ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN, ỨNG DỤNG CN TỰ ĐỘNG XÁC ĐỊNH VÙNG CỰC ĐẠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA THEO VỊ TRÍ ĐỊA LÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VI ỆN CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN

Đề tài

XÁC ĐỊNH VÙNG CỰC ĐẠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA

Sinh viên th ực hiện

Giáo viên hướng dẫn

Giáo viên duy ệt

HÀ NỘI, 6/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin mặt trời

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Hệ thống dùng cho một hộ gia đình trong một ngày: 700W Sử dụng tấm

NỘI DUNG THUYẾT MINH

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 3: Thiết kế hệ thống điện tử

KẾT LUẬN

BẢN VẼ

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

(ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

Giáo viên duyệt (ký tên)

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 6

MỤC LỤC HÌNH 8

MỤC LỤC BẢNG 11

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Đặt vấn đề 13

1.2 Mục tiêu của đề tài 13

1.3 Phạm vi nghiên cứu 14

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 14

1.5 Cơ sở lí thuyết của phương pháp bám mặt trời theo tọa độ địa lí 17

1.6 Tổng quan hệ thống 24

1.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 25

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 26

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí 26

2.2 Tính toán và lựa chọn công suất tấm pin 26

2.3 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí 28

2.4 Tính toán tỉ số truyền 30

2.5 Thiết kế trục 30

2.6 Các chi tiết cơ khí 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 39

3.1 Mạch cảm biến 40

3.2 Mạch so sánh 44

3.3 Mạch xử lý trung tâm 50

3.4 Mạch công suất cho động cơ bước 54

3.5 Động cơ 56

3.6 Mạch nguồn 59

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG 60

4.1 Nhiệm vụ công việc lập trình 60

4.2 Ngôn ngữ lập trình C cho STM32F103 62

4.3 Phần mềm lập trình Keil uVision5 67

4.4 Mạch và chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 72

4.5 Code chương trình 75

4.6 Hoạt động của hệ thống 77

4.7 Giao diện người dùng 78

4.8 Vận hành hệ thống 78

KẾT LUẬN 80

1 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn: 80

2 Định hướng phát triển: 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

M ỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt 15

Hình 1.2: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ 16

Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời 17

Hình 1.4: Sự thay đổi góc nghiêng trong năm 18

Hình 1.5: Góc nghiêng vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí 18

Hình 1.6: Góc nhập xạ 19

Hình 1.7: Góc nhập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa 20

Hình 1.8: Minh họa các góc được sử dụng trong công thức 21

Hình 1.9: Góc phương vị 23

Hình 1.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống 24

Hình 2.1: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 1 31

Hình 2.2: Biểu đồ momen trục 1 32

Hình 2.3: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 2 33

Hình 2.4: Biểu đồ momen tác dụng lên trục 2 33

Hình 2.5: Đế 35

Hình 2.6: Ốp trên 35

Hình 2.7: Giá đỡ 36

Hình 2.8: Trục đỡ khâu 2 36

Hình 2.9: Tấm ốp khâu 2 36

Hình 2.10: Bộ truyền trục vít - bánh vít 37

Hình 2.11: Bộ truyền bánh răng 37

Hình 2.12: Mô hình thiết kế 38

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 39

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện 40

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 40

Hình 3.4: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở 41

Hình 3.5: Nguyên lý xác định hướng mặt trời 41

Hình 3.6: 4 cảm biến đặt tại 4 cạnh của khối lăng trụ 41

Hình 3.7: Bóng của khối trụ theo góc nghiêng của mặt trời 42

Hình 3.8: Cấp điện cho cặp cảm biến trong mạch so sánh 42

Hình 3.9: Sơ đồ mạch cảm biến hoàn chỉnh 43

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 44

Hình 3.11: Các khoảng điện áp đầu vào 46

Hình 3.12: Mạch so sánh dùng 2 opamp 47

Hình 3.13: Cầu phân áp 47

Hình 3.14: Sơ đồ mạch nguyên lý 49

Hình 3.15: Mạch in mạch so sánh 49

Hình 3.16: Hình 3D mạch so sánh 50

Hình 3.17: Vi điều khiển STM32F103 51

Hình 3.18: Cấu hình STM32F103 52

Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch xử lý trung tâm 52

Hình 3.20: Buttons 52

Hình 3.21: Text LCD 53

Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 53

Hình 3.23: Bản vẽ mạch in mạch xử lý trung tâm 54

Hình 3.24: Cấu tạo và kí hiệu transistor lưỡng cực 55

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 55

Hình 3.26: Cấu tạo động cơ bước 56

Hình 3.27: Stepper Motor KH42JM2-912 57

Hình 3.28: Đồ thị quan hệ tốc độ - momen 58

Hình 3.29: Sơ đồ các cuộn dây 58

Hình 3.30: Nguồn 12V - 2A 59

Hình 3.31: Mạch ổn áp một chiều 5V 59

Hình 4.1: Phần mềm Keil C Uvision 5 67

Hình 4.2: Tạo project trong Keil C 68

Hình 4.3: Chọn chip 68

Hình 4.4: Cửa sổ project mới 69

Hình 4.5: Thêm file vào project 70

Hình 4.6: Cấu hình cho project 70

Hình 4.7: Nhập tần số thạch anh 71

Hình 4.8: Chọn đường dẫn thư viện 71

Hình 4.9: Viết chương trình trong phần mềm 72

Hình 4.10: Mạch nạp ST-LINK V2 72

Hình 4.11: Giao diện phần mềm 73

Hình 4.12: Giao diện cấu hình nạp chíp của ST Vitual Programmer 74

Hình 4.13: Giao diện 74

M ỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời 14

Bảng 2.1: Nhu cầu sử dụng điện mức trung bình của 1 hộ gia đình 26

Bảng 2.2: Thông số tấm pin mặt trời 28

Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật quan điện trở Cds NORP12 43

Bảng 3.2: Opamps lý tưởng và opamps thực tế 45

Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật IC LM358 46

Bảng 3.4: Xác định hướng từ cặp cảm biến đưa về 48

Bảng 3.5: Cấu hình STM32F103RCT6: 51

Bảng 3.6: Cấu hình động cơ bước 57

L ỜI NÓI ĐẦU

điện Bên cạnh đó nguồn năng lượng hóa thạch đang bị cạn kiệt, việc sử dụng chúng cũng gây ra sự ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính Bởi vậy, việc tìm ra và sử

trên Trái Đất Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng bức xạ mặt

c ứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt hệ thống pin mặt trời”

để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 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

lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai

Năng lượng Mặt Trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay

năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng

độ, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao, do đó sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong lĩnh vực đời sống và sản xuất

sang điện năng Pin năng lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng

nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu suất thu năng lượng của tấm pin

1.2 M ục tiêu của đề tài

ệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời

• Nhiệm vụ:

1.3 Ph ạm vi nghiên cứu

1.4 L ựa chọn phương án thiết kế

đặt trước

a So sánh gi ữa các phương pháp lắp đặt tấm pin

B ảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời

Hình 1.1: Bi ểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt

Đông – Tây, Nam – Bắc, liên tục xác định vị trí, hướng di chuyển của mặt

được phủ 1 lớp plastic trong suốt, bền với điều kiện môi trường bên ngoài

lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt Hệ thống định hướng mặt trời có hiệu

độ tin cậy và chi phí lắp đặt

b Phương pháp định hướng

tương tự (Hình 1.2)

- Hệ thống có định hướng

Hình 1.2: Chuy ển động quay theo 2 trục tọa độ

c Các phương án bám mặt trời

hình, thông thường gồm hai thiết bị truyền động ngược nhau và được thiết

Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm: Hiệu suất thấp, ngừng hoạt động ở nhiệt độ thấp

- Dùng camera

1.5 Cơ sở lí thuyết của phương pháp chuyển động bám mặt trời theo tọa độ địa lí

a S ự chuyển động của mặt trời

gian trong ngày, ngày trong năm Chuyển động biểu kiến này được thể hiện ở hình dưới đây

Hình 1.3: S ự chuyển động của mặt trời

được vào pin năng lượng mặt trời Khi tia sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề

địa điểm cụ thể (vĩ độ của điểm đó), thời gian trong ngày, thời gian trong năm

vậy, để xác định góc tới của mặt trời tới một vị trí cố định trên trái đất đòi hỏi có

vĩ độ, kinh độ, thời gian trong ngày và ngày trong năm

b Xích vĩ độ (declination angle)

Xích vĩ độ là vĩ độ mà tại đó mặt trời chiếu xuống vuông góc với mặt đất Xích vĩ độ được kí hiệu là δ, góc này thay đổi theo mùa do độ nghiêng của trục trái đất và do sự quay quanh mặt trời của nó Nếu trục quay của trái đất không

này thay đổi trong năm, cộng hoặc trừ đi giá trị này Chỉ có vào ngày xuân phân

góc nghiêng này được thể hiện ở hình dưới đây

Hình 1.4: S ự thay đổi xích vĩ độ trong năm

trong năm nhằm tính toán được góc nhập xạ của mặt trời trong ngày tương ứng

đó

Hình 1.5: Xích vĩ độ vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí

Xích vĩ độ có thể được tính theo công thức sau (theo [1]):



(1.1)

trong đó: d là số thứ tự ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1, d = 1

c Góc nh ập xạ (elevation angle)

Hình 1.6: Góc nh ập xạ

Hình 1.7: Góc nh ập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa

điểm, cũng như phụ thuộc vào xích vĩ độ đã nói ở mục b Sự hình thành góc nhập