Mô hình pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

Điều này dẫn đến cho chúng ta một lựa chọn rất hứa hẹn, đó là sử dụng năng lượng mặt trời hay còn gọi là năng lượng quang điện.. Quang điện là sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện,

1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển không ngừng của công nghiệp, nhu cầu về năng lượng là vấn

đề cần thiết hơn bao giờ hết Sử dụng năng lượng truyền thống (nhiên liệu hóa thạch) mang theo những vấn đề về ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt năng lượng khi con người khai thác quá nhiều

Sử dụng điện thay thế năng lượng hóa thạch dù đã được chấp nhận như một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường nhưng không phải lúc nào cũng đúng Vì điện không chỉ đến từ các nguồn “sạch” như điện gió, điện mặt trời mà còn đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, hay thủy điện cũng gây nguy hại đến môi trường khi kéo theo những vấn đề về chặt phá rừng

Điện “sạch” như điện gió lại chỉ phù hợp với các nước tiên tiến, phát triển khi có chi phí lắp đặt ban đầu cực kỳ lớn và có nguồn năng lượng từ gió dồi dào (không phù hợp với các quốc gia như Việt Nam) Điều này dẫn đến cho chúng ta một lựa chọn rất hứa hẹn, đó là sử dụng năng lượng mặt trời (hay còn gọi là năng lượng quang điện)

Quang điện là sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện, nguồn năng lượng ánh sáng dồi dào nhất mà chúng ta có chính là năng lượng mặt trời Những tiến bộ về khoa học – công nghệ trong những năm gần đây đã làm giảm chi phí sản xuất cũng như thúc đấy việc sử dụng năng lượng mặt trời

2 Sơ lược về mô hình.

Thiết kế mô hình theo nguyên mẫu thu nhỏ của hệ thống pin mặt trời tự xoay, hoạt động theo dõi, xoay theo hướng mặt trời với 2 trục động cơ, dựa vào cảm biến ánh sáng Các tấm pin mặt trời nhờ được liên tục quay về phía mặt trời nên càng tích trữ được nhiều, tối ưu hóa được năng lượng

Phương pháp thiết kế.

Phân loại dựa trên số trục của máy: trục đơn (single axis tracker) và trục kép (dual axis tracker)

Loại máy dùng trục đơn chủ yếu theo dõi hướng mọc – lặn của mặt trời (Đông – tây), trong khi máy dùng trục kép có khả năng theo dõi mọi hướng của chuyển động mặt trời một cách chính xác

Việc theo dõi mặt trời dựa trên những cảm biến ánh sáng, các cảm biến được đặt trên những tấm pin mặt trời Sự thay đổi điện trở của những cảm biến (quang trở)

sẽ tạo nên sự quay/nghỉ của những động cơ, phục vụ cho việc theo dõi hướng đi của mặt trời

Chúng em chọn mô hình này với mạch dùng trục kép, khi có cả trục ngang và trục dọc sẽ theo dõi chính xác hướng đi của mặt trời

Mô hình pin mặt trời tự xoay với 2 trục (dual-axis solar tracker)

Mô hình được thiết kế bao gồm những bộ phận chính: Cảm biến, mạch nguồn, mạch so sánh và điều hòa tín hiệu và mạch điều khiến động cơ cùng 2 động cơ

b Cảm biến ánh sáng (Quang trở)

- Sử dụng quang trở CDS 5537 làm cảm biến ánh sáng

- Nguyên lý hoạt động: Quang trở giảm dần điện trở khi có ánh sáng chiếu vào, tiến dần về giá trị cực tiểu khi cường độ ánh sáng càng mạnh

- Bảng khảo sát giá trị quang trở

STT Hấp thụ ánh sáng (Ω) Cường độ ánh sáng mạnh (Ω)

6 15954 2201

c Mạch nguồn

Mạch nguồn cấp điện bao gồm nguồn là Pin DC 9V cung cấp nguồn năng lượng chính cho mạch so sánh và điều hòa tín hiệu, bộ điều chỉnh điện áp và mạch cầu

diode, tụ hóa (Ở đây sử dụng Module LM 7805)

- Là mạch tích hợp ổn áp tuyến tính cố định (mạch nguồn ổn áp), bao gồm:

Tụ hóa 470 microFara Lọc dòng điện (lọc nguồn vào)

 Tính toán

- C1 = 100 10 -6 F, theo đề xuất trong datasheet

- C2 được tính theo công thức:

Với:

 Vmax = Vin√2 = 12√2 (V)

 ΔVf = 12√2 – 7 (V)

 f p = 2×50 = 100 Hz

 R L = 4 Ohm (ước tính, xấp xỉ)

 C2 = 420 10 -6 F (xấp xỉ)

 Chọn linh kiện C2 = 470 10 -6 F

Tụ hóa 100 microFara

Mạch chỉnh lưu cầu diode

(sử dụng diode 1N4007) Sử dụng diode bán dẫn, có chức năng nắncả chu kỳ, sau khi đi vào mạch cầu thì dòng

đi ra ổn định, tránh được nhiễu, ù

output), có tác dụng hạ áp dòng điện từ nguồn lớn hơn xuống 5V

- Module LM7805 có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1

chiều, dòng điện được đưa qua mạch chỉnh lưu cầu để chống nhiễu, ù với diode

1N4007 (có độ chỉnh lưu thấp, hiệu điện thế đầu ra nhấp nhô) nên phải sử dụng

tụ hóa để lọc dòng điện, dòng điện sau khi lọc bởi tụ hóa giảm nhấp nhô và ổn

định hơn, sau đó dòng được đưa qua IC ổn áp LM7805 để hạ áp (mặc dù dùng

diode Zener có ưu điểm là đơn giản, nhưng dòng cho ra ngoài chỉ có 20mA),

Dòng điện của LM7805 thích hợp chạy motor DC, đèn dây tóc, nạp acquy, …

d Mạch so sánh và điều hòa tín hiệu

IC 4558

Schematics Diagram of IC 4558

Để so sánh 8 quang điện trở, ta sử dụng 2 bộ khuếch đại tín hiệu (OP-AMP) IC

4558 (Operational Dual Amplifier).

IC 4558 hoạt động với nguyên tắc đưa ra điện áp đối chiếu để so sánh giữa điện áp của mỗi quang trở với nhau

Mỗi IC 4558 làm nhiệm vụ so sánh 4 quang điện trở

+ Nếu V1 > V2 => logic 1 (high)

+ Nếu V1 < V2 => logic 0 (low)

IC 4558 có 8 chân, Chân 8 nối vào cực dương, chân 4 nối vào cực âm

e Mạch điều khiển động cơ

 Động cơ quay:

- V in max: DC 3V-6V

- V không tải

+ DC 3V: 150mA 90RPM+-10RPM

+ DC 6V: 200mA 200RPM+- 10RPM

- Dòng không tải: 70mA

(250mA max)

 Module điều khiển động cơ L298N

- Để nhận tín hiệu và điều khiển 2 động cơ, trong mô hình sử dụng module điều khiển động cơ L298N

Sơ đồ và ảnh mạch điều khiển động cơ – module L298N

Thông số kỹ thuật

- Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

- Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V

- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A

- Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V

~ +7 V

- Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36Ma

- Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt

độ T = 75 °C)

- Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130

Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu được đưa vào từ Mạch so sánh và điều hòa tín hiệu , đi tới các chân IN 1,

IN 2, IN3, IN4 được nối vào 2 cặp chân tín hiệu (1 chân cao, 1 chân thấp), sau khi

tín hiệu được lọc qua tụ , IC ổn áp 78M05, dòng điện được đưa đến IC điều khiển

động cơ IC L298N rồi một lần nữa đi qua mạch cầu diode (mạch cầu H) để đi tới đầu

ra OUT 1,2,3,4

+ bằng nhau: dừng quay

+ chênh lệch điện áp: quay (nếu chênh lệch ngược lại thì quay ngược lại)

ENA, ENB:

+ khi cắm vào: cung cấp xung PWM (mã hóa thông điệp thành một tín hiệu xung) + Khi rút ra: dùng để điều khiển tốc độ của động cơ

Thiết kế mạch

a Thiết kế mạch logic

Từ sơ đồ, chúng ta phải chọn được linh kiện sử dụng cho mạch này Để đọc điều kiện ánh sáng môi trường, ta sử dụng quang trở CDS 5537 Quang trở này có thể

có điện trở tối đa khoảng 2 triệu Ohm, giảm xuống còn 16k Ohm – 50k Ohm khi hấp thụ ánh sáng, và khi cường độ ánh sáng mạnh hơn nó còn có thể giảm xuống 1k – 5k Ohm Và thực tế không phải quang trở nào cũng có giá trị như nhau, nên chúng ta phải khảo sát 1 cơ số quang trở nhất định

Điều kiện ánh

sáng

mạch

Mạch so

 IC4558:

- Để thu được tín hiệu logic, IC 4558 được dùng làm thành phần chính của mạch

so sánh

 Khi “V+” dương hơn “V-” Điện áp ra Vo sẽ đạt giá trị “high”

+VCC (= “V-” âm hơn “V+”).

 Khi “V-” dương hơn “V+” Điện áp ra sẽ đạt giá trị “low” –VCC

(= “V+” âm hơn “V-”).

Dựa trên các đặc điểm của IC, thiết kế mạch cảm biến ánh sáng:

R1, R2 là quang trở

- Nếu PR1 được chiếu sáng hơn PR2, điện áp ra của OPAMP là -Vsat

- Nếu PR1 được chiếu sáng hơn PR2, điện áp ra của OPAMP là +Vsat

- Nếu PR1 và PR2 cùng tối hoặc cùng sáng “như nhau” thì điện áp ra của

OPAMP bằng 0V

- => động cơ không hoạt động.

, ,

,

Tính toán (trích bài giảng của TS Nguyễn Cảnh Quang):

Áp dụng công thức, tính toán được điện trở, và thiết kế được sơ đồ mạch:

L298 là một mạch nguyên khối tích hợp trong Multiwatt và PowerSO20 15 đầu Nó

là một trình điều khiển toàn cầu kép điện áp cao, hiện tại được thiết kế để chấp nhận các mức logic TTL tiêu chuẩn và điều khiển các tải cảm ứng như rơle, solenoids, DC

và động cơ bước Hai đầu vào kích hoạt được cung cấp để bật hoặc tắt thiết bị một cách độc lập với các tín hiệu đầu vào Mỗi cầu được kết nối với nhau và thiết bị đầu cuối bên ngoài tương ứng có thể được sử dụng để kết nối với một điện trở cảm biến bên ngoài Một đầu vào cung cấp bổ sung được cung cấp để tín hiệu logic hoạt động

ở điện áp thấp hơn

 Kết nối DC motor với Module L298N

Sơ đồ khối, kết nối động cơ DC với Module L298N

Điện áp ra

của mạch so

sánh

L298N IN1 IN2 ENA

DC Motor 1

Điện áp ra

của mạch so

sánh

L298N

IN3 IN4 ENB

DC Motor 2

- 2 điện trở có giá trị 1k2 được thêm vào với chức năng chống nhiễu.

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết quả:

- Lắp được mạch theo sơ đồ với các linh kiện như đã nêu

- Mạch chạy được, cảm biến ánh sáng có hoạt động

- Do đây là mô hình dựa theo nguyên mẫu nên không tránh khỏi mặt hạn chế.

Sau đây là những hạn chế chưa được khắc phục:

+ Chưa lắp ráp được mạch in (PCB), chỉ mới dùng mạch mô phỏng do chưa đủ kinh nghiệm, kiến thức và vật liệu, chi phí,… dẫn đến việc mô hình chưa hoàn chỉnh

+ Mô hình chưa thật sự “nhạy” và ổn định do sai số trong quá trình tính toán và chọn linh kiện, có những linh kiện không phù hợp phải thay bằng linh kiện khác có giá trị tương đối

+ Nguồn cấp cho hệ thống còn sử dụng Pin AA (thực tế: Sử dụng năng lượng mặt trời từ pin mặt trời lấy trực tiếp từ hệ thống)

Hướng phát triển của đề tài:

- Đây là mô hình nguyên mẫu của một hệ thống đã được ứng dụng trên những

quốc gia có ngành công nghiệp pin mặt trời phát triển

- Khi có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm thiết kế, mô hình có tiềm năng phát

triển với giá thành rẻ hơn những thiết bị đã có

Phụ lục: Một số mô hình ảnh pin mặt trời tự xoay ứng dụng.

Phụ lục: Bảng phân chia công việc

ST

T

1 Tìm hiểu, thiết kế mạch nguồn Trần Anh Dũng

2 Tìm hiểu về cảm biến ánh sáng Đặng Quốc Dũng

3 Tìm hiểu về mạch điều khiển động cơ Tạ Hữu Quang Duy

4 Tìm hiểu về mạch so sánh và điều hòa tín hiệu Nguyễn Thế Sỹ

5 Tính toán và thiết kế mạch Trần Anh Dũng,

Nguyễn Thế Sỹ

6 Lập sơ đồ khối, vẽ sơ đồ mạch hoàn chỉnh Trần Anh Dũng

Tạ Hữu Quang Duy

Đặng Quốc Dũng

Đặng Quốc Dũng, Nguyễn Thế Sỹ,

Tạ Hữu Quang Duy

- Altium Designer

- Adobe Photoshop CS7

- Microsoft Word

- Microsoft Power Point Presentation

Phụ lục: Tài liệu tham khảo

- ALLDATASHEET.COM

- Bài giảng của TS Nguyễn Cảnh Quang