Thiết kế và thi công hệ thống solar tracker

NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống Solar tracker” gồm những nội dung
chính sau:
- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, phần mềm Arduino IDE.
- Tìm hiểu pin năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về động cơ Servo MG996, Arduino Uno R3.
- Tìm hiểu về mạch sạc tự động cho Ắc quy, mạch Inverter 12V DC – 220V AC.
- Thiết kế và thi công hệ thống pin năng lượng mặt trời Solar tracker.

1


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông và các thầy cô giáo trong Bộ
môn Công nghệ Điện tử, Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời
gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh
Tùng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm
báo cáo tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em không ngừng tiếp thu
thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên
cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong
quá trình học và công tác sau này.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng
góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành báo cáo
Đồ án tốt nghiệp.
Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016
SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Văn Vững

2


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng nghiên cứu trên Internet,
sách báo, các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan, không sao chép hay sử dụng
bài làm của bất kỳ ai khác. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ
ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm về lời cam đoan của mình trước Quý thầy cô và nhà trường.
Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016
SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Văn Vững

3


MỤC LỤC

NỘI DUNG ĐỒ ÁN................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................2
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................9
1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ...................................................9

1.2. Tính cấp thiết của đề tài ..............................................................................15
1.3. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................15
1.4. Mục tiêu của đề tài......................................................................................15
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER...............................16
2.1. Yêu cầu bài toán .........................................................................................16
2.2. Giải pháp thiết kế........................................................................................16
2.3. Sơ đồ khối và chức năng các khối ..............................................................17
2.3.1. Sơ đồ khối............................................................................................17
2.3.2. Chức năng các khối..............................................................................18
2.3.3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống ......................................................19
2.4. Lựa chọn linh kiện ......................................................................................19
2.4.1. Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar...........................................................19
2.4.2. Thông số cơ bản:..................................................................................20
2.4.3. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời ...........................................................20
2.5. Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển .........................................................24
2.5.1. Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328 .............................................24
2.5.2 Ứng dụng của Arduino.........................................................................26
2.6. Lựa chọn linh kiện khối cảm biến ...............................................................26
2.6.1. Cấu tạo của quang trở ..........................................................................26
2.6.2. Một số ứng dụng của quang trở...........................................................27
2.7. Lựa chọn linh kiện khối Inverter ................................................................28
2.8. Bộ điều khiển sạc.......................................................................................34

4


2.9. Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy ...................................................................34
CHƯƠNG 3. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ .................44
3.1. Ngôn ngữ lập trình......................................................................................44
3.2. Phần mềm phụ trợ.......................................................................................44

3.2.1 Phần mềm Proteus.................................................................................44
3.2.2. Phầm mềm Arduino .............................................................................45
CHƯƠNG 4. THỰC THI THIẾT KẾ....................................................................50
4.1. Thiết kế phần cứng .....................................................................................50
4.1.1. Phần kết cấu cơ khí ..............................................................................50
4.1.2. Thiết kế thi công phần vi xử lý và cảm biến .........................................52
4.1.3. Thiết kế thi công phần mạch sạc tự động cho Ắc quy...........................55
4.2. Thiết kế phần mềm .....................................................................................59
4.2.1.Lưu đồ thuật toán ..................................................................................59
4.2.2. Một số hình ảnh sản phẩm....................................................................60
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................63
PHỤ LỤC..............................................................................................................64

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời ....................................9
Hình 1.2. Hệ thống pin mặt trời trên quy mô lớn ...................................................10
Hình 1.3. Bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo .............................................12
Hình 2.1. Solar Tracker .........................................................................................16
Hình 2.2. Hướng ánh sáng mặt trời........................................................................17
Hình 2.3. Sơ đồ khối..............................................................................................17
Hình 2.4. Pin mặt trời ............................................................................................19
Hình 2.5. Tinh thể Silic .........................................................................................20
Hình 2.6. Tinh thể bán dẫn loại N..........................................................................21
Hình 2.7. Tinh thể bán dẫn loại P...........................................................................22
Hình 2.8. Lớp tiếp giáp P-N...................................................................................22

Hình 2.9. Vi điều khiển Atemega 328....................................................................24
Hình 2.10. Cấu tạo quang trở.................................................................................26
Hình 2.11. Quang trở.............................................................................................27
Hình 2.12. Mạch cầu transistor ..............................................................................29
Hình 2.13. Tín hiệu sóng Sine wave ......................................................................30
Hình 2.14. Ắc quy .................................................................................................34
Hình 2.15. Cấu tao điện phân trong bình Ắc quy ...................................................35
Hình 2.16. Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít ............................................................36
Hình 2.17. Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít ............................................................37
Hình 2.18. Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau...............................38
Hình 2.19. Các ngăn Ắc quy..................................................................................38
Hình 2.20. Biểu đồ điện áp ....................................................................................39
Hình 3.1. Giao diện Proteus khi khởi động ...........................................................44
Hình 3.2. Giao diện phần mềm Arduino ...............................................................47
Hình 3.3. Ví dụ điều khiển Led và truyền thông nối tiếp........................................49
Hình 4.1.Khung giá đỡ bằng nhôm ........................................................................50
Hình 4.2. Tấm Aluminium.....................................................................................51
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển ........................................................52

6


Hình 4.4. Mạch in khối vi điều khiển Arduino.......................................................53
Hình 4.5. Mạch vi xử lý Atemega 328 ...................................................................53
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và cảm biến ....................................54
Hình 4.7. Hình ảnh servo MG996 và mặt cắt .........................................................55
Hình 4.8. Hình ảnh khối mạch sạc tự động cho Ắc quy .........................................56
Hình 4.9. Sơ đồ mạch in ........................................................................................56
Hình 4.10. Mạch sạc khi hoàn thành ......................................................................57
Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý Inverter ......................................................................57

Hình 4.12. Mạch Inverter.......................................................................................58
Hình 4.13. Tín hiệu điện áp ra 220V AC đo trên Osilo ..........................................58
Hình 4.14. Lưu đồ thuật toán .................................................................................59
Hình 4.16. Hình ảnh sản phẩm...............................................................................60
Hình 4.17. Hình ảnh sản phẩm...............................................................................61

7


LỜI NÓI ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu
một cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày
càng nhiều ,nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện
nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên.
Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối
(bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn.
Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng. Ngày nay, năng
lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng
từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm
kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh
tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta. Nguồn năng lượng thay thế đó phải
sạch, than thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử
dụng.
Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng
hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiêng
cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai
mà còn là năng lượng của hiện tại. Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng
mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây cũng chính là nơi bạn có
thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn của bạn. Còn gì thú vị hơn

khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của
mình.
Sau thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự nỗ lực, em đã hoàn thành
nhiệm vụ “Thiết kế và thi công hệ thống Solar tracker”.Em xin chân thành cảm
ơn thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình. Đề
tài không tránh khỏi những thiếu xót, em mong được sự chỉ bảo của các thầy để sản
phẩm hoàn thiện hơn và có thể ứng dụng vào thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn !

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử bán
dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng,
dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi
là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực
tế, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới chưa tới như núi cao, ngoài
đảo xa.Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần,
được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn,
thường được đặt trên nóc các tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ
chuyển đổi của mạng lưới điện sẽ tạo ra điện năng phục vụ. Pin năng lượng mặt trời
hoạt động theo nguyên lý: Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi
thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power). Dòng điện này được dẫn
tới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tự
động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery).
Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn
220V/50Hz để chạy các thiết bị điện.

Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

9


Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay
thế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu
cầu ngày càng tăng lên về năng lượng cho quốc gia.Hệ thống pin năng lượng mặt
trời cung cấp điện cho các thiết bị điện, sẽ góp phần giảm phụ thuộc quá nhiều vào
lưới điện quốc gia, đồng thời tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và
bảo vệ môi trường. Diện tích lắp pin mặt trời càng lớn càng tạo ra nhiều điện năng
sử dụng.

Hình 1.2. Hệ thống pin mặt trời trên quy mô lớn
Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống Solar Tracker bao gồm:
- Tấm pin mặt trời Solar cells
- Hệ thống điều khiển tấm Solar cells
- Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc - quy
- Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC
- Ắc - quy lưu trữ điện
- Khung, giá đỡ
- Dây cáp nối
Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời mang lại:
- Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn
toàn miễn phí và thiết thực.
- Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng.
- Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường.
- Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt.

10


Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời. Hằng năm các vùng ở phía
Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số
vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng. Nhưng rất ít người biết tận dụng điều
kiện thuận lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng hằng ngày.
Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện mặt trời
áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại Bình Chánh,
Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dân còn gặp
nhiều khó khăn. Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xã Cần Gáo huyện Cần Giờ, công trình điện mặt trời cũng đã cung cấp điện được cho hơn 50%
hộ dân sống trên đảo. Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công
cộng tại buôn Chăm - xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt
trời. Viện năng lượng EVN cũng đã thực hiện dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt
trời và động cơ gió với công suất 9kW đặt tại làng Kongu 2 - huyện Đắk Lắk - tỉnh
Kontum, góp phần cung cấp điện cho đồng bào dân tộc thiểu số.
Từ thành công của những dự án này, Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung
tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai
ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh
Quảng Ninh). Đồng thời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho
vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn.
Năm 2000 - 2005, Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới
(ĐH Đà Nẵng) cùng với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời đã triển khai sản xuất
các loại bếp năng lượng mặt trời cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2 - Phường Hòa
Quý - Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng).
Tháng 6 năm 2007, tại Công viên nước Đà Nẵng đã diễn ra ngày hội nấu ăn
bằng loại bếp này do Solar Serve tổ chức. Ngoài ra, Solar Serve đã cung cấp miễn
phí hơn 1.200 bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo tại vùng sâu vùng xa. Đây
là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập nhằm giúp đỡ và phổ biến việc sử
dụng năng lượng mặt trời cho người dân. Các sản phẩm năng lượng mặt trời của

Solar Serve đều do chính các người nghèo và người khuyết tật tại địa phương chế
tạo.

11


Hình 1.3. Bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo
Gần đây, Sở Khoa học và Công nghệ Tp.Đà Nẵng còn phối hợp với Công ty
Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm trong
việc lắp đặt 10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và mặt trời tại
đường Trường Sa, Tp.Đà Nẵng. Được biết, Đà Nẵng là một trong những nơi được
đánh giá là có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tốt nhất tại Việt Nam, với
177 giờ nắng trung bình trong tháng và cường độ bức xạ nhiệt đạt 4,89
kWh/m2/ngày. Các nhà đầu tư dự án năng lượng môi trường đặc biệt quan tâm đến
Đà Nẵng. Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất
loại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà,
Sunflower, Thái Dương Năng… Khác với các thiết bị được chế tạo dành cho người
nghèo, đây là loại sản phẩm nhắm đến những hộ gia đình có thu nhập trung bình
khá. Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu khá cao (tối thiểu 5 triệu đồng), đây vẫn được
xem là bài toán kinh tế cho người dân tại các thành phố có nắng quanh năm, khi mà
giá điện vẫn liên tục leo thang. Qua phỏng vấn một số khách hàng sử dụng, hầu hết
đều rất hài lòng với sản phẩm này. Bởi chỉ trong vòng tối đa 2 năm, số tiền điện tiết
kiệm được từ máy nước nóng năng lượng mặt trời có thể bù lại tiền lắp đặt máy.
Năm 2012, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cùng nhà sản xuất đã thực hiện
chương trình hỗ trợ cho các hộ gia đình 1 triệu đồng/bình nước nóng năng lượng
mặt trời với số lượng lên đến 30.000 bộ.

12

Để hòa điên từ hệ thống điện năng lượng mặt trời vào lưới quốc gia thì chúng
ta sử dụng Thiết Bị Đồng Bộ AC, Hòa Lưới Điện, Chuyển đổi đồng bộ AC 220V.
Đây là thiết bị hoàn hảo cho việc đưa năng lượng mặt trời, Năng Lượng Gió, Năng
Lượng Sinh Thái dần thay thế năng lương hóa thạch( dầu, nguyên tử...). Vì xem xét
vào thực tế của đất nước ta hiện nay khi mà nguồn điện được tạo ra chủ yếu nhờ
thủy điện. Đặc điểm của thủy điện là chỉ dồi dào vào mùa mưa còn mùa nắng thì
hoàn toàn khô cạn. Nhưng mặt trời thì ngược lại mùa mưa rất ít ánh sáng còn mùa
năng thì rất dồi dào, việc ứng dụng hai đặc điểm này sẽ tạo ra nguồn năng lượng
liên tục quanh năm là điều rất khả thi và hoàn toàn không gây ô nhiễm, giảm đi sự
nóng lên của trái đất. Khi vào mùa nắng ngoài trời nóng cháy người nhưng trong
nhà của ta thì mát lạnh. Thiết Bị hòa mạng mang lại lợi ích như thế nào: nâng cao
hiệu suất thu năng lượng tránh hiện tượng dư thừa năng lượng vô ích: nếu ta nạp
vào ắc quy thì ắc quy cũng sẽ đầy, các thiết bị điện có lúc dùng lúc không...Những
lúc như vậy việc xảy ra dư thừa năng lương vô ích. Khi hòa vào lưới điện thì khi
thừa năng lượng sẽ chia sẻ cho nơi khác hay đưa vào sản xuất, khi ta cần lại có điện
sử dụng.
Bộ hòa lưới điện: là thiết bị lấy năng lượng mặt trời hòa chung vào lưới điện để
chia sẻ cho mọi người hay những nơi sản xuất. Khi mà thời gian tạo ra năng lượng
khi có mặt trời chúng ta lại không dùng đến còn những lúc ta cần dùng thì không có
ánh sáng. Nếu ta lấy năng lượng mặt trời mà dự trữ vào ắc quy thì sẽ rất tốn kém,
hiệu quả không cao. Khi ta sử dụng thì việc các thiết bị dùng một công suất nhất
định là chuyện không thể. Ví dụ khi đến gần trưa ta phải nấu cơm, lúc nào cần giặt
quần áo mới dùng máy giặt, hết nước cần bơm nước.... Vấn đề là chúng ta không
thể dùng cố định một danh định công suất mà lúc thì sài công suất quá lớn, lúc thì
chẳng sử dụng gì cả. Như vậy ta tạo ra năng lượng việc hòa vào lưới điện sẽ rất có
lợi vì khi ta không dùng ta chia sẻ cho các nhà máy sản xuất dùng hay các nhà lân
cận sử dụng. Còn khi ta cần dùng công suất lớn hơn nhiều thì cần được người khác
chia sẻ hay nguồn điện quốc gia cung cấp thêm vào. Nên việc hòa mạng sẽ đem lại
lơi ích rất lớn và làm cho ta không bị hạn chế bởi quá trình sử dụng thiết bị điện
trong sinh hoạt của chúng ta. Tăng tuổi thọ cho các bình ắc quy vì không dùng

thường xuyên. Nếu không hòa mạng mà chỉ tạo ta nguồn điện với một công suất

13


danh định, giả sử trong trường hợp ta vận hành máy lạnh, hay động cơm bơm
nước... Ta có một máy phát điện mặt trời với công suất đả để vận hành như 2KW
nhưng các động cơ này khi khởi động cần công suất lớn hơn để khởi động vì lúc
khởi động momen quay của động cơ bằng 0. Do đó khi khởi động sẽ phải tốn công
suất gấp 3 đến 4 lần công suất vận hành, nên sẽ làm máy phát tắt tức thời và bật tắt
liên tục vì bảo vệ an toàn cho máy phát. Gây không thể làm việc. Nhưng khi hòa
mạng thì khác khi công suất máy phát điện mặt trời thiếu thì nguồn quốc gia sẽ hỗ
trợ và làm cho động cơ chạy, nhưng khi đã chạy ổn định rồi thì không cần nguồn
quốc gia nữa mà năng lương dư thừa lại chia sẻ sang cho người khác sử dụng. Nên
khi mùa nắng không cần nhiều năng lượng từ nguồn quốc gia mà nguồn quốc gia
giống như một nguồn hỗ trợ cho việc vận hành, điều hòa công suất cho mọi nơi.
Giảm đi tổn thất trên đường truyền tải do công suất tại nơi tiêu thụ giảm.
Nếu chúng ta không hòa mạng thì khi không dùng năng lượng mặt trời sẽ phải
nạp vào ắc quy như vậy làm chi phí tăng khổng lồ cho nguồn dự trữ ắc quy. Mặt
khác không có khai thác hết công suất và hiệu suất từ nguồn năng lượng mặt trời, vì
bạn không thể mua ắc quy lớn đến mức tích trữ hết công suất tiêu thụ, lại làm cho
Accu mau hư do nạp xả liên tục, gây hư hại ắc quy tăng chi phí đầu tư và chi phí
vận hành giảm đi việc thu lại vốn và lợi nhuận từ việc tạo ra năng lượng bằng mặt
trời. Đặc điểm nữa liên quan đến việc tạo ra năng lượng điện từ mặt trời đó là công
suất không đều theo thời gian trong ngày. Nghĩa là vào buổi sáng và buổi chiều
công suất thấp hơn nhiều lần công suất tại buổi trưa cho dù các Panel mặt trời có
dùng hệ thống tracking định hướng theo mặt trời, do đó việc điều hòa bằng cách
hòa mạng là một giải pháp trong tương lai và ít tốn kém trong việc bảo trì, vận hành
và hoạt động. Khi hòa mạng điện lợi ích tiếp theo đó là giảm thấp thoát năng lượng
trong việc truyền tải điện năng đi xa. Các nhà máy điện thường ở rất xa thành phố,

mà thành phố là nơi tiêu thụ lượng điên khổng lồ, nên tiêu hao và thấp thoát năng
lượng rất lớn trên đường dây. Nay hòa mạng sẽ có nguồn năng lượng tại chỗ, sẽ
giảm đi năng lượng truyền tải từ xa nên giờ với đường dây truyền tải năng lượng
lớn bây giờ chỉ truyền tải ít năng lượng hơn, thì hiệu suất truyền tải lớn hơn do đó
giảm thấp thoát năng lượng trên đường dây.

14


1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng
kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và
môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của
các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta. Nguồn năng
lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt
(tái sinh), và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt
trời. Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên.
Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là
năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại
Việt Nam vốn là một trong những vùng có cường độ bức xạ mặt trời tương đối
cao trên thế giới. Hơn nữa, nước ta còn là một quốc gia đang phát triển, người dân
nghèo còn nhiều, không phải ai cũng có khả năng sử dụng điện sinh hoạt với mức
giá như hiện nay. Vì thế, năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hoàn toàn
phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống Solar Tracker” được thực hiện trên vi
xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng tấm solar cell
10W - 18V. Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn có thể được đưa vào hoạt động thực
tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả trong kinh tế.
1.4. Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
- Thiết kế, thi công phần cảm biến góc chiếu của ánh sáng mặt trời, cơ cấu
chuyển động theo ánh sáng mặt trời để cho hiệu suất pin cao nhất
- Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy 12V
- Thi công phần cứng, khung cho toàn hệ thống
- Hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định, tính thực tiễn cao, có thể áp dụng trực
tiếp vào thực tế
- Hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, kết cấu khung chắc chắn

15


CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER

2.1. Yêu cầu bài toán
- Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạch
nghịch lưu áp Inverter .
- Xây dựng một hệ thống Solar tracker hoàn chỉnh có nhiệm vụ hấp thụ ánh
sáng mặt trời tối đa, biến đổi điện áp DC sang AC cung cấp cho phụ tải xoay chiều.
2.2. Giải pháp thiết kế
Hệ thống bao gồm :
- 1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
- 2. Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặt trời
- 3. Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)
- 4. Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)
- 5.Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)
- 6. Ắc quy (Battery)
Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đề chúng ta
đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu

khác nhau.

Hình 2.1. Solar Tracker

16


Hình 2.2. Hướng ánh sáng mặt trời
Từ đó giải pháp thiết kế sẽ phải có bộ phận điều khiển hướng đón ánh sáng của
tấm pin mặt trời, sử dụng cảm biến ánh sáng.
2.3. Sơ đồ khối và chức năng các khối
2.3.1. Sơ đồ khối

Hình 2.3. Sơ đồ khối

17


2.3.2. Chức năng các khối
Tấm pin Solar:
Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệu đặc
biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin
mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể
(monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), có
tuổi thọ trung bình 30 năm.
Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện
một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử
có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và phóng điện từ
ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn,
trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành

dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng
Bộ điều khiển sạc:
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy
chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy và giúp hệ
thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. - Bộ điều khiển còn cho biết tình
trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát
được các phụ tải.
Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện
thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi
bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp.
DC – AC Inviter:
Là bộ biến điện nghịch lưu. Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy
thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC). Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ
0.3kVA – 10kVA. Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng
của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sine, giả sine, sóng vuông, sóng bậc thang…
Nguồn dự trữ(Ắc-quy):
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn
ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc
vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng

18


lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối
lại với nhau.
Khối cảm biến ánh sáng và vi xử lý:
Vi xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến quang trở sau đó xử lý để điều
khiển động cơ servo, cảm biến quang trở sẽ so sánh giá trị điện trở giữa vùng sáng
và vùng tối để gửi giá trị điện trở thay đổi về cho vi xử lý.
2.3.3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống

Solar Tracker là một hệ thống pin năng lượng mặt trời, do đó hoạt động chủ
yếu dựa vào năng lượng ánh sang mặt trời, khi có ánh sang mặt trời chiều vào, tấm
pin biến đổi quang năng thành điện năng DC, dòng điện đi qua bộ phận điều khiển
sạc để sạc cho bộ lưu trữ điện Ắc-quy, thiết bị điện hay tải sẽ sử dụng trực tiếp
nguồn điện của pin năng lượng mặt trời tạo ra, khi nắng yếu hoặc không có nẳng
điện áp yếu thì hệ thống tự động chuyển sang nguồn dự trữ Ắc-quy để cấp cho tải.
Vì trong một ngày, mặt trời quay quanh quỹ đạo nên ánh nắng mặt trời sẽ bị
thay đổi góc chiều, chính vì vậy ta cần sử dụng một khối điều khiển sao cho tấm
pin quay theo hướng của mặt trời, tia nắng tạo với mặt phẳng tấm pin Solar một
góc 90 độ khi đó tấm pin nhận được lượng ánh sáng tối đa nhất.
2.4. Lựa chọn linh kiện
2.4.1. Lựa chọn tấm pin mặt trời Solar
Ta sử dụng tấm pin mặt trời 10W, với quy mô nhỏ sử dụng cho các thiết bị
điện hay tải công suất nhẹ.

Hình 2.4. Pin mặt trời
19


2.4.2. Thông số cơ bản:
 Thông số: 10W / 18V
 Kích thước: 332 x 205 x 17 mm
 Điện áp: 16 V
 Dòng tối đa: 0.56 Amp
 Nhiệt độ hoạt động: - 40 ~ +85 độ C
 Trọng lượng: 0.8 kg
2.4.3. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thường
gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh
sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh

thể. Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một
vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự
14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên
trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp
đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung
các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên
tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử
(bền vững).

Hình 2.5. Tinh thể Silic

20


Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam
giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang,
hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng
lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng
hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất
vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P)
với tỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết
trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt
có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.

Hình 2.6. Tinh thể bán dẫn loại N
Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N :(Negative) vì có tính chất
dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng
các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại
P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Điều gì sẽ xảy ra khi ta

cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp
xúc trong bán dẫn loại N sẽ sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và
lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này. Liệu các điện tử tự do của bán dẫn
N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các điện tử

21


di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại
bán dẫn P tích điện âm.

.
Hình 2.7. Tinh thể bán dẫn loại P
Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện
1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N
sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có e hay lỗ trống
tự do.

Hình 2.8. Lớp tiếp giáp P-N
Thiết bị mà chúng ta vừa mô tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn. Điện trường tạo
ra ở bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là
từ bán dẫn loại P sang bán dẫn loại N, dòng điện tử sẽ không được phép chạy theo
hướng ngược lại. Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần
tĩnh điện.
Pin quang điện không phải cái gì khác chính là một điốt bán dẫn có diện tích bề
mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Khi chiếu ánh sáng
22


vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện có

một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần
may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm
trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền
cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu
không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu
ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện .Nhưng cặp e
và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéo về phía bán
dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p.kết quả là nếu ta nối hai cực
vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế
này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ . Với Si
( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V. Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta
khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) ,
tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng
8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá
rộng. Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn
mới làm được điều này.
Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV. Các photon năng lượng thấp
hơn sẽ không sử dụng được. Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần
năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm. Vậy tại sao chúng ta không
chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp. Vấn đề là
khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc. Khe
vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé. Nên nhớ công suất của dòng điện bằng
hiệu điện thế nhân với dòng. Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào
khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa. Một nguyên nhân nữa
cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các
tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho
tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể
đi qua. Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá
xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện. Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới

23


kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời. Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm
vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện. Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn
hơn năng lượng nó thu được trong quá trình dùng. Một thực tế là việc sử dụng năng
lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ vào nguồn năng lượng thủy điện
( cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu cầu tiêu thụ điện và sự khổ
sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết đã gióng một hồi chuông nhẹ tới
suy nghĩ này của toàn bộ mọi người.
2.5. Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển
2.5.1. Giới thiệu về vi điều khiển Atemega 328

Hình 2.9. Vi điều khiển Atemega 328
Sử dụng vi điều khiển AVR Atemega 328, lập trình trên nền ngôn ngữ Arduino
đơn giản cho người lập trình.Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất
bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328
là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB
ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng
lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB RAM). Với 23 chân có thể sử dụng cho các
kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ imer/counter có thể lập trình, có các gắt
nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART,
SPI, I2C. Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở

24


rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ

nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung. Atemega328 có khả năng
hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng)
1MIPS trên 1MHz
Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự
án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng
lượng (chế độ hoạt động : 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1 μA, chế độ tích kiệm: 0.75
μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR. Và không thể không
nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển Atmega328 trong dự án mã nguồn mở
Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những
sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương
trình trong “nháy mắt”.
Thông số chính Atmega328P-PU:
+ Kiến trúc: AVR 8bit
+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz
+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB
+ Bộ nhớ EEPROM: 1KB
+ Bộ nhớ RAM: 2KB
+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V
+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit
+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn
ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói. Và Wiring lại là
một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C
hay C/C++. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ
học, dễ hiểu.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát
triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino
được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment).

25