Thiết kế chế tạo hệ thống tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời

Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời.. Mục tiêu của đề tài: - Giải quyết được các vấn đề của hệ

Tóm tắt công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2013-2014

Mã số:…

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI

Sinh viên : Đoàn Thanh Sơn CĐT1 - K54

Phạm Văn Trưởng CĐT1 - K54 GVHD : TS Đặng Thái Việt

ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời

Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng tấm pin mặt trời kể

cả khi bị mây che mất ánh sáng Đồng thời, cũng thay đổi chế độ điều khiển tự động thành chế

độ điều khiển bằng tay một cách linh hoạt phục vụ trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels (J Rizk and Y Chaiko)

2 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời (Đinh Hồng Bộ, Nguyễn Nhật Dương,Nguyễn Hồng Long,Đỗ Văn Sơn)

3 Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất bản Lao động- Xã

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam là thủy điện và nhiệt điện Tuy nhiên, thủy điện gây mất cân bằng sinh thái và nhiệt điện tiêu tốn một lượng khoáng sản mà nước ta đang ngày càng cạn kiệt Không những vậy,nhiệt điện còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.Qua đây, ta thấy tầm quan trọng của các nguồn năng lượng thay thế - năng lượng xanh, đặc biệt là năng lượng mặt trời

Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng bức xạ mặt trời thuộc loại cao nhất trên thế giới (vào khoảng 4.5 – 6 KWh/m2) Do đó, thật uổng phí nếu chúng ta bỏ qua nguồn năng lượng tự nhiên này

Mong muốn đưa năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến và phát triển hơn nữa ở Việt Nam, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế sản xuất và đời sống Vì

vậy, nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống tối ưu hóa

hiệu suất pin mặt trời” Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng công nghệ xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin điện mặt trời.

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức

đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây.Đó còn là

sự kết hợp giữa cơ khí - điện tử - tin học để đem đến một sản phẩm hoàn thiện có tính ứng dụng cao, phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam

Do thời gian, kinh phí có hạn và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên sản phẩm của chúng em không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn

Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy – TS Đặng Thái Việt, cùng các thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua

Hà nội, ngày 2 tháng 5 năm 2014

Nhóm sinh viên thực hiện

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề:

Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng.Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn năng lượng tái tạo được và nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan tâm.Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai

Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng Pin năng lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu suất thu năng lượng của tấm pin Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng

ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời

2 Mục tiêu của đề tài:

- Giải quyết được các vấn đề của hệ thống cũ, đồng thời phát triển hệ thống để nâng cao hiệu suất hơn nữa:

 Điều khiển tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt trời, làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang – điện

 Có khả năng chuyển chế độ làm việc phù hợp với điều kiện thời tiết hiện tại

 Nâng cao độ chính xác của hệ thống bằng việc sử dụng các sensor xác định phương hướng

- Thiết kế, chế tạo, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời

3 Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ thống

4 Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ một chiều có sử dụng đĩa encoder

PHẦN II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Giới thiệu chung về đề tài

1.1 Nội dung đề tài

Đề tài gồm 3 phần:

1 Thiết kế chế tạo cơ khí

2 Thiết kế chế tạo phần cứng điện tử

3 Thiết kế phần mềm

1.2 Tổng quan sơ đồ của hệ thống

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

3 Chế độ thủ công:

Ở chế độ này, hệ thống sẽ đươc vận hành thủ công nhờ 4 nút điều khiển ứng với 4 hướng Đông – Tây và Nam – Bắc Người vận hành sẽ xoay tấm pin theo hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời chiếu xuống Chế độ này được sử dụng khi hệ thống gặp lỗi, hư hỏng hay bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo được yêu cầu đề ra

Mạch còn có hệ thống đèn led báo chế độ, hướng di chuyển hiện tại, ngày, giờ theo thời gian thực … giúp người vận hành có thể kiểm soát hệ thống một cách tốt nhất

2 Thiết kế, chế tạo cơ khí

2.1.Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí:

2.2 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí:

Trước khi thiết kế, chúng ta cần phải lựa chọn phương pháp để điều khiển tấm pin hướng theo mặt trời Có 2 phương pháp khả thi cho việc điều khiển chuyển động Phương pháp thứ nhất là nghiêng tấm pin theo 2 trục để đạt vị trí yêu cầu (hình 2.1a ), phương pháp thứ hai là đồng thời xoay và nghiêng tấm pin theo 2 trục cũng đạt được kết quả tương tự (hình 2.1b)

Hình 2.1: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ

Sau khi tìm hiểu kĩ 2 phương pháp, chúng em thấy rằng phương pháp thứ 2 xoay và nghiêng theo 2 trục ít phức tạp hơn Từ đó, nhóm đã xây dựng hệ thống cơ khí theo phương pháp này

1 Truyền động bánh răng có ưu điểm nổi bật:

- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

- Tỷ số truyền không thay đổi

- Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 0,99

- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

Tuy nhiên truyền động bánh răng có các nhược điểm sau:

- Chế tạo tương đối phức tạp

- Đòi hỏi độ chính xác cao

- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

2 Truyền động trục vít – bánh vít có ưu điểm sau:

- Tỉ số truyền lớn1

- Làm việc êm, không ồn

Nhược điểm của bộ truyền trục vít – bánh vít:

- Giá thành đắt

3 Ổ lăn được sử dụng để đỡ hai trục chuyển động, loại ổ lăn dùng là loại ổ bi đỡ một dãy So với ổ trượt, ổ lăn có ưu điểm:

- Hệ số ma sát nhỏ

- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn

- Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng trục

- Mức độ tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện, giá thành thấp do sản xuất hàng loạt

Tuy nhiên ổ lăn có một số nhược điểm:

- Lắp ghép tương đối khó khăn

- Kích thước hướng kính lớn

- Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao

Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta chọn trục là loại trục bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm bảo các điều kiện lắp ghép

- Giới hạn chảy:  ch 360 MPa

- Ứng suất xoắn cho phép: [ ] 15 30 MPa  

2.4.2.Tính các lực tác dụng lên trục

Trục 1:

Các thông số đầu vào:

1 w1 ' w1 1

51352141

òn / út14

34.5

z

y x

Trục 2:

Các thông số đầu vào:

2 w2 2

1 2

2725680.013 òn / út

40

z

y x

2.4.3.Kiểm nghiệm độ bền

Trục 1:

 

1 1 1

507.316934.761376.47

1063.554

2.6470.1

x y

y x t

td

l

M M T

446.596630.665376.47

772.778

2.4090.1

x y

y x t

td

l

M M T

84002000

840

3.1780.1

x y

y x t

td

l

M M T

1118.851766.1472000

1356.027

3.3220.1

x y

y x t

td

l

M M T

840

3.1780.1

x y

M M M

M M T M

2.5 Hình ảnh các chi tiết được thiết kế

Hình 2.2: Đế và tấm ốp trên khâu 1

Hình 2.3: Tấm ốp và giá đỡ khâu 2

Hình 2.4: Các loại trục

Hình 2.5: Mô hình được thiết kế

3.Thiết kế, chế tạo mạchđiện tử

Sơ đồ các khối:

Hệ thống bao gồm 8 khối:

- Mạch sensor: cung cấp tín hiệu về hướng cho mạch so sánh

- Mạch so sánh: xử lý tín hiệu từ sensor đưa về, rồi đưa tín hiệu vào vi điểu khiển

- Mạch Encoder: cung cấp tín hiệu về số vòng quay được của động cơ cho mạch xử lý trung tâm giúp xác định góc quay hiện tại của tấm pin

- Mạch xử lý trung tâm: nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển, đồng thời lưu dữ liệu cho chế độ điều khiển tự động theo thời gian, hiển thị báo hiệu nguồn, chế độ hoạt động, hướng quay…

- Mạch thời gian thực: cung cấp dữ liệu thời gian thực về ngày, giờ, mùa trong năm phục vụ cho chế độ điều khiển tự động

- Mạch công suất: nhận tín hiệu điều khiển từ mạch so sánh để điều khiển động cơ

- Động cơ: là cơ cấu chấp hành, tạo momen quay

- Nguồn: cung cấp nguồn điện cho toàn hệ thống

Nguồn

Mạch so sánh Mạch sensor

Mạch công suất

Động cơ Mạch xử lý trung tâm Mạch thời gian thực Mạch Encoder

3.1.Mạch sensor

Hệ thống bám mặt trời hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ chiếu sáng của mặt trời tới cảm biến, từ đó sẽ nhân biết được hướng di chuyển của mặt trời Trong hệ thống sử dụng cảm biến quang LDR(Light Dependent Resistors là 1 loại cảm biến ánh sáng đơn giản, nguyên tắc hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong

Hình 3.1: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở

Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR thì nội trở của LDR sẽ giảm xuống , tiến về 0 ôm( mạch kín) Nhưng khi ánh sáng kích thích ngừng thì nội trở tăng đến vô cùng( hở mạch)

Để phát hiện sự thay đổi cường độ chiếu sáng của mặt trời chúng ta sử dụng 1 cặp 2 sensor đặt tại 2 hướng đối diện

Hình 3.2: Cặp sensor trong mạch so sánh

Điện áp tại đầu ra của mạch sensor được tính theo công thức sau:

Do điện trở của cảm biến dao động từ vài Ω tới xấp xỉ 1MΩ nên điện áp ra dao động trong khoảng từ 0-5V với điện áp cung cấp = 5V

Hệ thống bám mặt trời bám theo 2 phương Đông – Tây và Nam – Bắc nên cần sử dụng

2 cặp sensor trên.Tín hiệu điện áp từ 2 cặp sensor này sẽ được đưa vào mạch so sánh để xử lý

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và linh kiện dùng trong mạch:

Hình 3.3: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh

Linh kiện:

4 quang điện trở CDS PGM5506 có các đăc tính và thông số kĩ thuật:

3.2.Mạch so sánh

Do mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển để nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển nên tín hiệu đầu ra của mạch so sánh phải là tín hiệu logic 0-1(mức 0 ứng với giá trị điện áp 0V và 1 ứng với giá trị điện áp 5V) Trong khi đó tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện

áp tuyến tính Do vậy chúng ta sẽ sử dụng mạch so sánh để chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu số Để tối ưu phần cứng cũng như thiết kế mạch, chúng ta sẽ sử dụng các IC khuếch đại thuật toán(OPAMP)

Điện áp đầu ra của mạch sensor phụ thuộc tuyến tính vào điện trở của cặp sensor.Khi mặt trời ở vị trí thẳng góc với hai cặp sensor, điện trở của mỗi sensor tại mỗi cặp bằng nhau, nhưng trên thực tế có độ sai lệch nhất định giữa chúng cho dù giá trị rất nhỏ.Chính giá trị sai lệch này sẽ khiến hệ thống đáp ứng sự thay đổi ngay cả khi mặt trời đã ở vị trí thẳng góc.Điều này khiến hệ thống mất ổn định, tổn hao năng lượng vô ích…việc tạo khoảng dừng sẽ giúp hệ thống ngừng đáp ứng khi sai lệch còn ở trong khoảng cho phép.Khoảng cho phép này được tạo ra nhờ sử dụng hai mạch so sánh tạo bởi hai Opamp và sẽ ảnh hưởng tới độ nhạy của hệ thống

Hình 3.4: Các khoảng điện áp đầu vào

Tạo ra khoảng “dừng” nhờ việc sử dụng 2 mạch so sánh sử dụng 2 OPAMP:

Hình 3.5: Mạch so sánh dùng 2 opamp

Hai mạch so sánh có chung đầu vào ở hai cực khác nhau Điện áp đầu vào này được so sánh với 2 điện áp cố định tạo ra bởi 2 cầu phân áp bằng 2 biến trở RV1 và RV2

Hình 3.6: Cầu phân áp

Cầu phân áp hình 1 có sơ đồ tương đương như hình 2 với R2, R3 là 2 điện trở có giá trị thay

đổi Công thức tính điện áp Vout của cầu:

Do Vcc cố định, nên khi R2, R3 cố định thì điện áp Vout cũng cố định Hai điện áp cố định này có giá trị chênh lệch nhau từ vài phần mười vôn tới vài vôn tùy theo yêu câu độ nhạy của hệ thống do người dùng đặt Cách mắc này cho phép hệ thống tạo ra ba khoảng điện áp

Điện áp Vout trên chân ra của Opamp được tính theo công thức:

: Khi khuếch đại đảo

: Khi khuếch đại không đảo

Do không có điện trở hồi tiếp ( = ) nên hệ số K trong công thức bằng vô cùng do

đó điện áp ra chỉ nhận hai giá trị 0V(min) hoặc (max) ứng với hai giá trị logic 0 và 1 Tín hiệu dạng số này sẽ được vào mạch xử lý trung tâm để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển

Cụ thể đối với cặp sensor Đông – Tây là:

Khoảng điện áp Output 1 Output 2 Kết quả

Vin = 0V Vout 1 Vcc (giá trị logic 1) 0V (giá trị logic 0) Mặt trời nghiêng về

Từ cặp giá trị Output 1 và Output 2 chúng ta sẽ biết được vị trí của mặt trời so với tấm pin

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và linh kiện dùng trong mạch:

Hình 3.7:Sơ đồ mạch hoàn chỉnh

Để tối ưu phần cứng cũng như thi công mạch, chúng ta sử dụng IC khuếch đại thuật toán

LM358 với 2 Opamp tích hợp

3.3 Mạch Encoder

Mạch có chức năng nhận tín hiệu từ đĩa Encoder gắn vào trục động cơ, xử lý rồi đưa vào mạch xử lý trung tâm, giúp hệ thống xác định góc quay hiện tại của tấm pin Do trong chu trình hoạt động 1 ngày của hệ thống, động cơ chỉ quay 1 chiều nên đĩa Encoder gồm 1 vòng tròn các lỗ đồng tâm (12 lỗ) Mạch sử dung 1 cặp Led (Nguồn phát) – Cds (Đích thu) để nhận biết chuyển động quay của đĩa

Led sẽ phát ra ánh sáng chiếu tới Cds Nếu giữa chúng không bị chắn điện trở cua Cds

sẽ giảm xuống mạnh, nếu có vật cản khiến cho ánh sáng không thể đến Cds, điện trở của Cds

là rất lớn

Hình 3.10: Nguyên lý xác định chuyển động quay đĩa encoder

Cặp Led – sensor này được lắp trên đĩa encoder sao cho đĩa sẽ chắn ánh sáng từ nguồn phát đến nguồn thu và sẽ cho tín hiệu đi qua bởi các lỗ đồng tâm theo nguyên tắc sau:

Hình 3.11: Gắn cặp Led – Sensor vào đĩa encoder

Sự thay đổi điện trở của Cds sẽ được đưa vào mạch encoder để xử lý (chuyển tín hiệu

analog sang tín hiệu số) rồi đưa vào mạch xử lý trung tâm.Sơ đồ mạch nguyên lý:

Mạch sử dụng điện áp 5V lấy từ mạch nguồn.

Hình 3.13: IC DS1307

Sơ đồ nguyên lý của mạch thời gian thực:

Mạch chạy điện áp Vcc = 5V lấy từ mạch nguồn của hệ thống.

3.5 Mạch xử lý trung tâm

Mạch xử lý trung tâm chính là “bộ não” của hệ thống, nó tiếp nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển để hệ thống hoạt động đúng yêu cầu đề ra Ngoài ra nó còn thông báo trạng thái hoạt động của mạch, nguồn cũng như hướng di chuyển của tấm pin Trong mạch chúng ta

sử dụng chíp vi điều khiển AT89S52, là một chíp vi điều khiển có nhiều đặc điểm ưu việt và thích hợp cho hệ thống bám mặt trời như:

- Có 32 cổng vào – ra thuận lợi cho việc tiếp nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển

- Chương trình nạp đơn giản,có các phần mềm hỗ trợ lập trình tốt

- Tốc độ xử lý nhanh, phần cứng hỗ trợ đơn giản, dễ dàng trong thi công mạch

- Giá thành rẻ, nguồn cung cấp dồi dào

- Công suất tiêu thụ nhỏ, phù hợp với hệ thống yêu cầu dòng tiêu thụ nhỏ

Hình 3.15: Vi điều khiển AT89S52

Hình 3.17: Mạch xử lý trung tâm