THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Đề tài được tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau để đưa quy luật chuyển động của Mặt Trời và cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng, mạch điều khiển động cơ DC, động cơ DC và một số linh kiện điện tử. Từ các quy luật, nguyên lý trên đã thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển máng thu nhiệt tự động quay theo hướng Mặt Trời.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI

Họ và tên sinh viên: HUỲNH NGỌC TIẾN Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2011 – 2015

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG

Giáo viên hướng dẫn:

TS Nguyễn Huy Bích

Tháng 06 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước hết con xin chân thành cảm ơn công lao sinh thành, dạy bảo và tất cảnhững gì tốt đẹp nhất mà ba mẹ đã dành cho con, cho con có được như ngày hôm nay

Và em xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh, Quý thầy cô Khoa

Cơ Khí Công Nghệ đã tận tình truyền đạt cho em những kiến thức quý giá trong suốtthời gian học tập tại trường

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Huy Bích đã tận tìnhhướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều trong suốt quá trình làm đề tài

Cuối cùng em xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp DH11CD và các bạn bè đã tậntình giúp đỡ mình trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài không tránh khỏi những thiếusót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để đề tài đươchoàn thiện hơn

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả mọi người!

TP.HCM, ngày… tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Ngọc Tiến

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THUNĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm ThànhPhố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2015

Đề tài được tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau để đưa quy luật chuyểnđộng của Mặt Trời và cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng, mạchđiều khiển động cơ DC, động cơ DC và một số linh kiện điện tử Từ các quy luật,nguyên lý trên đã thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển máng thu nhiệt tự động quaytheo hướng Mặt Trời

Nội dung của bài báo cáo gồm các phần chính sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề tài có nhiều thiếu xót, em mongnhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em có thể hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

DANH SÁCH CÁC BẢNG xii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 2

1.3 Yêu cầu 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về năng lượng Mặt Trời 3

2.1.1 Cấu tạo Mặt Trời 3

2.1.2 Bức xạ năng lượng Mặt Trời 3

2.1.3 Vị trí theo giờ Mặt Trời và hướng của tia bức xạ trên các mặt phẳng 4

2.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng Mặt Trời trên thế giới 6

2.1.5 Nguồn năng lượng Mặt Trời ở nước ta 6

2.1.5.1 Phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta 6

2.1.5.2 Tình hình sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta hiện nay 7

2.1.6 Một số ứng dụng năng lượng Mặt Trời 8

2.1.6.1 Máy nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời 8

2.2 Một số phương pháp thiết kế bộ thu nhiệt tập trung 8

2.2.1 Gương phẳng 8

2.2.2 Gương nón cụt 9

2.2.3 Gương nón 9

2.2.4 Gương Parabon tròn xoay 10

2.2.5 Gương parabon trụ 10

2.3 Tổng quan một số thiết bị tự động định hướng Mặt Trời 11

2.3.1 Một số thiết bị đã có hiện nay 11

2.3.2 Đề xuất mô hình 13

2.4 Tổng quan board mạch ARDUINO 13

2.4.1 Sơ đồ chân Arduino UNO 14

2.4.2 Lập trình cho Arduino 15

2.4.3 Một số ứng dụng của board mạch Arduino 16

2.5 Môđun cảm biến ánh sáng và môđun L298 16

2.5.1 Môđun cảm biến ánh sáng 16

2.5.2 Môđun mạch cầu H L298 17

2.6 Một số linh kiện sử dụng 18

2.6.1 IC 7805 18

2.6.2 Opto 19

2.6.3 Công tắc hành trình 19

2.6.4 Màn hình hiển thị LCD 20

2.7 Động cơ điện một chiều 21

2.7.1 Cấu tạo 21

2.7.2 Nguyên lý hoạt động 21

2.7.3 Thông số kỹ thuật 21

2.8 Bộ truyền trúc vít – bánh vít 21

2.8.1 Công dụng 21

2.8.2 Phận loại 22

2.8.3 Ưu, nhược điểm 22

2.8.4 Phạm vi sử dụng 23

2.9 Bộ truyền vít me – đai ốc 23

2.9.1 Công dụng 23

2.9.2 Phân loại 23

2.9.3 Ưu, nhược điểm 24

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Bố trí thời gian thực hiện 25

3.2 Nội dung nghiên cứu 25

3.3 Phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1 Phương pháp tiếp cận đề tài 25

3.3.2 Phương pháp thiết kế và chế tạo cơ khí 25

3.3.3 Phương pháp thiết kế điều khiển 25

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

4.1 Một số phương án thiết kế đề tài 26

4.1.1 Phương án 1 26

4.1.1.1 Cơ cấu giảm tốc trục vít – bánh răng 26

4.1.1.2 Sử dụng điều khiển bằng PLC 26

4.1.2 Phương án 2 27

4.1.2.1 Cơ cấu giảm tốc vít me – đai ốc 27

4.1.2.2 Sử dụng điều khiển bằng vi điều khiển 27

4.1.3 Phương án 3 27

4.1.3.1 Kết hợp cơ cấu trục vít – bánh răng và vít me – đai ốc 27

4.1.3.2 Sử dụng bo Arduino 27

4.1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 28

4.2 Tính toán và thiết kế cơ khí 28

4.2.1 Sự chuyển động của Mặt Trời theo ước tính 28

4.2.2 Tính toán tỷ số truyền 29

4.2.2.1 Tỷ số truyền giữa vít me và máng thu nhiệt 29

4.2.2.2 Tỷ số truyền giữa động cơ và vít me 31

4.2.3 Tính toán chọn công suất động cơ 31

4.2.4 Sơ đồ cấu tạo thiết bị 33

4.2.5 Nguyên lý hoạt động của máng thu nhiệt 33

4.3 Thiết kế điện tử và điều khiển 36

4.3.1 Thiết kế mạch nguồn 36

4.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ánh sáng 37

4.3.3 Sơ đồ kết nối mạch cảm biến và vi điều khiển 38

4.3.4 Sơ đồ kết nối mạch công suất và vi điều khiển 39

4.3.5 Sơ đồ kết nối vi điều khiển tổng quát 40

4.4 Thiết kế điều khiển 41

4.4.1 Sơ đồ khối 41

4.4.2 Sơ đồ điều khiển 42

4.4.3 Lưu đồ giải thuật 43

4.5 Khảo nghiệm 45

4.5.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 45

4.5.2 Kết quả khảo nghiệm 46

4.5.2.1 Kết quả ngày thứ 1 (14/05/2015) 46

4.5.2.2 Kết quả ngày thứ 2 (15/05/2015) 47

4.5.2.3 Kết quả ngày thứ 3 (18/05/2015) 48

4.5.2.4 Kết quả ngày thứ 4 (19/05/2015) 49

4.5.2.5 Nhận xét bảng số liệu 50

4.5.3 Kết luận khảo nghiệm 51

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

5.1 Kết luận 52

5.2 Kiến nghị 52

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DC Direct Current

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

IC Intergarated Circuit

IDE Intergrated Development Environment.PLC Programmable Logic Controller

PWM Pulse Width Modulation

RX Receiver

SPI Serial Peripheral Interface

TTL Transistor – Transistor Logic

TX Transmitter

USB Universal Serial Bus

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Vị trí theo giờ Mặt Trời và hướng của tia bức xạ trên các mặt phẳng 4

Hình 2.2: Góc vĩ tuyến và kinh tuyến 4

Hình 2.3: Góc độ cao và góc thiện đỉnh Mặt Trời 5

Hình 2.4: Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời 8

Hình 2.5: Gương phẳng 9

Hình 2.6: Gương nón cụt 9

Hình 2.7: Gương nón 9

Hình 2.8: Gương Parabon tròn xoay 10

Hình 2.9: Gương parabon trụ 10

Hình 2.10: Tấm Pin tự động định hướng Mặt Trời bằng camera 11

Hình 2.11: Máy sấy thịt bò một nắng bằng năng lượng Mặt Trời 12

Hình 2.12: Sơ đồ bo Arduino UNO 14

Hình 2.13: Phần mềm IDE lập trình Arduino 15

Hình 2.14: Môđun cảm biến ánh sáng 16

Hình 2.15: Môđun điều khiển động cơ DC L298 17

Hình 2.16: IC ổn áp 7805 18

Hình 2.17: Sơ đồ chân opto 19

Hình 2.18: Công tắc hành trình 19

Hình 2.19: Màn hình hiển thị LCD 16x2 20

Hình 2.20: Trục vít – bánh vít 22

Hình 2.21: Vít me – đai ốc 23

Hình 4.1: Sự chuyển động của Mặt Trời theo ước tính 29

Hình 4.2: Cơ cấu truyền động của máng thu nhiệt 30

Hình 4.3: Sơ đồ cấu tạo thiết bị 34

Hình 4.4: Nguyên lý làm việc của máng thu nhiệt quay theo hướng Mặt Trời 35

Hình 4.5: Tự điều chỉnh khi phát hiện Mặt Trời nằm bên trái máng thu nhiệt 36

Hình 4.6: Tự điều chỉnh khi phát hiện Mặt Trời nằm bên phải máng thu nhiệt 36

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 37

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ánh sáng 38

Hình 4.9: Sơ đồ kết nối giữa cảm biến và vi điều khiển 39

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển với mạch công suất 40

Hình 4.11: Sơ đồ kết nối vi điều khiển tổng quát 41

Hình 4.12: Sơ đồ khối 42

Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển 43

Hình 4.14: Lưu đồ giải thuật của máng thu nhiệt 44

Hình 4.15: Cách đo góc xoay của thiết bị 46

Hình 4.16: Biểu đồ thể hiện góc xoay của thiết bị ngày thứ nhất 47

Hình 4.17: Biểu đồ thể hiện góc xoay của thiết bị ngày thứ nhất 48

Hình 4.18: Biểu đồ thể hiện góc xoay của thiết bị ngày thứ ba 49

Hình 4.19: Biểu đồ thể hiện góc xoay của thiết bị ngày thứ nhất 50

Hình 4.20: Biểu đồ thể hiện góc xoay theo lý thuyết giờ Mặt Trời 51

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta 7

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Arduino UNO 13

Bảng 2.3: Giá trị hoạt động tối đa của IC L298 17

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật LCD 16x2 20

Bảng 4.1: Bảng chân trị môđun L298 41

Bảng 4.2: Kết quả khảo nghiệm ngày thứ nhất 47

Bảng 4.3: Kết quả khảo nghiệm ngày thứ hai 48

Bảng 4.4: Kết quả khảo nghiệm ngày thứ ba 49

Bảng 4.5: Kết quả khảo nghiệm ngày thứ tư 50

Chương 1

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay với sự phát triển vượt bậc về khoa học công nghệ, cùng với sự côngnghiệp hóa, hiện đại hóa trong sản xuất Cùng với sự phát triển đó thì nhu cầu sử dụngnăng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ…) là rất lớn

Bên cạnh sự phát triển đó thì nhân loại cũng phải đối mặt với những hậu quảcủa sự phát triển như: hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu… Tuyvậy, nhu cầu sử dụng năng lượng của nhân loại ngày càng tăng lên Để giải quyết vềvấn đề năng lượng, con người cần phải sử dụng năng lượng tiết kiệm và hợp lý hơn.Nhưng đó cũng là giải pháp tạm thời, vì nguồn năng lượng hóa thạch cũng dần cạnkiệt (năng lượng không tái tạo) Vấn đề được đặt ra là có nguồn năng lượng nào khácngoài năng lượng hóa thạch không?

Để giải quyết vấn đề này, thì bên cạnh việc quản lý và sử dụng năng lượng hợp

lý thì việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng mới như: nănglượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…là rât cần thiết, bởi vì nhưngnguồn năng lượng này có sẵn, dồi dào và không gây ô nhiễm môi trường

Đối với nguồn năng lượng Mặt Trời đã được con người khai thác từ thời cổ đại,nhưng rất thô sơ Ứng dụng năng lượng Mặt Trời bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ đầuthế kỷ 21 Các ứng dụng như: pin Mặt Trời, dùng nhiệt Mặt Trời để sởi ấm,… đặc biệtphát triển ở các nước như Mỹ, Nhật Bản, Đức…

Ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu về năng lượng Mặt Trời cũng phát triểnkhá mạnh mẽ Tuy nhiên việc phát triển đó cùng ở quy mô nhỏ và cũng chưa được sửdụng rộng rãi Vì vậy cần phải đầu tư nghiên cứu và phát triển các ứng dụng nănglượng Mặt Trời vào hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người là thật sự cần thiết

Việc ứng dụng năng lượng Mặt Trời ngày càng phát triển, nhưng để thu đượcnăng lượng Mặt Trời hiệu quả thì thiết bị thu đơn thuần là chưa đủ Vì vậy, cần phảithiết kế, chế tạo ra các thiết bị thu năng lượng Mặt Trời và bộ điều khiển thiết bị tựđộng định hướng theo Mặt Trời để nâng cao hiệu suất thu năng lượng Mặt Trời.

1.2 Mục đích đề tài

Thiết kế chế tạo bộ điều khiển thiết bị thu năng lượng Mặt Trời luôn hướng vềphía Mặt Trời, nhằm tăng hiệu suất khả năng thu nhận năng lượng của thiết bị

1.3 Yêu cầu.

 Tìm hiểu các thiết bị thu nhận năng lượng Mặt Trời

 Tính toán thiết kế cơ cấu truyền động, mạch điều khiển, mạch công suất,mạch đảo chiều động cơ

 Viết lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho board Arduino UNO

 Khảo nghiệm, đo góc xoay của thiết bị

 Đánh giá hoạt động của thiết bị

Chương 2

TỔNG QUAN.1 Tổng quan về năng lượng Mặt Trời

.1.1 Cấu tạo Mặt Trời

Mặt Trời là một khối khí cực nóng, dạng hình cầu các phần tử khí cấu tạo MặtTrời gồm có khí hydro (chiếm 80%) và nguyên tố He (chiếm 20%) Các phần tử liênkết với nhau nhờ lực hấp dẫn Đường kính của Mặt Trời là 1,39.106km, khoảng cáchtrung bình giữa Mặt Trời và Trái Đất là 150.106km

.1.2 Bức xạ năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sựtồn tại và phát triển của sự sống trên Quả Đất Tuy nhiên khi truyền tới Quả Đất bức

xạ Mặt Trời phải đi qua lớp khí quyển làm thay đổi tính chất của nó Vì vậy, trước hết

ta hãy xem xét các tính chất của bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyển

Có thể nói Mặt Trời là một khối khí hình cầu có nhiệt độ rất cao Năng lượngkhổng lồ do Mặt Trời phát ra là kết quả của các phản ứng nhiệt hạt nhân khác nhauxảy ra liên tục và dữ dội trên hành tinh này Mặt Trời dù rất lớn, nhưng do khoảngcách Mặt Trời – Trái Đất cũng lớn, nên từ mặt đất chúng ta nhìn Mặt Trời dưới mộtgóc chỉ bằng 32’ Vì vậy các tia Mặt Trời khi tới mặt đất có thể xem là các tia songsong

Các đo đạc cho thấy rằng mật độ dòng năng lượng từ Mặt Trời ở phía ngoài khíquyển Trái Đất là có thể xem như không đổi Người ta gọi phần năng lượng Mặt Trờitới trên một đơn vị diện tích vuông góc với các tia Mặt Trời ở phía ngoài khí quyểnquả đất là hằng số Mặt Trời ISC=1353 W /m2

.1.3 Vị trí theo giờ Mặt Trời và hướng của tia bức xạ trên các mặt phẳng

Hình 2.1: Vị trí theo giờ Mặt Trời và hướng của tia bức xạ trên các mặt phẳng.

Góc nghiêng β: Là góc hợp bởi mặt phẳng nghiêng và phương nằm ngang.Góc vĩ tuyến ϕ: Các đường tròn vẽ trên mặt đất và nằm trong các mặt phẳngsong song với mặt phẳng xích đạo được gọi là mặt vĩ tuyến Góc hợp bởi đoạn thẳngnối từ gốc O đến điểm M (hình 2.2), là điểm cắt nhau giữa mặt phẳng vĩ tuyến và mặtcầu gọi là góc vĩ tuyến

Góc kinh tuyến: Điểm cắt giữa trục ruyên của Trái Đất với bề mặt của nó ở phíatrên gọi là điểm Cực Bắc (N), và phía dưới gọi là điểm Cực Nam (S) Các nửa đườngtròn vẽ trên mặt trái đất và đi qua hai điểm Cực Bắc và Cực Nam gọi là kinh tuyến

Hình 2.2: Góc vĩ tuyến và kinh tuyến

Góc giờ Mặt Trời 𝜔: Là góc xác định vị trí của Mặt Trời trên bầu trời tại mộtthời điểm bất kỳ từ lúc Mặt Trời mọc đến lúc Mặt Trời lặn Người ta quy ước khi MặtTrời ở đỉnh đầu (lúc 12 giờ trưa) ω=0 Vì trái đất quay quanh nó một vòng hết 24 giờ,nên mỗi giờ nó quay được một góc 150 Vì vậy, góc giờ Mặt Trời tại thời điểm bất kỳlà:

ω=(12−t )∗150

với t là các giờ trong ngày 0 đến 12 giờ, quy ước trước 12 giờ trưa là dương (+).Góc tới θ: Góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.Góc thiên đỉnh θ z: Góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chinh là góc tới

Góc độ cao Mặt Trời α: Vị trí Mặt Trời cũng được xác định bằng độ cao bầutrời Nếu quy định Mặt Trời mọc ở phía đông và lặn ở phía tây thì tại một thời điểmbất kỳ vị trí của nó được xác định bởi góc độ cao Mặt Trời (α ) Đó là góc hợp bởi tia

bức xạ trực xạ với hình chiếu của nó trên mặt phẳng ngang

Hình 2.3: Góc độ cao và góc thiện đỉnh Mặt Trời

Góc phương vị của bề mặt γ: Góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trênmặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến Góc γ=0 nếu bề mặt quay về hướng

α

θ z

chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay

trong đó n là số thứ tự ngày được tính từ ngày 1 tháng 1

.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng Mặt Trời trên thế giới

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến ở các nướctrên thế giới Cách đây hàng chục năm, người ta đã biết sử dụng nguồn năng lượngMặt Trời một cách có hiệu quả như: phơi, sấy… Vào những năm 1978 – 1980 nước

Mỹ đã chi hàng chục tỷ đô la cho các công trình nghiên cứu về nguồn năng lượng MặtTrời chủ yếu làm mát và sưởi ấm

Ngày nay các nước tiên tiến dùng ánh sáng Mặt Trời tạo năng lượng cho các vệtinh, các con tàu vũ trụ thông các tấm pin Mặt Trời bằng silicon và nó đã chính thứcbước vào thời kỳ thương mại

Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng Mặt Trời trên thế giới cũng chưa được rộngrãi, vì bức xạ Mặt Trời có những đặt điểm ruyên và khó khăn về kỹ thuật có liên quanđến việc biến đổi thành dạng năng lượng khác Chẳng hạn như bức xạ Mặt Trời bịphân tán nhiều, có mật độ nhỏ thay đổi theo thời gian Hiệu suất biến đổi năng lượngtia sáng Mặt Trời thành cơ năng và nhiệt năng bị giới hạn bởi nguyên tử vật lý và nhiệtđộng học

.1.5 Nguồn năng lượng Mặt Trời ở nước ta

.1.5.1 Phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta

Nước ta nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới trãi dài từ vĩ độ 230N đến 80N, nên lượngbức xạ tại các vùng miền có sự khác nhau rõ rệt Nếu tính trung bình thì tổng bức xạ

trên toàn vùng lãnh thổ nước ta đạt khoảng 69,8 đến 122,2 KW/m2/năm, nhưng giá trịnày thay đổi theo vùng địa lý và vĩ tuyến.

Bảng 2.1: Phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta.

Vùng trong nămSố giờ nắng xạ Mặt Trời (KWh/Cường độ bức

m2/ngày)

Ứngdụng

2500 giờ/năm, Bắc Phi và Trung Cận Đông trên 3000 giờ/năm

.1.5.2 Tình hình sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta hiện nay

Từ những năm 30 nước ta đã có những kỹ sư chế tạo bếp Mặt Trời và thiết bịlàm nước nóng bằng năng lượng Mặt Trời Trong nhưng năm gần đây, vấn đề nghiêncứu, khai thác và sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời đang được quan tâm trên cả haiphương diện nghiên cứu và phát triển ứng dụng

Hiện nay ở Việt Nam có bốn dạng công nghệ năng lượng lượng Mặt Trời cótrên thị trường Đó là công nghệ năng lượng Mặt Trời quy mô hộ gia đình, quy môthương mại sử dụng cho các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, quân đội và các trungtâm dịch vụ, cho làng mạc như đèn công cộng, âm thanh, tivi và trạm cho sạc pin

Trong đó ứng dụng đun nước nóng bằng năng lượng Mặt Trời và pin Mặt Trờiđược phổ biến nhất Hiện nay, các bình nước nóng sử dụng năng lượng Mặt Trời đượcsản xuất bởi hơn 10 doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước Còn với pin Mặt Trời đượccác công ty tư nhân đang dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất pin quang điện PV Trongcác công ty đó phải kể đến nhà máy Mặt Trời đỏ tại TP Hồ Chí Minh, cung cấp vậtliệu cho sản xuất pin Mặt Trời ở Bình Dương, Việt Vmicro JS ở TP Hồ Chí Minh.

.1.6 Một số ứng dụng năng lượng Mặt Trời

.1.6.1 Máy nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời

Hình 2.4: Máy nước nóng năng lượng Mặt Trời

.1.6.2 Sấy bằng năng lượng Mặt Trời

Sấy là quá trình tách ẩm từ vật liệu Điều kiện cần thiết để sấy khô hay tách ẩm

là phải cung cấp nhiệt để làm bay hơi nước trong vật sấy đồng thời dùng không khíthổi vào để mang hơi nước đó đi

Trong thiết bị sấy dùng năng lượng Mặt Trời, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thụtrực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời của vật sấy Hơi nước được sinh ra được mang đibởi không khí thổi ngang qua vật sấy Không khí chuyển động được là nhờ quá trìnhđối lưu tự nhiên hoặc do quạt thổi cưỡng bức

.2 Một số phương pháp thiết kế bộ thu nhiệt tập trung

.2.1 Gương phẳng

Gương phẳng được sử dụng nhiều cho mục đích tập trung ánh sáng Mặt Trờicho mục đích cấp nhiệt với nhiệt độ cao như trong nhà máy điện Mặt Trời, vì gươngphẳng cấu tạo đơn giản rẻ tiền, dễ chế tạo.

Tuy nhiên độ tập trung của gương phẳng không cao nên cần phải sử dụng với

Hình 2.6: Gương nón cụt

.2.3 Gương nón

Gương nón được dùng để phản xạ lên mặt thu hình ống đặt tại trục nón Tùytheo góc đỉnh nón nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn 450, chiều cao của ống thu bức xạ hìnhtrụ có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn chiều cao của nón

Gương nón có độ tập trung năng lượng bức xạ tượng đối cao trên một ống trụ,tuy nhiên để sử dụng loại gương phản xạ này thì cần phải hướng mặt hứng nắng chínhxác vuông góc hướng với tia bức xạ.

Hình 2.7: Gương nón

.2.4 Gương Parabon tròn xoay

Gương parabon tròn xoay có độ tập trung năng lượng bức xạ rất lớn nên được

sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau khi cần có nhiệt độ lớn

Tuy nhiên bề mặt parabon chế tạo chính xác thì tượng đối phức tạp nên giáthành rất cao

Hình 2.8: Gương Parabon tròn xoay.

.2.5 Gương parabon trụ

Gương parabon trụ cũng có độ tập trung năng lượng bức xạ Mặt Trời lớn, rất dễchế tạo nên thường được sử dụng

Hình 2.9: Gương parabon trụ

.3 Tổng quan một số thiết bị tự động định hướng Mặt Trời

.3.1 Một số thiết bị đã có hiện nay

Hình 2.10: Tấm Pin tự động định hướng Mặt Trời bằng camera.

Mô hình tấm Pin tự động định hướng Mặt Trời được sinh viên ngành cơ điện

tử, Viện cơ khí nghiên cứu và chế tạo Mô hình sử dụng camera để xác định hướng

Mặt trời, cơ cấu bánh vít – trục vít để truyền động, động cơ bước và phần mềmMatlab.

Nguyên lý hoạt động: Khi mở mô hình thì camera được đặt trên tấm Pin sẽchụp hình, hình ảnh chụp được truyền lên máy tính, phần mềm Matlab trên máy tính sẽ

xử lý ảnh chụp được rồi phân tích và đưa ra lệnh điều khiển xuống mạch công suất đểđiều khiển tấm Pin luôn hướng vuông góc với tia tới của Mặt Trời

Ứng dụng: Mô hình dùng để hấp thụ năng lượng Mặt Trời rồi chuyển đổi thànhnăng lượng điện Mục đích là cung cấp năng lượng điện để cho một số thiết bị điệnnhỏ

Ưu điểm: Do dùng camera nên định hướng Mặt Trời chính xác và ổn địnhNhược điểm: Sử dụng phương pháp xử lý ảnh bằng Matlab, nên quá trình điềukhiển đáp ứng chưa nhanh

Hình 2.11: Máy sấy thịt bò một nắng bằng năng lượng Mặt Trời.

Máy sấy thịt bò một nắng bằng năng lượng Mặt Trời được sinh viên ngànhnhiệt lạnh và ngành cơ điện tử Đại Học Nông Lâm TP.HCM thiết kế và chế tạo Máydùng cảm biến quang trở để xác định hướng Mặt Trời, dùng cơ cấu truyền động bánhvít – trục vít kết hợp với cơ cấu vít me – đai ốc và động cơ DC

Nguyên lý hoạt động: Khi máy được mở các cảm biến sẽ cảm nhận mức độ củacường độ ánh sáng, giá trị cảm biến nhận được sẽ đưa về vi điều khiển xử lý và sosánh để đưa ra lệnh điều khiển cho mạch công suất điều khiển máng thu năng lượngtập trung luôn hướng vuông góc với tia tới của Mặt Trời.

Ứng dụng: Máy dùng để hấp thụ nhiệt từ bộ thu năng lượng Mặt Trời tâp trung,

rồi dùng nhiệt đó để sấy các mẻ thịt bò

Ưu điểm: Do dùng cảm biến quang trở và vi điều khiển xử lý tín hiệu trực tiếpnên tốc độ đáp ứng tương đối nhanh

Nhược điểm: Do so sánh tín hiệu điện của hai cảm biển nên độ chính xác chưacao

.4 Tổng quan board mạch ARDUINO

Arduino là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với cácthiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bậtcủa Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữlập trình có thể học một cách nhanh chóng Và hiện nay Arduino được sử dụng kháphổ biến, vì mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm

Board mạch Arduino có rất nhiều loại như: Arduino Due; Arduino Mega;Arduino Uno, Arduino Leonardo; Arduino Pro Mini…

Arduino UNO được sử dụng phổ biến nhất, board mạch Arduino UNO sử dụng

vi điều khiển Atmega328 Nó có 14 chân I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, sử dụngthạch anh 16Mhz Một số thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Arduino UNO

Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung PWM)

Số chân Analog (Input) 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên một

Dòng ra tối đa (3,3V) 50mA

Bộ nhớ flash bootloader32 KB (Atmega328) với 0,5 KB dùng bởi

.4.1 Sơ đồ chân Arduino UNO

Hình 2.12: Sơ đồ bo Arduino UNO

Arduino UNO có 7 vùng chân cơ bản (hình 2.12) là:

Cổng giao tiếp (1): Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính, thôngqua cáp USB chúng ta có thể nạp chương trình cho Arduino hoạt động Ngoài ra, cổngUSB còn là nguồn cung cấp nguồn cho Arduino và giao tiếp với máy tính

Năng lượng (2 và 3): Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sửdụng nguồn ngoài thông qua jack cắm (2) hoặc có thể sử dụng hai chân Vin và GND

để cấp nguồn cho Arduino Chân IOREF là chân để đo điện áp hoạt động của vi điềukhiển trên Arduino (5V) Chân RESET là chân Reset vi điều khiển được nối với GNDqua một điện trở 10KΩ, chân này tương đương với nút Reset (7) trên Arduino Chân5V và chân 3.3V là các chân dùng để lấy nguồn ra, nên không được cấp nguồn vào cácchân này vì sẽ làm hỏng Arduino

Chân digital (5, 6): Arduino có 14 chân digital với chức năng input và output sửdụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển

Cũng trên 14 chân này còn có một số chức năng khác:

 Serial: Chân 0 (Rx), chân 1 (Tx), hai chân này để truyền (Tx) và nhận (Rx)

dữ liệu nối tiếp TTL Giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện

có chuẩn giao tiếp nối tiếp

 PWM (pulse width modulation): Các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên bo mạch cóđấu “~” là các chân PWM dùng để điều khiển tốc độ động cơ và độ sáng của đèn…

 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), các chân này hỗ trợ giaotiếp theo chuẩn SPI

 Chân Analog (4): Nhận các tín hiệu analog từ các thiết bị với độ phân giải 10bit Đặc biệt chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp giữa Arduino và các linhkiện có chuẩn giao tiếp I2C

Reset (7): Dùng để reset mạch Arduino

.4.2 Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tản Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ ruyên, ngônngữ này dự trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói Wiring là một biến thểcủa ngôn ngữ C/C++ còn gọi là ngôn ngữ Arduino Vì bắt nguồn từ C/C++ nên ngườidùng dễ dàng lập trình.

Hình 2.13: Phần mềm IDE lập trình Arduino

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm pháttriển dự án Arduino đã cung cấp đến người dùng một môi trường lập trình Arduinođược gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

.4.3 Một số ứng dụng của board mạch Arduino

Arduino được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển tự động Đơn giản như mạchcảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,…hoặc cao hơn là ứng dụngtrong các sản phẩm như: máy in 3D, robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái

Một hệ thống Arduino có thể cung cấp nhiều sự tương tác với môi trường xungquanh với:

 Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc,vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động,phát hiện kim loại, khí độc…)

 Các thiết bị hiển thị (đèn LED, màn hình LCD…)

 Các môđun chức năng hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kếtnơi không dây thông dụng (3G, GPRS, wifi, Bluetooth…)

.5 Môđun cảm biến ánh sáng và môđun L298

+ Hoạt động DC

32.52

AAA

Khi chân in1, in2, in3, in4 ở mức cao tương ứng với chân out1, out2, out3, out4

ở mức điện áp cao và ngược lại

Nguyên tắc điều khiển các cặp chân in1, in2 hoặc chân in3, in4 không cùng ởmức cao Khi tín hiệu điều khiển vào các chân in1, in2, in3, in4 thì động cơ vẫn chưahoạt động, động cơ chỉ hoạt động khi cấp tín hiệu mức cao cho chân ena hoặc enb

.6.2 Opto

Hình 2.17: Sơ đồ chân opto

Opto hay còn gọi là cách ly quang, là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led

và một photo diot hay một photo transitor Được sử dụng để cách ly giữa các khốichênh lệch nhau về điện áp hay công suất

Nguyên lý hoạt động: khi cho dòng điện kích đủ lớn vào chân 1 sẽ làm led phátsáng, ánh sáng sẽ kích photo diot hay photo transitor cho dòng điện đi qua, lúc nàydòng điện sẽ được dẫn từ chân sô 3 qua chân số 4 (hình 2.17)

.6.3 Công tắc hành trình

Hình 2.18: Công tắc hành trình

Công tắc hành trình là khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch, dùng ở lưới điện hạ

áp Nó tác dụng giống như nút ấn, động tác ấn bằng tay được thay thế bằng động tác

va chạm của các bộ phận cơ khí, làm cho quá trình chuyển động cơ khí thành tín hiệuđiện.

Công tắc hành trình dùng để đóng ngắt mạch điện điều khiển trong truyền động

tự động hóa, tùy thuộc vào vị trí cữ gạt ở các cơ cấu chuyển động cơ khí nhằm tự độngđiều khiển hành trình làm việc hay tự động ngắt điện ở cuối hành trình để đảm bảo antoàn

.6.4 Màn hình hiển thị LCD

Hình 2.19: Màn hình hiển thị LCD 16x2 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật LCD 16x2

1

D0 – D7: lệnhD0 – D7: dữliệu

01

Từ 1xuống 0

Vô hiệu hóaLCD

LCD hoạt động

ghi/đọc LCD

Dữliệu/lệnh

Động cơ điện một chiều cấu tạo gồm phần cảm (startor) và phần ứng (roto)

 Phần cảm (startor): Gồm lõi thép đúc bằng thép, vừa là mạch từ vừa là vỏmáy và các cực từ chính có dây quấn kích từ Dòng điện chạy qua dây quấn kích từ saocho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau

 Phần ứng (roto): Gồm các lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy

.7.2 Nguyên lý hoạt động

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanhdẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm roto quay, chiều củalực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Để làm roto quay liên tục và đúng chiều, môt bộ cổ góp điện sẽ làm chuyểnmạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với nữa chu kỳ

.7.3 Thông số kỹ thuật

Theo hình dạng ren của trục vít, bộ truyền trục vít được chia làm ba loại:

 Trục vít Archimede: Giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng chứa đường tâmtrục là đường thẳng Giao tuyến giữa mặt ren là mặt phẳng vuông góc đường tâm trục

là đường xoắn Archimede

 Trục vít Convolute: Giao tuyến giữa mặt ren và mặt thẳng vuông góc phươngren là đường thẳng Giao tuyến giữa mặt ren là mặt phẳng vông góc đường tâm trục làđương xoắn ConVolute.

 Trục vít thân khai: Giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng tiếp tuyến với mặttrụ cơ sở là đường thẳng Giao tuyến của mặt ren và mặt và mặt phẳng vuông gócđường tâm trục là đường xoắn thân khai

.8.3 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm: Tỷ số truyền lớn, làm việc êm, không ồn, có khả năng tự hãm, có độchính xác động học cao

Nhược điểm: Hiệu suất thấp, sinh nhiệt nhiều, vật liệu chế tạo bánh vít làmbằng kim loại màu để giảm ma sát nên đắt tiền

.8.4 Phạm vi sử dụng

Bộ truyền trục vít do có hiệu suất thấp (khoảng 70÷80%) nên chỉ sử dụng chophạm vi công suất bé và trung bình (P < 60kW) Do tỷ số truyền lớn nên bộ truyền trụcvít được sử dụng rỗng rãi trong các cơ cấu phân độ Vì khả năng tự hãm nên bộ truyềntrục vít được sử dụng khá phổ biến trong các máy nâng như cần trục, tời Tỷ số truyền

bộ truyền trục vít một cấp nằm trong khoảng từ 8÷63 có khi đến 80

.9 Bộ truyền vít me – đai ốc

.9.1 Công dụng

Bộ truyền vít me – đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren để biếnđổi chuyển động quay thành tịnh tiến

Hình 2.21: Vít me – đai ốc

.9.2 Phân loại

Theo công dụng bộ truyền vít me được phân loại:

 Vít tải: Sử dụng tạo lực dọc trục lớn Khi tải trọng thay đổi sử dụng ren hìnhthang, khi tải trọng tác dụng theo một chiều có giá trị lớn sử dụng ren hình răng cưa.Đai ốc vít tải liền khối

 Vít dẫn: Sử dụng để truyền chuyển động trong cơ cấu chạy dao Để giảm masát sử dụng ren nhiều mối Để khử khe hở do mòn ren đai ốc vít dẫn ta sử dụng đai ốcrời có miếng kim loại mỏng để điều chỉnh

 Vít điều chỉnh: Sử dụng để truyền chuyển động chính xác và điều chỉnh Sửdụng ren mét Để đảm bảo bộ truyền không có độ rơ người ta sử dụng đai ốc hai nữa.Trong cơ cấu chuyển động chính xác, điều quan trọng là ma sát nhỏ và không có khe

hở trong ren, người ta sử dụng bộ truyền vít me ma sát lăn Khi đó ma sát trượt đượcthay thế bằng các ma sát lăn và hiệu suất cao đến 0,95

Theo số mối ren ta phân ra ren một mối, hai mối, ba mối…, số mối ren càng lớnthì hiệu suất càng cao Số mối ren tương ứng với số vết cắt trong mặt cắt vuông gócvới trục vít

.9.3 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn và dễ chế tạo, khả năng tải lớn, độ tin cậycao, làm việc êm và không ồn, có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao

Nhược điểm: Do ma sát lớn nên ren mòn nhanh, hiệu suất thấp