Nâng cao hiệu năng của hệ thống Pin năng lượng mặt trời

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Nâng cao hiệu năng của hệ thống PIN năng
lượng Mặt Trời
Bùi Trung Ninh, Nghiêm Mạnh Cường
Khoa Điện tử Viễn thông,
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN
Email:
Dựa trên biểu đồ, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy
phần lớn điện năng trên thế giới được tạo ra từ các nhà
máy nhiệt điện, thông qua việc đốt cháy các nguyên liệu
như than đá, khí đốt, dầu…Tuy nhiên, phương án này
chỉ là tạm thời, do những nguồn tài nguyên này đang dần
bị cạn kiệt. Sự thay đổi nhỏ về nguồn cung, cũng tạo nên
một tác động lớn tới giá cả của lượng điện năng được
tạo ra. Bên cạnh đó, sự hoạt động của hệ thống nhiệt điện
tạo ra một một lượng khí thải vơ cùng lớn, gây ảnh
hưởng tiêu cực tới môi trường. Trong suốt thập kỷ qua,
tiêu dùng điện than đã tăng trưởng với tốc độ trung bình
hàng năm là 0,8%, đặc biệt tại các quốc gia trong khu
vực châu Á – Thái Bình Dương là 2,4%. Trong năm
2019, Việt Nam có tốc độ tăng trưởng điện than đặc biệt
cao, lên tới 30,2%. Theo báo cáo của Uỷ ban Liên chính
phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (IPCC), nếu
các nước thực hiện nghiêm túc lộ trình giảm 50% lượng
khí CO2 vào năm 2030, và xuống mức 0% đến năm
2050, thì mới có thể kiềm chế được mức tăng nhiệt độ
Trái Đất ở ngưỡng an toàn 1,5 độ C. Với hàng loạt con
số đáng báo động, con người đang rất gấp rút trong việc
tìm kiếm các phương án thay thế cho hệ thống nhiệt điện.
Điều này đã và đang đặt ra vô vàn những thách thức mới

cho nhân loại [1] [2].

Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo một hệ
thống Pin năng lượng Mặt trời có khả năng tự tính tốn
chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực và tọa độ,
luôn điều hướng được tấm Pin quay về hướng thu nhận
được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm bảo hiệu
suất sản sinh ra năng lượng điện tốt nhất. Các kết quả
khảo sát cho thấy hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều
hướng được cải thiện 33,6% so với tấm Pin khơng có hệ
thống điều hướng (cố định) và điện lượng cũng được cải
thiện 31,7 % trong khi nhiệt độ là khơng đổi. Ngồi ra, kết
quả thực nghiệm cũng cho thấy tấm Pin ln quay vng
góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện
thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn
định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của các tác nhân bên
ngoài.
Keywords- PIN, điện Mặt trời.

I. GIỚI THIỆU
Một trong những điều kiện tiên quyết đảm bảo sự
phát triển và duy trì sức mạnh về cơng nghệ, cơng
nghiệp, chính là việc cung cấp năng lượng hoạt động cho
tất cả những thiết bị điện tử, máy móc. Và năng lượng ở
đây, chính là điện năng. Thực tế đã chứng minh, số
lượng phát minh khoa học gia tăng tỉ lệ thuận với năng
lượng điện tiêu thụ. Để đáp ứng nhu cầu khổng lồ về
điện, các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và sử
dụng đa dạng các giải pháp như nhiệt điện, thủy điện,
điện hạt nhân, điện gió...[1].

Hình 2. Sự thay đổi về tỉ lệ khai thác điện năng từ các nguồn
tài nguyên, từ năm 1974 đến 2018 trên toàn cầu (IEA) [1]

Một trong những phương án thay thế nhiệt điện được
nhiều quốc gia lựa chọn chính là xây dựng các nhà máy
thuỷ điện. Thuỷ điện là một nguồn điện linh hoạt, vì số

Hình 1. Tỉ lệ điện năng được khai thác vào năm 2017 (IEA)
[1]

ISBN 978-604-80-5958-3

66


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

lượng các trạm có thể thay đổi rất nhanh để thích nghi
với nhu cầu năng lượng. Một ưu điểm nữa là turbine thuỷ
lực có thời gian khởi động ngắn hơn rất nhiều so với các
turbine khí hoặc nhà máy hơi nước. Và yếu tố tiên quyết,
tạo nên sự phát triển của nhà máy thuỷ điện, chính là
việc khơng tạo ra carbon dioxide. Song, việc xây dựng
các cơng trình thủy điện cũng gây ra một số hậu quả
nặng nề. Các hồ chứa lớn gắn liền với nhà máy thuỷ điện
truyền thống, dẫn đến việc các khu vực rộng lớn ở phía
thượng nguồn của các con đập thường bị ngập, thậm chí
phá huỷ các khu rừng thấp và hệ sinh thái ở các khu vực
đầm lầy, đồng cỏ. Bên cạnh việc ảnh hưởng tới môi

trường sống của động thực vật, thuỷ điện còn tác động
trực tiếp tới đời sống của những con người sống trong
khu vực đập. Việc di dời và tái định cư cho các hộ dân
luôn là vấn đề phức tạp tại bất kì quốc gia nào.

Hiện tại các hệ thống điện Mặt trời ở Việt Nam, cụ
thể là tại Ninh Thuận đều sử dụng cảm biến ánh sáng.
Với các bất cập kể trên, hệ thống chỉ có thể gia tăng được
lượng điện năng thêm 20% so với giá Pin cố định. Một
ví dụ khác là sản phẩm [4] có sử dụng cảm biến ánh sáng
điện quang trở để xác định vị trí Mặt trời, hoạt động theo
nguyên lý bám đuổi ánh sáng giống hoa hướng dương.
Hệ thống này chỉ có thể tăng hiệu suất lên trung bình
10%.
Trong bài báo này chúng tơi đề xuất thiết kế, chế tạo
một hệ thống Pin năng lượng mặt trời có khả năng tự
tính tốn chính xác vị trí của Mặt trời theo thời gian thực
và tọa độ, luôn điều hướng để tấm Pin quay về hướng
thu nhận được nhiều ánh sáng Mặt trời nhất, từ đó đảm
bảo hiệu suất sản sinh năng lượng điện. Từ kết quả khảo
sát, chúng tôi nhận thấy rằng tấm Pin luôn quay vng
góc chính xác với tia sáng Mặt trời trong bất kỳ điều kiện
thời tiết, tại bất cứ địa điểm nào, hệ thống hoạt động ổn
định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các tác nhân bên
ngoài. Hiệu suất và điện lượng được cải thiện đáng kể
trong khi nhiệt độ không thay đổi.

Với những bất cập kể trên, điện Mặt trời nổi lên như
một giải pháp với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang
được nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam phát

triển. Tuy nhiên, việc sử dụng tấm Pin Mặt trời cũng cần
phải đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật như phương chiếu
sáng của Mặt trời phải vng góc với bề mặt Pin, thì hiệu
suất mà tấm Pin đem lại mới đạt tối đa. Nhưng một sự
thật đặt ra ở đây, trong khi tấm Pin nằm yên, Trái đất lại
luôn chuyển động xoay quanh Mặt trời. Điều này đồng
nghĩa với việc góc giữa tia sáng và bề mặt tấm Pin ln
thay đổi. Do đó lượng điện sinh ra từ tấm Pin không
được ổn định, đem lại hiệu quả khai thác điện năng thấp,
đặc biệt vào thời điểm góc chiếu tới lớn. Điều này đặt ra
cho chúng ta câu hỏi, tại sao chúng ta không chế tạo một
hệ thống tự động điều hướng cho tấm Pin, nhằm đảm
bảo bề mặt tấm Pin ln được vng góc với phương
chiếu ánh sáng Mặt trời, từ đó tạo hiệu suất hoạt động
sinh điện cao nhất cho tấm Pin?

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong
phần II, chúng tơi phân tích lý thuyết mơ hình hệ thống.
Trong phần III, chúng tơi trình bày việc thiết kế, chế tạo
và các kết quả đạt được. Cuối cùng, chúng tôi kết luận
bài báo trong phần IV.
II.
1.

Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời dựa trên
khung thời gian được thiết lập sẵn dẫn tới việc tấm
Pin khơng thể quay hồn tồn chính xác về hướng
Mặt trời. Điều này xảy ra do tấm Pin chỉ quay theo
các góc quay được thiết lập cố định, nhưng thời gian
Mặt trời chiếu sáng và quỹ đạo di chuyển của Mặt

trời luôn thay đổi theo từng ngày, đặc biệt theo mùa.

-

Hệ thống điều hướng tấm Pin Mặt trời sử dụng cảm
biến ánh sáng có thể gặp phải nhiễu do các nguồn
sáng khác, khiến chúng hoạt động không chính xác,
ví dụ như tia chớp kéo dài, ánh sáng phản chiếu từ
các tấm kính tịa nhà, ánh đèn chiếu vào hay sai lệch
do bụi bẩn bám vào.

ISBN 978-604-80-5958-3

Hoạt động của PIN năng lượng Mặt trời

Điện Mặt trời, hay còn được gọi là quang điện hay
quang năng, là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật
biến đổi ánh sáng Mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ
Pin Mặt trời [5].

Hiện nay, có một số hệ thống tự động điều hướng
tấm Pin quay theo hướng ánh sáng Mặt trời đã được
nghiên cứu hoặc sản xuất [3]. Những thiết bị này thường
sử dụng cảm biến ánh sáng hoặc thiết lập lệnh điều khiển
cố định theo thời gian trong ngày để tấm Pin quay tương
đối theo hướng Mặt trời. Tuy nhiên với những thiết lập
trên, các hệ thống này thường gặp phải một số vấn đề
như:
-

PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT

Hệ thống điện Mặt trời hoạt động được là nhờ có các
tế bào quang điện. Kích thước của những tế bào này rất
đa dạng, một số thì nhỏ hơn cả một chiếc tem, số khác
lại có kích thước chiều ngang lên tới 12 cm. Những tế
bào quang điện được cấu tạo bởi vật liệu bán dẫn. Chúng
hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp, và có
tính dẫn điện ở nhiệt độ phịng. Để đáp ứng được những
tính chất này, chất bán dẫn được làm bằng silicon. Mặt
trên và mặt dưới của các tế bào thường có các điểm tiếp
xúc bằng kim loại, nơi mà dịng điện có thể chạy qua.
Mỗi tế bào có hai lớp silicon, loại N và P, với những tính
chất khác nhau. Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với
năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển
sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các
electron từ điện cực N và điện cực P cùng nhau tạo ra
điện trường. Các tế bào năng lượng Mặt trời sẽ trở thành
một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực N
đến điện cực P, không cho phép di chuyển ngược lại [5].
Để kích hoạt q trình này cần có năng lượng tiếp
xúc với các tế bào silicon. Và ánh sáng Mặt trời chính là
giải pháp. Ánh sáng này mang theo những hạt photon
với năng lượng rất lớn, có thể tiếp xúc với các tế bào

67


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

quang điện, từ đó nới lỏng các liên kết của các electron
ở điện cực N. Sự di chuyển của các electron tự do từ điện
cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện. Khi điện trường
được tạo ra, ta thu thập và chuyển hóa chúng thành dịng
điện có thể sử dụng. Một bộ biến tần được gắn với các
tế bào quang điện sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC)
thành dòng điện xoay chiều. Một tế bào quang điện chỉ
có thể tạo ra một lượng nhỏ điện năng. Chính vì vậy, để
đáp ứng những nhu cầu trong cuộc sống, những tế bào
này thường phải được liên kết với nhau, tạo thành
module, hay còn gọi là tấm Pin năng lượng Mặt trời.
Những tấm này thường có thể tạo ra lượng điện năng lên
tới vài trăm watt.

Trong bài báo [4] tác giả đã nghiên cứu, thiết kế hệ
thống điện mặt trời có cơ cấu định hướng theo vị trí Mặt
trời để thu được nhiều năng lượng. Tổng dịng tích lũy
trong một ngày của hệ thống đạt được cao hơn so với
thiết bị đối chứng từ 20-30%. Ngồi ra, việc sử dụng góc
quay thiết lập sẵn mà vị trí Mặt trời mỗi ngày là khác
nhau, nên góc quay được thiết lập sẵn sẽ khơng tối ưu.
2. Cách thức xác định vị trí của Mặt trời
Với sự ra đời của hệ thống vi điều khiển Arduino và
các phần cứng liên quan để điều khiển động cơ bước,
việc sản xuất tấm Pin năng lượng Mặt trời có khả năng
tự định hướng dựa trên những thiết bị này đã được rất
nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Có hai cách
cơ bản để hiện thực hóa ý tưởng này. Ở phương pháp
đầu tiên, người ta sử dụng cảm biến ánh sáng (thường
lên tới bốn chiếc trên một hệ thống) để xác định vị trí

Mặt trời bằng cách tìm kiếm nguồn sáng mạnh nhất. Sau
đó sử dụng hai động cơ bước để điều khiển hai trục quay,
hướng tấm Pin quay chính xác về phía Mặt trời. Tuy
nhiên, phương án này đòi hỏi việc thiết lập quản lý các
cảm biến ánh sáng phải thực sự hiệu quả. Hệ thống này
có thể dễ dàng xảy ra lỗi nếu có những nguồn sáng khác
thường xuất hiện vào thời điểm trời nhiều mây hoặc
đang mưa. Điều này đặt ra một bài toán mới cần được
giải quyết. Phương pháp thứ hai được xây dựng dựa trên
một nền tảng lý thuyết về vị trí của Mặt trời – cụ thể ở
đây là độ cao và góc phương vị - những yếu tố có thể
được tính tốn dựa trên các phương trình thiên văn nổi
tiếng. Để có thể triển khai được phương án này, địi hỏi
ta cần cung cấp cho hệ thống những thông số kinh độ và
vĩ độ chính xác (những yếu tố có thể dễ dàng tìm kiếm
thơng qua Internet) [6].
a) Tính ngày Julian
Nếu tháng > 2, thì y’ và m’ khơng thay đổi;
Nếu tháng ≤ 2, y’ = năm – 1, m’ = tháng +12
A = phần nguyên (y’/100);
B = 2 + A + phần nguyên (A/4)
Ngày Julian (phần nguyên) = phần nguyên
[365.25 * (y’ + 4716) + phần nguyên
(1)
[30.6001 * (m’ + 1)] + ngày + B – 1524.5

Hình 3. Cấu tạo tấm PIN Mặt trời [5]

Pin năng lượng Mặt trời hoạt động tối ưu khi tấm
Pin được đặt vng góc với phương chiếu của ánh sáng

Mặt trời. Vì lí do kể trên, những tấm này thường được
đặt trên những hệ thống “theo dõi”. Những hệ thống này
có thể xoay tấm Pin dọc theo hướng di chuyển của Mặt
trời, để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động hiệu quả nhất.
Tuy nhiên các hệ thống theo dõi vị trí Mặt trời hiện tại
thường sử dụng cảm biến ánh sáng để xác định phương
hướng. Điều này vơ hình chung gây ra một điểm bất lợi
cho hệ thống trong những ngày thời tiết xấu. Vào những
ngày mưa hoặc trời nhiều mây, các cảm biến ánh sáng
của hệ thống khó có thể xác định được chính xác vị trí
của Mặt trời. Chính vì vậy, trong bài báo này, sẽ nghiên
cứu phương án tối ưu để giải quyết được vấn đề tồn đọng
trên.
Trong bài báo [3] nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế
tạo thành cơng mơ hình hệ thống hướng sáng cho Pin
mặt trời. Dù đã có kết quả như mong đợi tuy nhiên vẫn
cịn khuyết điểm như sự sai lệch góc do nhiễu ở servo,
năng lượng thu vào quá thấp, hệ thống sử dụng cảm biến
điện quang trở, thiết kế cảm biến cho hệ thống đòi hỏi
việc thu nhận dữ liệu, độ mạnh yếu, hướng sáng của cảm
biến. Do đó phải sử dụng 4 cảm biến điện quang trở đặt
tách biệt và thu về những dữ liệu tách biệt để so sánh.
Điều này gây ra sự phức tạp cho hệ thống, vì càng nhiều
cảm biến đồng nghĩa với việc càng nhiều nhiễu có thể
xảy ra. Bên cạnh đó, như đã trình bày ở trên, việc sử
dụng cảm biến có thể gây ra nhiều trở ngại do tình hình
thời tiết, cũng như bụi bẩn bám trên bề mặt. Động cơ của
hệ thống này khá yếu, chỉ có thể quay được những tấm
Pin nhỏ. Khơng có hệ thống thống kê để đánh giá hiệu
suất hoạt động.

ISBN 978-604-80-5958-3

Ngày Julian (phần thập phân) = (giờ +
(2)
phút/60 + giây/3600)/24 – 0.5
b) Tính tốn vị trí Mặt trời
Phần này sẽ xác định vị trí của Mặt trời trong hệ tọa
độ hồng đạo trước, sau đó sẽ chuyển đổi thành vị trí tọa
độ theo phương xích đạo của Trái đất, thơng qua kinh
tuyến Greenwich [7, 8].
T là số thế kỷ Julian (36525 ngày) kể từ 12:00:00 UT,
ngày 1/1/2000.
T = (Ngày Julian – 2451545)/36525

(3)

Kinh độ Mặt trời (đơn vị: độ)
L0 = 280.46645 + 36000.76983 * T +
0.0003032 * T2

68

(4)


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Điểm dị thường trung bình của Mặt trời (góc giữa
các đường vẽ từ Mặt trời đến điểm cận nhật B và đến

một điểm chuyển dộng trên quỹ đạo với tốc độ đều
tương ứng với chu kỳ quay của hành tinh).
M = 357.5291 + 35999.0503 * T 0.0001559 * T2 - 0.00000048*T3

III.
1.

(5)

(6)

Phương trình tâm Mặt trời C (đơn vị: độ)
C = (1.9146 - 0.004847 * T - 0.000014 *
T2) * sin(M) + (0.019993 - 0.000101 * T)
•sin(2 * M) + 0.00029 * sin(3 * M)

(7)

Kinh độ thực của Mặt trời (đơn vị: độ)
Ltrue = C + L0

(8)

Điểm dị thường trung bình chính xác của Mặt trời
(đơn vị: độ)
f=M+C

Thiết kế, chế tạo hệ thống

Trong phần này, chúng tôi thiết kế và xây dựng hệ

thống mạch điều hướng cho tấm Pin sử dụng bộ vi điều
khiển Arduino NANO, mô đun thời gian thực DS1307,
động cơ bước NEMA17, điều khiển động cơ bước
Driver TMC2208. Wemos D1 Mini Pro được sử dụng
trong hệ thống với chức năng nhận dữ liệu đo nhiệt độ
của Pin năng lượng Mặt trời, hiệu điện thế và cường độ
dòng điện đi từ Pin qua mạch sạc; kết nối với server qua
giao thức kết nối khơng dây; chuyển tồn bộ dữ liệu tới
server để người dùng có thể truy cập và quản lý thơng
tin từ xa qua các thiết bị kết nối Internet. Bộ INA219 để
đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế đi từ Pin năng
lượng Mặt trời qua mạch sạc, sau đó gửi dữ liệu về
Wemos D1 Mini Pro qua giao tiếp I2C. DS18B20 được
sử dụng trong hệ thống với chức năng đo nhiệt độ của
tấm Pin năng lượng Mặt trời để gửi về Wemos D1 Mini
Pro nhằm kiểm soát nhiệt độ Pin, đảm bảo tuổi thọ hoạt
động của tấm Pin (Hình 4 và 5).

Độ lệch tâm của quỹ đạo Trái đất:
e = 0.016708617 - 0.000042037 * T 0.0000001236 * T2

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KẾT QUẢ

(9)

Khoảng cách từ Mặt trời tới Trái đất
R = 1.000001018 * (1 – e2)/ [1 + e*cos(f)]

(10)

Góc giờ Greenwich (đơn vị: độ)
280.46061837 + 360.98564736629 * (ngày
Julian - 2451545) + 0.000387933 * T2 –
T3/38710000

(11)

Độ nghiêng của đường xích đạo (đơn vị: độ)
23 + 26/60 + 21.448/3600 - 46.815/3600 *
T – (0.00059/3600) * T2 + (0.001813/3600)
* T3

Hình 4. Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch điều hướng

(12)

Xích kinh độ:
tan-1 [(sin(Ltrue) * cos(độ nghiêng đường
xích đạo)/cos(Ltrue)]

(13)

Độ nghiêng:
sin-1[sin(độ nghiêng đường xích đạo)
*sin(Ltrue)]

(14)

Góc giờ:
Góc giờ Greenwich + L0 – Xích kinh độ

Hình 5. Sơ đồ mạch điều hướng sau khi lắp đặt

(15)

Góc phương vị của Mặt trời
tan-1 {sin(góc giờ)/[cos(góc giờ) * sin(L0) –
tan(độ nghiêng) * cos(L0)]}

(16)

Độ cao của Mặt trời
sin-1[sin(L0)*sin(độ nghiêng) + cos(L0) •
(cos(độ nghiêng) *cos(góc giờ)]

ISBN 978-604-80-5958-3

Hình 6. Sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ

(17)

Hình 6 trình bày sơ đồ tín hiệu điều khiển động cơ,
hệ thống được hoạt động dựa trên các thông tin về thời

69


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

gian, toạ độ được nhập vào và chuyển tiếp tới hệ thống

xử lý trung tâm, từ đó đưa ra những quyết định điều
hướng tấm Pin năng lượng Mặt trời. Thông tin về thời
gian sẽ luôn được lưu trữ trong DS1307, kể cả trong
trường hợp không được cấp nguồn (thời gian lên tới 2
năm) [9]. Hệ thống cũng sử dụng các module endstop
quang để xác định điểm gốc. Trước khi bật hệ thống,
module này được thiết lập quay về hướng Bắc. Khi được
khởi động, hai động cơ sẽ tự động đưa tấm Pin đến
endstop để xác định vị trí điểm gốc.

Hình 9 và 10 mô tả thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển
cho hệ thống. Hình 11 là hệ thống Pin hồn chỉnh sau
thiết kế, chế tạo. Thiết bị được gia cố bằng khung nhơm
chắc chắn, nhằm đảm bảo có thể chịu được sức nặng của
tấm Pin cũng như hệ thống điều hướng. Hệ thống được
dẫn động thơng qua dây curoa, từ đó có thể đảm bảo sự
ổn định về mặt tốc độ khi thay đổi phương hướng của
tấm Pin, tránh trường hợp bị văng theo phương không
mong muốn do tốc độ quá lớn.

Hình 7. Sơ đồ kết nối các linh kiện của mạch thống kê
Hình 10. Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống

Hình 8. Mạch thống kê sau khi chế tạo thành công

Để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hướng và
thống kê hiệu suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ
và thời gian thực, chúng tôi chế tạo mạch thống kê, bao
gồm một cụm các cảm biến điện áp, dòng điện, nhiệt độ,
vi điều khiển có khả năng kết nối Internet (khơng dây

hoặc có dây), từ đó gửi dữ liệu đo được về máy tính hoặc
điện thoại, thơng qua server Blynk. Bên cạnh đó, các
thơng số này cịn được hiển thị trên màn hình OLED của
hệ thống (Hình 7 và 8).

Hình 11. Hệ thống Pin hoàn chỉnh sau chế tạo

2.

Thử nghiệm được tiến hành trong thời gian 48 giờ
liên tục (vào thời điểm mùa xuân, ít nắng) để xem xét và
đánh giá hiệu năng của hệ thống. Để đánh giá hiệu năng
của “hệ thống điều hướng và thống kê hiệu suất của Pin
năng lượng Mặt trời theo tọa độ và thời gian thực”,
chúng tôi đã sử dụng mạch thống kê có chức năng đo
cường độ dòng điện, hiệu điện thế từ Pin năng lượng Mặt
trời chuyển tới mạch sạc, từ đó tính ra cơng suất, số điện
năng Wh thu được từ ánh sáng Mặt trời. Bên cạnh đó, ta
cịn thu thập được thơng tin về nhiệt độ của hệ thống.
Dựa vào đó, có thể đưa ra những tính tốn phù hợp để
duy trì tuổi thọ của thiết bị.
Tất cả các thông số trên được hiển thị trên màn hình
OLED đặt trên mạch, đồng thời gửi qua server Blynk.
Chúng ta có thể dễ dàng truy cập những dữ liệu này

Hình 9. Thiết kế cơ cấu cơ học điều khiển của hệ thống

ISBN 978-604-80-5958-3

Kết quả

70


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

thông qua các thiết bị có kết nối với Internet, như điện
thoại, máy tính, máy tính bảng… Đặc biệt thơng số điện
năng được thống kê dưới dạng biểu đồ thời gian.

lớn hơn 30% so với tấm Pin cố định (khơng có hệ thống
điều hướng). Số liệu này dựa theo hiệu suất trung bình
trong khoảng thời gian thử nghiệm và hồn tồn có thể
thay đổi phụ thuộc vào các thời điểm trong năm, với các
số giờ có nắng khác nhau theo mùa. Từ những cải thiện
đáng kể về hiệu suất, cùng với chi phí sản xuất thấp, hệ
thống hồn tồn có thể được cân nhắc để tiến hành đưa
vào sản xuất và sử dụng đại trà.
IV.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế và chế
tạo thành công Hệ thống điều hướng và thống kê hiệu
suất Pin năng lượng Mặt trời theo toạ độ và thời gian
thực, giải quyết được các vấn đề tồn đọng của các hệ
thống Pin năng lượng Mặt trời hiện hành như: Tấm Pin
ln quay vng góc chính xác với tia sáng Mặt trời
trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào; hệ thống không sử
dụng cảm biến để điều khiển nên hoạt động ổn định,

khơng bị nhiễu; có thể đặt bất cứ vị trí nào trên Trái đất,
tấm Pin vẫn ln đảm bảo quay vng góc chính xác với
hướng ánh sáng Mặt trời chiếu tới do hệ thống sử dụng
dữ liệu thời gian thực và tọa độ của vị trí đặt hệ thống để
tính tốn vị trí của Mặt trời. Các kết quả khảo sát cho
thấy việc sử dụng hệ thống điều hướng và thống kê hiệu
suất Pin năng lượng Mặt trời theo dữ liệu tọa độ và thời
gian thực giúp tăng hiệu suất lên tới 30% so với việc lắp
đặt Pin mặt trời theo một hướng cố định như cách truyền
thống. Với thiết kế gọn gàng, chắc chắn, sản phẩm có
thể được ứng dụng rộng rãi bởi khả năng di động cao
cùng hiệu suất mang đến vượt trội, giá thành không quá
cao so với việc lắp đặt truyền thống nếu được sử dụng
với số lượng lớn.

Hình 12. Hiệu suất tấm Pin có hệ thống điều hướng

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]

Hình 13. Hiệu suất tấm Pin cố định (khơng có điều hướng)

[4]

Bảng 1. So sánh hiệu năng giữa tấm Pin cố định và tấm
Pin có hệ thống điều hướng

[5]

Đại lượng

Tấm
Pin cố
định

Tấm Pin có
điều hướng

Tỉ lệ tăng hiệu
suất

[6]
[7]

Cơng suất
Wh

586.32

783.54

33.63%

[8]

28.454

37.446

31,6%

[9]

Điện tích
Ah

Theo như kết quả thống kê và dữ liệu trên Hình 12,
13, với hệ thống điều hướng, lượng điện năng thu được

ISBN 978-604-80-5958-3

71

VietinBank, “Báo cáo cập nhật Ngành điện”, VietinBank
Securities, 2019.
Wikipedia, Thermal Power Station.
Trần Văn Trưởng , Lê Văn Sơn, Bùi Như Phong, “Hệ thống
hướng sáng PIN Mặt trời”, Tạp san sinh viên nghiên cứu khoa
học số 9, 2019, Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội.
Lý Ngọc Thắng, Viện Năng lượng, Bộ Công Thương, “Nghiên
cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí Mặt trời nhằm
nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị dùng năng lượng Mặt
trời”.
Richard Hantula, “How do Solar panels work”, Infobase
Publishing, U.S.A, 2010, pp 14 – 17.
Jean Meeus, “Astronomical Algorithm”, Willman-Bell Inc,
1998.
David Brooks,“Arduino Uno and Solar Position Calculations”,

Institute for Earth Science Research and Education, 2015.
Roderick, M L., Methods for calculating solar position and day
length including computer programs and subroutines.
Department of Primary Industries and Regional Development,
Western Australia, Perth. Report 137, 1992.
TS. Nguyễn Tất Bảo Thiện, KS. Phạm Quang Huy, “Arduino
và lập trình IoT”, NXB Thanh Niên, 2020.