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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CỬ NHÂN CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN, 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

Sinh viên thực hiện
NGUYỄN ĐĂNG HÀ CN-CĐT 2 K55
Giáo viên hướng dẫn
TS. ĐẶNG THÁI VIỆT
Giáo viên duyệt

HÀ NỘI, 6/2015
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ tên:
Viện:
Ngành:
Lớp:

NGUYỄN ĐĂNG HÀ
CƠ KHÍ
CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ
CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ 2 – K55

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
pin công suất 200W.
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
Chương 4: Lập trình điều khiển và giao diện người dùng
KẾT LUẬN

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BẢN VẼ
Tên bản vẽ
Bản vẽ lắp ghép cơ khí
Bản vẽ các chi tiết cơ khí
Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống
Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn
Bản vẽ sơ đồ mạch điện hệ thống
Tổng số bản vẽ

TRƯỞNG BỘ MÔN
(ký, ghi rõ họ tên)

Số lượng
01
01
01
01
01

Kích thước
A0
A0
A0
A0
A0

05

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(ký, ghi rõ họ tên)

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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:

.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Ngày

tháng

năm 201

Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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:

.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Ngày

tháng

năm 201

Giáo viên duyệt (ký tên)

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC 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
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC 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
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC 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

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam là thủy điện và nhiệt
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
dụng các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng sạch là rất cần thiết.
Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, 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, sử
dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất khả thi.
Với 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 em đã thực hiện đề tài: “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 hệ thống pin 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.
Em xin chân thành cảm ơn:
Thầy hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt
Thầy phản biện:
Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn máy và ma sát học đã tận tình chỉ bảo

để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Hà nội, ngày 4 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đăng Hà

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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
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.
Năng lượng Mặt Trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay
thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo,
thân thiện với môi trường. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện
nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi
trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin
mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt
năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng
nhiệt năng.
Tại Việt Nam, với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt
trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, tính chất phân vùng theo vĩ
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.
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.
Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất giải pháp đưa ra là
thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời theo hệ vĩ độ của
từng địa phương, từ hệ thống vĩ độ của từng địa phương, ta có được góc nhập xạ
của mặt trời theo từng ngày, từ đó có thể đảm bảo tấm pin mặt trời luôn vuông
góc với tia sáng, nhằm đạt được hiệu suất là lớn nhất.
1.2. Mục tiêu của đề tài
• Giải quyết vấn đề của hệ thống cũ, phát triển thêm tính năng để nâng cao
hiệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• Nhiệm vụ:
- Giải quyết nhược điểm của hệ thống bám mặt trời bằng cảm biến.
- Bổ sung khả năng chuyển chế độ linh hoạt theo từng điều kiện thời tiết.
- Kiểm nhiệm độ chính xác của hệ thống.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định hướng pin mặt trời nhưng do điều
kiện thời gian, kinh phí có hạn, đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:
• Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời để có thể phát triển, áp
dụng rộng rãi vào thực tiễn.

• Sử dụng hệ thống cảm biến trong nhận biết phương hướng mặt trời, bám
theo vùng cực đại năng lượng mặt trời.
• Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ
thống.
• Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước.
1.4. Lựa chọn phương án thiết kế
Theo [1], em đưa ra các đặc điểm sau đây để xem xét lựa chọn hệ thống:
• Một trục chuyển động hoặc hai trục chuyển động.
• Có/Không sử dụng thiết bị cảm biến quang.
• Tự cung cấp năng lượng hoặc dùng nguồn ngoài.
• Bám theo vùng cực đại năng lượng mặt trời hay là di chuyển theo lịch trình
đặt trước.
• Điều khiển liên tục hay ngắt quãng.
• Hoạt động cả năm hay loại trừ mùa đông.
a. So sánh giữa các phương pháp lắp đặt tấm pin
Đặt cố định

Xoay theo 1 trục

Xoay theo 2 trục

Hiệu suất

Thấp

Trung bình

Cao

Độ tin cậy

Cao

Cao

Cao

Chi phí

Cao

Trung bình

Thấp

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

• Hiệu suất: Do tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt
trời nên lượng ánh sáng mà tấm pin thu được là nhiều nhất đồng nghĩa với
việc lượng điện năng sản sinh ra là lớn nhất.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Hệ thống đặt
cố định
- Hệ thống có

định hướng

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

• Độ tin cậy: hệ thống định hướng nhờ các cảm biến đặt tại bốn phương
Đông – Tây, Nam – Bắc, liên tục xác định vị trí, hướng di chuyển của mặt
trời, điều khiển tấm pin luôn vuông góc với các tia nắng. Các cảm biến
được phủ 1 lớp plastic trong suốt, bền với điều kiện môi trường bên ngoài.
Do vậy, hệ thống làm việc rất tin cây.
• Chi phí: giá thành của một hệ thống pin mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào số
lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt. Hệ thống định hướng mặt trời có hiệu
suất cao nên sẽ giảm số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt so với các hệ
thống khác nếu cùng công suất. Do đó, chi phí hệ thống giảm.
• Từ những phân tích trên, ta thấy rằng một hệ thống định hướng mặt trời
xoay theo hai trục ưu việt hơn so với các phương pháp khác về hiệu suất,
độ tin cậy và chi phí lắp đặt.
b. Phương pháp định hướng
Có hai phương pháp khả thi cho việc điều khiển chuyển động. Phương
pháp thứ nhất là nghiêng tấm pin theo hai trục để đạt vị trí yêu cầu, phương pháp
thứ hai là đồng thời xoay và nghiêng tấm pin theo hai trục cũng đạt được kết quả
tương tự. (Hình 1.2)

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.2: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ

• Sau khi tìm hiểu kĩ hai phương pháp theo [4], em thấy rằng phương pháp
thứ hai xoay và nghiêng theo hai trục ít phức tạp hơn. Từ đó, nhóm đã xây
dựng hệ thống cơ khí theo phương pháp này.
c. Các phương án bám mặt trời
• Thụ động
Nguyên lí lợi dụng sự chuyển vị của dãn nở vì nhiệt hoặc hợp kim nhớ
hình, thông thường gồm hai thiết bị truyền động ngược nhau và được thiết
kế cân bằng, qua tác động của ánh sáng và các thiết bị khuếch đại gây ra sự
mất cân bằng. Sau khi chuyển vị đến vị trí cân bằng thì hệ thống sẽ dừng.
Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, giá thành rẻ.
Nhược điểm: Hiệu suất thấp, ngừng hoạt động ở nhiệt độ thấp.
• Hoạt động (bám mặt trời)
- Dùng vi xử lí và cảm biến quang
- Dùng camera
- Dùng tấm cảm quang phụ BIFACIAL
- Dựa trên địa lí, ngày giờ
- Kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ
• Dựa trên quan điểm kế thừa và cải tiến hệ thống cũ em lựa chọn phương án
kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.5. Cơ sở lí thuyết của phương pháp chuyển động bám mặt trời theo tọa độ
địa lí
Dựa trên nguyên lý được trình bày trong [2] để áp dụng và thiết kế hệ

thống trong đồ án tốt nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất phát điện của hệ thống pin
mặt trời.
a. Sự chuyển động của mặt trời
Chuyển động biểu kiến của mặt trời được tạo nên bởi trái đất tự quay
quanh mình nó và nghiêng trục trái đất, làm thay đổi góc tới của các tia sáng mặt
trời. Từ một vị trí cố định trên trái đất, mặt trời xuất hiện và di chuyển khắp bầu
trời. Vị trí của mặt trời trên bầu trời phụ thuộc vào điểm ta nhìn trên trái đất, thời
gian trong ngày, ngày trong năm. Chuyển động biểu kiến này được thể hiện ở
hình dưới đây.

Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời.

Chuyển động biểu kiến này có tác động lớn đến lượng điện năng ta thu
được vào pin năng lượng mặt trời. Khi tia sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề
mặt hấp thụ, hiệu suất hấp thu trên bề mặt pin là lớn nhất. Tuy nhiên, khi góc
giữa tia sáng và bề mặt hấp thụ giảm xuống thì hiệu suất hấp thu cũng giảm
xuống. Khi bề mặt hấp thụ song song với tia sáng thì hiệu suất gần như bằng 0.
Với những góc trung gian còn lại, thì hiệu suất được phụ thuộc vào cos (θ), với θ
là góc tới của tia sáng.
Góc tới của tia sáng tới một vị trí cố định trên trái đất phụ thuộc vào từng
địa điểm cụ thể (vĩ độ của điểm đó), thời gian trong ngày, thời gian trong năm.
Ngoài ra thời điểm mặt trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ của điểm đó. Vì
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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
nghiêng thì góc này luôn bằng 00, tuy nhiên do trái đất nghiêng 23,450, xích vĩ độ
này thay đổi trong năm, cộng hoặc trừ đi giá trị này. Chỉ có vào ngày xuân phân
và thu phân, xích vĩ độ này mới bằng 00. Vào ngày hạ chí, mặt trời chiếu vuông
góc tại chí tuyến bắc (23.450) và ngày đông chí, mặt trời chiếu vuông góc tại chí
tuyến nam (-23.450). Vòng quay của trái đất quanh mặt trời và sự thay đổi của
góc nghiêng này được thể hiện ở hình dưới đây.

Hình 1.4: Sự thay đổi xích vĩ độ trong năm

Sự thay đổi xích vĩ độ đòi hỏi một công thức tính cho một ngày bất kỳ
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.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Xích vĩ độ có thể được tính theo công thức sau (theo [1]):


 360
=

δ sin −1 sin ( 23, 45 ) sin 
( d − 81)  
 365



(1.1)

trong đó: d là số thứ tự ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1, d = 1.
Xích vĩ độ này bằng 00 tại các ngày xuân phân và thu phân (22.3 và 23.9),
tăng dần từ 00 trong mùa hè ở bán cầu bắc và giảm dần trong mùa đông của bán
cầu nam. Giá trị lớn nhất đạt 23,450 vào ngày 22 tháng 6 (mùa hè tại bán cầu bắc)
và nhỏ nhất đạt (– 23,450) vào ngày 22 tháng 12 (mùa hè tại bán cầu nam).
c. Góc nhập xạ (elevation angle)
Góc nhập xạ (α) tại một điểm A trên trái đất là góc được tạo ra bởi các tia
tới của ánh sáng mặt trời hợp với mặt phẳng chân trời của điểm A. Ta còn có thể
hiểu đơn giản: góc nhập xạ tại một điểm là góc tạo bởi tia sáng mặt trời với tiếp
tuyến của trái đất tại điểm đó, xét trong cùng mặt phẳng. Góc nhập xạ này bằng
00 lúc mặt trời mọc và đạt tối đa khi mặt trời lên đỉnh đầu vào giữa trưa. Góc
nhập xạ này thay đổi liên tục trong ngày, nó phụ thuộc vào vĩ độ của địa điểm cụ
thể và các ngày trong năm.

Hình 1.6: Góc nhập xạ.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

Một điểm quan trọng của góc nhập xạ đã nói ở trên trong việc thiết kế hệ
thống thu nhận năng lượng mặt trời là góc nhập xạ tối đa lớn nhất trong ngày, đó
là lúc mặt trời lên đỉnh vào giữa trưa và góc này phụ thuộc vào vĩ độ từng địa
điểm, cũng như phụ thuộc vào xích vĩ độ đã nói ở mục b. Sự hình thành góc nhập
xạ được biểu diễn như sau.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.8: Các góc được sử dụng trong công thức

Hình 1.8a: Xích vĩ độ lớn nhất (δ) của trái đất, xảy ra tại ngày hạ chí ở bắc bán cầu và ngày
đông chí tại nam bán cầu.

Hình 1.8b: φ là vĩ độ của địa điểm đang cần tính góc nhập xạ, δ là xích vĩ độ, còn ζ là
góc đỉnh, có giá trị là ζ = φ – δ.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.8c: Từ đó α chính là góc nhập xạ và bằng 90 độ trừ góc đỉnh.

Trong đó:

α = 900 – |φ – δ|

(1.2)

• φ > 0 khi vĩ độ cần tính góc nhập xạ ở Bắc bán cầu, φ < 0 tại Nam bán cầu.
• δ là xích vĩ độ, tại đó mặt trời chiếu vuông góc xuống mặt đất.
Tuy nhiên góc nhập xạ không cố định mọi giờ trong ngày, mà luôn thay
đổi, tăng từ 00 lên thiên đỉnh rồi lại trở về 00, vì vậy ta cần dùng công thức sau để
tính góc nhập xạ cho từng giờ trong ngày:
=
α sin −1 sin δ sin ϕ + cos δ cos ϕ cos ( HRA ) 

(1.3)

Với HRA là Góc giờ (hour angle), Góc giờ chuyển đổi thời gian mặt trời ở
địa phương (local solar time) ra số độ mà mặt trời di chuyển trên bầu trời. Về cơ
bản, góc giờ là 00 tại giữa trưa. Trái đất xoay 150 mỗi giờ, mỗi giờ càng xa giữa
trưa, góc giờ sẽ chuyển động tương ứng với 150 mỗi giờ trên bầu trời. Với mỗi
giờ trước 12h trưa, góc giờ mang dấu âm, vào buổi chiều, góc giờ mang dấu
dương.
=
HRA 15 ( LST − 12 )

(1.4)

Trong đó:

• HRA: góc giờ
• LST: giờ mặt trời tại địa phương

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
d. Góc phương vị (azimuth angle)
Góc phương vị (β) là hướng la bàn mà từ đó ánh nắng mặt trời chiếu tới.
Vào giữa trưa, mặt trời luôn ở chính nam tại Bắc bán cầu và chính bắc tại Nam
bán cầu. Góc phương vị luôn thay đổi trong ngày, vào ngày xuân phân và thu
phân, mặt trời luôn mọc chính đông và lặn chính tây tại bất kì vị trí nào trên trái
đất, do đó góc phương vị là 900 lúc mọc và 2700 lúc lặn. Tuy nhiên do trái đất
nghiêng trục quay quanh nó nên, góc phương vị này thay đổi theo từng vĩ độ trên
trái đất và vào từng thời điểm khác nhau trong năm.

Hình 1.9: Góc phương vị (β)

Góc phương vị giống vị trí góc ở la bàn với 00 tại chính Bắc và 1800 ở
chính Nam.
Góc phương vị được tính như sau:

 sin(δ ) cos(ϕ ) − cos(δ ) sin(ϕ ) cos(HRA) 

cos(α )



β = cos −1 
Trong đó:

(1.5)

β = β , for LST < 12 or HRA < 0
β
=

360o - β , for LST > 12 or HRA > 0

e. Vị trí Mặt Trời
Góc phương vị và góc nhập xạ tại giữa trưa là hai góc then chốt để xác
định vị trí của mặt trời. Tuy nhiên, để tính vị trí của mặt trời trong cả ngày, cả hai
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
góc nhập xạ và góc phương vị phải được tính toán trong cả ngày. Các khu vực
trên trái đất được chia thành những múi giờ nhất định. Tại một vị trí nhất định
trên trái đất, ta thấy mặt trời thực hiện chuyển động từ đông sang tây, từ thấp lên
thiên đỉnh vào giữa trưa, vì vậy để xác định vị trí của mặt trời, ta đi xác định hai
góc: góc nhập xạ và góc phương vị.
Góc nhập xạ và góc phương vị:

=
α sin −1 sin δ sin ϕ + cos δ cos ϕ cos ( HRA ) 
 sin(δ ) cos(ϕ ) − cos(δ )sin(ϕ ) cos(HRA) 

β = cos −1 

cos(α )




 360
=
δ sin −1 sin 23, 45 sin 
( d − 81)  
 365



(

(1.6)

)

1.6. Tổng quan hệ thống

Hình 1.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

24

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống có 3 chế độ hoạt động:
a. Chế độ bám tự động theo chuyển dịch của mặt trời (Auto Tracking):
Khi hệ thống ở chế độ này, tấm pin sẽ tự động di chuyển đến vị trí thẳng
với hướng có cường độ ánh sáng mạnh nhất được xác định bởi 4 cảm biến ánh
sáng và mạch so sánh.
b. Chế độ dịch chuyển tự động theo hệ thống vĩ độ (Auto Control):
Khi mặt trời bị mây che, hoặc vào những ngày mưa… cường độ sáng sẽ
xuống mức rất thấp, do đó cảm biến sẽ không nhận đủ độ sáng cần thiết để xác
định hướng di chuyển cần thiết.
Hoặc vào những ngày hè cường độ ánh sáng mặt trời lớn, cảm biến sẽ hoạt
động không hiệu quả và có thể bị sai do ánh sáng tán xạ và phản xạ từ vật liệu
hoặc môi trường xung quanh.
Khi đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ tự động. Tấm pin sẽ tự động xoay
và điều chỉnh góc nhập xạ và góc phương vị theo giờ, với dữ liệu được tính toán.
c. Chế độ điều khiển bằng tay (Manual Control):
Chế độ này cho phép người dùng điều khiển hệ thống theo các góc phương
vị , nhập xạ cố định thông qua giao diện nút bấm trên bảng điều khiển. Góc quay
cố định tối ưu có thể dễ dàng tra cứu trong bảng số liệu (thường là góc lúc mặt
trời lên thiên đỉnh).
Chế độ được sử dụng trong trường hợp hệ thống cần bảo trì, thay thế cần
phải tháo rời bộ điều khiển hay trong trường hợp thời tiết khắc nhiệt: bão hoặc có
tuyết.
Khuyến cáo quay góc nhập xạ xuôi theo hướng gió góc 45o trong trường
hợp gió bão to, và góc nhập xạ quay 15o trong trường hợp tuyết rơi.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55

25