nguyên

PHỤ LỤC

ẠCH CHỨC NĂNG

1 Mạch cảm biến ngày đêm

Mạch có nhiệm vụ phân biệt trời tối hay sáng để báo cho vi điều khiển bật tắt thiết

bị chiếu sáng Bình thường khi có ánh sáng chiếu vào quang trở LDR6 thì điện áp tại chân B của transistor Q6 ở mức thấp, transistor ngưng dẫn, điện áp tại chân E ở mức thấp Ngược lại, khi trời tối điện trở của LDR6 tăng lên làm điện áp tại chân B của Q6 tăng lên mức cao, transistor dẫn, điện áp tại chân E lên mức cao Tín hiệu ngõ ra tại chân

E của Q6 được đưa qua cổng đảo 74HC14 để hiệu chỉnh mức logic trước khi đưa đến vi điều khiển Biến trở VR6 được sử dụng để hiệu chỉnh độ nhạy của mạch cảm biến

Hình 2 Sơ đồ mạch cảm biến ngày đêm

2 Bộ điều hướng tấm pin mặt trời

Đề tài sử dụng bộ bám vị trí mặt trời một trục theo hướng Đông – Tây Cơ cấu được thiết kế như trên hình 12 Cơ cấu sử dụng động cơ DC 12V có khóa trục vít cho tốc

độ ra khoảng 60 vòng/phút, tốc độ này sau đó được giảm còn khoảng 24 vòng/phút

Hình 3 Bộ điều hướng tấm pin mặt trời

5V

R61

VR6

5V

R63

LED

Q6

VDK

LDR6

74HC14

R62

Hình 4 Bộ điều hướng nhìn ngang

Một mạch đảo chiều động cơ được sử dụng để điều khiển tấm pin mặt trời quay theo hướng Đông – Tây và ngược lại Mạch sử dụng mosfet IRF9540 và IRF540 mắc theo kiểu cầu H, sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 14 Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển được đưa vào hai ngõ vào M1 và M2 Mạch hoạt động theo nguyên tắc như sau:

+ Nếu ngõ vào M1 = 0 và M2 = 0 thì motor không quay do các mosfet IRF9540 hoạt động trong khi các mosfet IRF540 không hoạt động

+ Nếu ngõ vào M1 = 1 và M2 = 0 thì Q32 và Q33 hoạt động trong khi Q31 và Q34 ngưng, dòng điện qua motor theo chiều từ B sang A

+ Nếu ngõ vào M1 = 0 và M2 = 1 thì Q31 và Q34 hoạt động trong khi Q32 và Q33 ngưng, dòng điện qua motor theo chiều từ A sang B

+ Nếu ngõ vào M1 = 1 và M2 = 1 thì motor không quay do tất cả mosfet IRF9540 không hoạt động

Hình 5 Mạch đảo chiều động cơ DC

Để giới hạn góc quay của tấm pin mặt trời hai cảm biến hồng ngoại được sử dụng

để xác định vị trí biên trái và biên phải của tấm pin Các cảm biến được bố trí như trên hình 15 Cảm biến được sử dụng là loại cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, điện áp hoạt động 5V, dòng tiêu thụ 15mA, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được trong khoảng từ 3 – 80 cm

Q32 IRF9540N Q31

IRF9540N

U31 4n35

R31

10k

R32

10k

U32 4n35

Q33 IRF540N

5V

M2

12V

D34

MG1

MOTOR DC

12V

R34 R

M1

D31

D33

D32

5V

R33 R

Q34 IRF540N

Hình 6 Cảm biến vị trí biên của tấm biên mặt trời

Hình 7 Điểm tới hạn biên trái và biên phải của tấm pin mặt trời

3 Mạch cảm biến hướng sáng

Quang trở được sử dụng để cảm biến vị trí mặt trời bằng cách so sánh cường độ ánh sáng mà quang trở nhận được Hai quang trở được bố trí song song như trong hình

17 Bình thường khi góc tới của tia sáng là 0 0 thì lượng ánh sáng hai cảm biến nhận được

là như nhau, nhưng khi góc tới của tia sáng khác 00 thì cường độ sáng chiếu vào cảm biến

B sẽ luôn nhỏ hơn cảm biến A Độ khác biệt phụ thuộc vào độ lớn góc tới của tia sáng

Hình 8 Bố trí cảm biến hướng sáng dùng quang trở

Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hướng sáng được trình bày trên hình 18 Nguyên

lý hoạt động của mạch như sau:

+ Khi cường độ sáng tới hai quang trở LDR1 và LDR2 bằng nhau thì điện

áp ở chân 2 và chân 3 của IC 741 bằng nhau, điện áp ngõ ra ở chân 6 của IC 741 gần bằng Vcc/2 Lúc này transistor Q5 ngưng dẫn, tín hiệu ngõ ra đưa đến vi điều khiển ở mức 0

+ Khi cường độ sáng chiếu vào cảm biến LDR1 nhỏ hơn LDR2 thì lúc này điện trở của LDR1 lớn hơn điện trở của LDR2 dẫn đến điện áp tại chân 3 của IC 741 nhỏ hơn tại chân 2 làm cho điện áp ra ở chân 6 xuống mức thấp Lúc này transistor Q5 dẫn, tín hiệu ngõ ra cấp cho vi điều khiển có mức logic 1

Hình 9 Mạch cảm biến hướng sáng

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển

LDR1

R 1k LDR2

5V

R51 330 VR51

200k

R52 1k

5V

LM741

3 2

6

5V

74HC14

VR52 200k

5V

Q5 A2383

P0.0

Q34 IRF540N

5V

5V

MP_Sig

J12

1 3 5 7

Q33 IRF540N

5V

5V

R11

1k

Q8 C1815

Q5 A2383

R53 1k

12V

P0.7

J13

CON8

1 3 5 7

R62 220

Q6 C1815

74HC14

5V

C14

10u

J14

CON8

1 3 5 7

D34

VR51

-+ U5

LM741

3 2 6

Right

D6 LED

Sun_In

MG1

MOTOR DC

12V

VR6 500k

R31 10k

D31

12V

U31 4n35

C12 33

U1

AT89C51

9

18 19

29 31

1 3 5 7

21 23 25 27

10 12 14 16

39 37 35 33

RST

XTAL2 XTAL1

PSEN ALE/PROG EA/VPP

P1.0 P1.2 P1.4 P1.6

P2.0/A8 P2.2/A10 P2.4/A12 P2.6/A14

P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.4/T0 P3.6/WR P3.7/RD

P0.0/AD0 P0.2/AD2 P0.4/AD4 P0.6/AD6

74HC14

P0.1

R51 330

M_Lef t

R43

330

C11 33

C21

220

D32

12V

P0.3

Y1

12MHz

U3

LM7805

Sen2

5V

Relay

RELAY SPDT

1 2

C22

220

C62 104

5V

D33

C51 104

5V

J21

Power

1

LDR6

5V

LDR2

LED_O/F

5V

5V

R52 1k

VR52 200k

P0.5

Q31 IRF9540N

5V

J22

CON3

1 3

LED_O/F

5V 5V_S

12V

P0.2

D42

Q32 IRF9540N R33

R

M_Right 12V

Sen1

U32 4n35

J11

CON8

1

3

5

7

R63 330

LOAD 5V

C31 104

Lef t

5V

C61 100

P0.6

LDR1

R34 R

R61 22k

SW1

Sun_Out 5V

P_Sig

R32 10k

VĐK

4 Lưu đồ chương trình

Hình 11 Lưu đồ chương trình chính

Hình 12 Lưu đồ chương trình NightTime

Sai

Led = 1 Left = 0 Bắt đầu

Right = 0 Đúng

Kết thúc

Sai

Sai

Đúng Bắt đầu

Call DayTime P2.4 = 1?

Call NightTime

Call Delay

P2.4 = 1?

Hình 13 Lưu đồ chương trình DayTime

Left = 1 Sai

Đúng

Sai

Led = 0 Right = 0 Bắt đầu

Left = 0

Đúng

P3.3 = 0?

Kết thúc

Call Delay

ROT = 1?

ROT = 1?

Left = 0

Call Delay

của thiết bị:

- Công suất danh định tấm pin mặt trời: 60W

- Công suất bóng đèn LED: 30W

- Accquy: 50Ah

Hình 14 Mô hình được thi công hoàn chỉnh