Skkn hệ thống chiếu sáng năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng thu sáng

-2015)
1.
- Hệ thống chiếu sáng năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng
thu sáng.
2.
- Điện tử.
3.
- 08/2014.
4.
Ngoài nước: Năng lượng mặt trời từ lâu đã được các nước phát triển chú
ý đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn. Trong lĩnh vực chiếu sáng
dùng năng lượng mặt trời cũng đã có nhiều công ty sản xuất thiết bị phục vụ
nhu cầu cho chiếu sáng gia đình và công cộng. Tuy nhiên, giá thành của các
thiết bị này so với các thiết bị chiếu sáng thông thường và thu nhập bình quân
của người Việt Nam là tương đối cao. Đây cũng là một trong những nguyên
nhân chính là cản trở sự phát triển của năng lượng mặt trời. Hiện nay, đa số các
đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời trên thị trường Việt Nam đều có xuất xứ từ
Trung Quốc. Các sản phẩm đều được nhà cung cấp bảo hành trong vòng 1
năm.
Trong nước: Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện một số loại đèn sử
dụng năng lượng mặt trời như đèn đường chiếu sáng, đèn trang trí sân vườn,…
Tuy nhiên, giá cả của các loại đèn này tương đối cao. Mặc khác, cách bố trí
tấm pin mặt trời của các loại đèn này là cố định do đó hiệu suất thu năng lượng
ánh sáng bị hạn chế tùy theo từng thời điểm trong ngày.
Dưới đây là một số sản phẩm đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng
lượng mặt trời hiện có trên thị trường Việt Nam.
- Xuất xứ: Trung Quốc.
- Thời gian sáng 8 – 10 giờ/ngày, có thể
sử dụng 3 – 5 ngày mưa.
- Bảng năng lượng: 100W.
- Đèn LED 40W.

- Kích thước: cao từ 6 – 8 mét.
- Tuổi thọ trung bình: 5 năm.

Hình 1. Đèn chiếu sáng công cộng CP38.
1


- Xuất xứ: Trung Quốc.
- Thời gian sáng 8 – 10 giờ/ngày, có
thể sử dụng 3 – 5 ngày mưa.
- Bảng năng lượng: 100W.
- Đèn LED: 40W
- Kích thước: cao từ 6 – 8 mét.
- Tuổi thọ trung bình: 5 năm.
Hình 2. Đèn trụ chiếu sáng công cộng CP37.
Ngoài ra, các thông tin chi tiết về sản phẩm chiếu sáng năng lượng mặt
trời có thể được tham khảo tại các trang web như: ,
, ,...
Đặc điểm chung của các loại đèn chiếu sáng công cộng hiện nay là độ
linh hoạt cao, có thể di chuyển dễ dàng; hoạt động độc lập, không cần dây cấp
nguồn nên lắp đặt dễ dàng,… Tuy nhiên, nhược điểm chung của các thiết bị
này là vốn đầu tư ban đầu lớn, giá thành cao nên dẫn đến chi phí thắp sáng/giờ
cao so với đèn compact, bộ phận thu năng lượng được chế tạo cố định nên hiệu
suất thu năng lượng thấp,…
5.
Trên cơ sở tình hình phát triển của các thiết bị chiếu sáng năng lượng mặt
trời trong và ngoài nước còn một số hạn chế là giá thành cao và hiệu suất thu
quang năng còn thấp nên đề tài được thực hiện nhằm khắc phục các nhược
điểm trên. Ngoài ra, trong hoàn cảnh nhân loại đang đối phó với tình biến đổi
khí hậu như hiện nay thì việc tìm kiếm một nguồn năng lượng mới, không gây

ô nhiễm môi trường nhằm thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang
ngày càng khan hiếm là rất cần thiết. Do vậy, mục tiêu của đề tài là tạo ra mộ
ả
ể đạt được hiệu suất cao nhất. Đồng thời, t
.
6.
6.1.
Giải pháp gồm có 3 nội dung chính như sau:
Nội dung 1: nghiên cứu chế tạo bộ chuyển đổi năng lượng từ quang năng
sang điện năng sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời. Bộ điều khiển có
chức năng điều khiển việc nạp điện từ tấm pin năng lượng mặt trời vào bình
Accquy.
Nội dung 2: Nghiên cứu chế tạo bộ phận chiếu sáng có khả năng tiết
kiệm điện bằng cách sử dụng bộ biến tần để điều khiển các LED siêu sáng.
2


Nội dung 3: thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tấm pin năng lượng tự điều
chỉnh hướng thu sáng.
Trong đó, điểm đặc biệt của thiết bị so với các sản phẩm hiện có trên thị
trường là tấm pin năng lượng có thể tự điều chỉnh hướng thu sáng theo vị trí di
chuyển của mặt trời. Sơ đồ khối của hệ thống được trình bày như trong Hình 1.
Pin năng lượng
mặt trời

Bộ điều
hướng tấm
pin mặt trời

MPPT

Vi điều
khiển

Accquy

Khối
chiếu
sáng

Cảm
biến
hướng
sáng

Cảm
biến
ngày
đêm

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống.

Điểm mới của giải pháp so với các sản phẩm đã có là có thêm bộ phận
điều hướng tấm pin mặt trời và các hệ thống cảm biến.
Cảm biến hướng sáng có nhiệm vụ theo dõi vị trí của mặt trời để đảm
bảo tấm pin năng lượng luôn hướng về phía mặt trời.
Cảm biến ngày đêm có nhiệm vụ phân biệt ngày và đêm để điều khiển
việc tắt/mở đèn một cách tự động.
Vi điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển
hoạt động của toàn bộ hệ thống. Nếu vị trí của tấm pin năng lượng và mặt trời

bị lệch, vi điều khiển sẽ nhận được tín hiệu từ cảm biến hướng sáng và thông
báo cho bộ điều hướng tấm pin mặt trời để điều khiển vị trí của tấm pin
hướng về phía mặt trời. Điều này đảm bảo việc thu năng lượng đạt được hiệu
suất cao nhất.
(Sơ đồ mạch và hoạt động thực tế của các khối được đính kèm trong phần
phụ lục).
6.2.
Sản phẩm có khả năng ứng dụng cao và cạnh tranh với chi phí thấp.
Ngoài ra, do khả năng ứng dụng cao nên sản phẩm có thể dễ dàng xâm nhập
vào thị trường nếu được đầu tư một cách bài bản. Sản phầm có thể được sử
dụng làm mô hình giảng dạy, thực tập để đào tạo các chuyên ngành Điện tử
truyền thông, Điện – Điện tử,...
3


Đề tài có khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực chiếu sáng, kể cả chiếu
sáng công cộng và cho hộ gia đình. Đặc biệt trong tình hình các nguồn năng
lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm và giá thành ngày càng cao thì một thiết
bị chiếu sáng sử dụng năng lượng lượng mặt trời – một nguồn năng lượng sạch
và hầu như vô tận là rất cần thiết. Thiết bị có khả năng ứng dụng rộng rãi tại
những nơi có nguồn ánh sáng năng lượng mặt trời đảm bảo, đặt biệt là tại các
vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.
6.3.
Kết quả nghiên cứu tạo ra một sản phẩm chiếu sáng thông minh với chi
phí thấp (15 triệu đồng) so với các thiết bị tương tự trên thị trường (từ 20 triệu
đồng trở lên nhưng không tự điều chỉnh hướng thu sáng). Người tiêu dùng sẽ
có thêm một sự lựa chọn mới hấp dẫn trong tình hình các nguồn năng lượng
khác liên tục tăng cao như hiện nay. Đặc biệt sản phẩm sử dụng nguồn năng
lượng chính là ánh sáng mặt trời nên không gây ô nhiễm môi trường và người
sử dụng không phải lo về chi phí phát sinh sau khi sử dụng. Đặc biệt, giá thành

của hệ thống thấp hơn các sản phẩm tương đương trên thị trường.
6.4.
Giải pháp có cải tiến so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường là hệ
thống thu năng lượng có thể tự xoay theo hướng di chuyển của mặt trời để tăng
hiệu suất thu năng lượng. Do đặc điểm của tấm thu năng lượng sẽ cho hiệu suất
cao nhất khi bề mặt vuông góc với tia sáng nên đối với các sản phẩm hiện có
trên thị trường hiệu quả thu năng lượng là chưa tối ưu.
Giải pháp đưa ra là tạo ra một cơ cấu điều khiển để tự động hướng bề mặt
của tấm pin năng lượng theo vị trí di chuyển của mặt trời để đạt hiệu suất thu
năng lượng cao nhất. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng đèn LED để chiếu sáng
nhằm tiết kiệm năng lượng mà vẫn đạt được hiệu quả chiếu sáng.
6.5.
Kết quả nghiên cứu tạo ra một sản phẩm công nghệ năng lượng xanh và
sạch. Sản phẩm có khả năng ứng dụng rộng rãi. Sự thành công của đề tài góp
phần thúc đẩy các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực năng lượng mới thân
thiện với môi trường.
Ngoài ra, việc sử dụng sản phẩm sẽ góp phần nâng cao ý thức bảo vệ môi
trường của người dân trong tình hình tác động của biến đổi khí hậu ngày một
nặng nề hiện nay.
Rạch Giá,

05

06 năm 2015

Nguyễn Đặng Phúc Nguyên
4


PHỤ LỤC

ẠCH CHỨC NĂNG
1. Mạch cảm biến ngày đêm
Mạch có nhiệm vụ phân biệt trời tối hay sáng để báo cho vi điều khiển bật tắt thiết
bị chiếu sáng. Bình thường khi có ánh sáng chiếu vào quang trở LDR6 thì điện áp tại
chân B của transistor Q6 ở mức thấp, transistor ngưng dẫn, điện áp tại chân E ở mức
thấp. Ngược lại, khi trời tối điện trở của LDR6 tăng lên làm điện áp tại chân B của Q6
tăng lên mức cao, transistor dẫn, điện áp tại chân E lên mức cao. Tín hiệu ngõ ra tại chân
E của Q6 được đưa qua cổng đảo 74HC14 để hiệu chỉnh mức logic trước khi đưa đến vi
điều khiển. Biến trở VR6 được sử dụng để hiệu chỉnh độ nhạy của mạch cảm biến.
5V

5V

R61

Q6
1

VR6

2

VDK

74HC14
R62

R63

LED

LDR6

Hình 2. Sơ đồ mạch cảm biến ngày đêm.
2. Bộ điều hướng tấm pin mặt trời
Đề tài sử dụng bộ bám vị trí mặt trời một trục theo hướng Đông – Tây. Cơ cấu
được thiết kế như trên hình 12. Cơ cấu sử dụng động cơ DC 12V có khóa trục vít cho tốc
độ ra khoảng 60 vòng/phút, tốc độ này sau đó được giảm còn khoảng 24 vòng/phút.

Hình 3. Bộ điều hướng tấm pin mặt trời.

5


Hình 4. Bộ điều hướng nhìn ngang.
Một mạch đảo chiều động cơ được sử dụng để điều khiển tấm pin mặt trời quay
theo hướng Đông – Tây và ngược lại. Mạch sử dụng mosfet IRF9540 và IRF540 mắc
theo kiểu cầu H, sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 14. Tín hiệu điều khiển từ vi
điều khiển được đưa vào hai ngõ vào M1 và M2. Mạch hoạt động theo nguyên tắc như
sau:
+ Nếu ngõ vào M1 = 0 và M2 = 0 thì motor không quay do các mosfet IRF9540
hoạt động trong khi các mosfet IRF540 không hoạt động.
+ Nếu ngõ vào M1 = 1 và M2 = 0 thì Q32 và Q33 hoạt động trong khi Q31 và
Q34 ngưng, dòng điện qua motor theo chiều từ B sang A.
+ Nếu ngõ vào M1 = 0 và M2 = 1 thì Q31 và Q34 hoạt động trong khi Q32 và
Q33 ngưng, dòng điện qua motor theo chiều từ A sang B.
+ Nếu ngõ vào M1 = 1 và M2 = 1 thì motor không quay do tất cả mosfet IRF9540
không hoạt động.
12V

12V

R31

R32

10k

10k

5V
D31

R34
R

1

Q32
IRF9540N

5

-

B

MOTOR DC

U31
4n35

D33

U32
D34

4n35
Q34
IRF540N

M1

2

Q33
IRF540N

4

4

A

A

+

Q31
IRF9540N

5

1

R33
R

2

5V
D32

MG1

M2

Hình 5. Mạch đảo chiều động cơ DC.
Để giới hạn góc quay của tấm pin mặt trời hai cảm biến hồng ngoại được sử dụng
để xác định vị trí biên trái và biên phải của tấm pin. Các cảm biến được bố trí như trên
hình 15. Cảm biến được sử dụng là loại cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, điện áp hoạt
động 5V, dòng tiêu thụ 15mA, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được trong
khoảng từ 3 – 80 cm.
6


Hình 6. Cảm biến vị trí biên của tấm biên mặt trời.

Biên trái.

b) Biên phải.

Hình 7. Điểm tới hạn biên trái và biên phải của tấm pin mặt trời.
3. Mạch cảm biến hướng sáng
Quang trở được sử dụng để cảm biến vị trí mặt trời bằng cách so sánh cường độ
ánh sáng mà quang trở nhận được. Hai quang trở được bố trí song song như trong hình
17. Bình thường khi góc tới của tia sáng là 00 thì lượng ánh sáng hai cảm biến nhận được
là như nhau, nhưng khi góc tới của tia sáng khác 00 thì cường độ sáng chiếu vào cảm biến
B sẽ luôn nhỏ hơn cảm biến A. Độ khác biệt phụ thuộc vào độ lớn góc tới của tia sáng.

A

B
Hình 8. Bố trí cảm biến hướng sáng dùng quang trở.

Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hướng sáng được trình bày trên hình 18. Nguyên
lý hoạt động của mạch như sau:
+ Khi cường độ sáng tới hai quang trở LDR1 và LDR2 bằng nhau thì điện
áp ở chân 2 và chân 3 của IC 741 bằng nhau, điện áp ngõ ra ở chân 6 của IC 741 gần
bằng Vcc/2. Lúc này transistor Q5 ngưng dẫn, tín hiệu ngõ ra đưa đến vi điều khiển ở
mức 0.
7


+ Khi cường độ sáng chiếu vào cảm biến LDR1 nhỏ hơn LDR2 thì lúc này
điện trở của LDR1 lớn hơn điện trở của LDR2 dẫn đến điện áp tại chân 3 của IC 741 nhỏ
hơn tại chân 2 làm cho điện áp ra ở chân 6 xuống mức thấp. Lúc này transistor Q5 dẫn,
tín hiệu ngõ ra cấp cho vi điều khiển có mức logic 1.
5V
5V

5V
5V
LDR2

R
1k
R52
1k

7
1

LDR1

3
VR51
200k

+

VĐK

R51 330

U5
6

74HC14

2 LM741

-

Q5
A2383

4
5

VR52
200k

Hình 9. Mạch cảm biến hướng sáng.

5V
12V
J21

2
1

1

U3
VIN
VOUT

2

5V

5V

LM7805
LDR1

5V
LDR2

3

C22

VR51
200k

C21
220

220

+

Q6
C1815

R52
1k

7
1

1 J22
2
3
CON3

12V
5V

5V

5V
R61
22k

R53
1k

Power
12V

5V

5V

1
3

R51 330

U5

4

P_Sig

R62

6

500k

2 LM741
5V_S

Q5
A2383

Sun_Out

2

VR6
220

R63
330
74HC14

74HC14

5V

4
5

VR52
200k

5V

D6
LDR6
C51
104

LED

31

5V

29
30
SW1

C14
10u

9

P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
PSEN
P3.3/INT1
ALE/PROG P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
RST
P3.7/RD
EA/VPP

D32

Sen1
Sen2

1

D33

U32
5V_2

4n35

D34

4n35

Q33
IRF540N

Q34
IRF540N

1 J14
2 CON8
3
4
5
6
7
8

M_Right

C31
104

5V
12V

Relay

AT89C51
R11

R34

R

2

MOTOR DC
U31

M_Lef t
10
11
12
13
14
15
16
17

1

Q32
IRF9540N

2

R33
R

5V

MG1

Q31
IRF9540N

5

Lef t
1
Right
2 J13
LED_O/F3
MP_Sig 4
Sun_In 5
6
7
8

D31
5V

-

21
22
23
24
25
26
27
28

10k

4

P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7

P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15

R32

10k

A

39

38
37
36
35
34
33
32

R31

+

P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7

12V

5

8
J11 7
6
5
CON8 4

3
2
1

1
2 J12
3
4
5
6
7
8

4

C12 33

8
7
6
5
4
3
2
1

1

XTAL2

P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0

2

XTAL1

CON11

Y1
12MHz
18

5V

C11 33
19

12V

C62
104

40

5V
U1

C61
100

D42

5
2

CON8

1k
R43
LED_O/F

Q8
C1815

3
1
4

LOAD

RELAY SPDT

330

Hình 10. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển.
8


4. Lưu đồ chương trình
Bắt đầu

P2.4 = 1?

Đúng

Call DayTime

Sai
Call Delay

Call NightTime

Sai

P2.4 = 1?

Hình 11. Lưu đồ chương trình chính.
Bắt đầu

Led = 1
Left = 0

P3.2 = 0?

Sai
Right = 1

Đúng
Right = 0

Kết thúc
Hình 12. Lưu đồ chương trình NightTime.

9


Bắt đầu

Led = 0
Right = 0
Đúng

P3.3 = 0?
Left = 0
Sai

Đúng

ROT = 1?

Call Delay

Sai

Call Delay

Left = 1

ROT = 1?

Left = 0

Kết thúc
Hình 13. Lưu đồ chương trình DayTime.

10


của thiết bị:
- Công suất danh định tấm pin mặt trời: 60W.
- Công suất bóng đèn LED: 30W.
- Accquy: 50Ah.

Hình 14. Mô hình được thi công hoàn chỉnh.

11