Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời dùng arduino (tt)

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................................ 1
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ. .................................................................................................................. 1

1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU............................................................................................... 2

1.3.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI............................................................................................................ 2

1.4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN ..................................................................................................... 4
2.1.

TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................... 4

2.2.

BỨC XẠ MẶT TRỜI ........................................................................................................ 6

2.3.

TIỀM NĂNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM .......................... 9

2.4

. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................... 13

2.4.1.

CƠ SỞ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................................... 13

2.4.2.

CẤU TẠO ................................................................................................................ 14

2.4.3.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .................................................................................. 15

2.4.4.

SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG ĐIỆN ..................... 16

2.5.

HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................... 17

2.6.

NHỮNG CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ........................ 19

2.6.1.

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC .................................................... 19

2.6.2.

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC ..................................................... 19

2.7.

GIỚI THIỆU MODULE .................................................................................................. 21

2.7.1.

MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 ................................................................. 21

2.7.2.

LCD TEXT 20x4...................................................................................................... 22

2.7.3.

BOARD ARDUINO MEGA 2560........................................................................... 23

2.7.4.

MODULE TB6560 – Driver Step Motor ................................................................. 25

2.8.

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. .................................................................................................... 26

2.8.1.

GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. ............................................................... 26

2.8.2.

LÝ THUYẾT CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................................ 27

2.8.3.

ĐIỀU CHỈNH VÒNG LẶP ..................................................................................... 28

2.8.4.

ĐỘ ỔN ĐỊNH .......................................................................................................... 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI 2 TRỤC ...................................................................................................................... 29
3.1.

SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG............................................................................................. 29

3.2.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .......................................................................................... 30


3.3.

SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ...................................................................................................... 30

3.4.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ..................................................................... 31

3.4.1.

BẢN VẼ CHI TIẾT CƠ KHÍ ................................................................................... 31

3.4.2.

THÔNG SỐ KỸ THUẬT ........................................................................................ 31

3.4.3.

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ....................................................................................... 34

3.5.

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT................................................................................................... 36

3.6.

HÌNH ẢNH THỰC TẾ .................................................................................................... 37

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ............................................................................................................. 39
4.1.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................................................................................... 39

4.2.

ƯU/KHUYẾT ĐIỂM ....................................................................................................... 39

4.3.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 39

Tài liệu tham khảo ......................................................................................................................... 41
PHỤ LỤC ........................................................................................................................................ 43


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1: Các thành phần của Mặt Trời…………………………………………………………4
Hình 2: Cấu tạo và các tia của Mặt Trời………………………………………………………5
Hình 3: Hiện tượng ngày dài ngắn theo mùa………………………………………………….6
Hình 4: Hiện tượng ngày dài ngắn theo vĩ độ…………………………………………………6
Hình 5: Bước sóng các tia của Mặt Trời……………………………………………………….7
Hình 6: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển….…..……….…8
Hình 7: Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam……………………………….…………………….11
Hình 8: Quá trình chuyển đổi năng lượng……………………………………………………..13
Hình 9: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời (solar cell)………………………….……………15
Hình 10: Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời……………….……………………15
Hinh 11: Các loại pin năng lượng mặt trời……………………………………………………16
Hình 12: Sơ đồ tương đương…………………………………………………………………….17
Hinh 13: Hệ nguồn pin năng lượng Mặt Trời độc lập……………………………………….18
Hình 14: Module thời gian thực DS1307………………………………………………………21
Hình 15: Màn hình LCD 20x4…………………………………………………………………..22
Hình 16: Board Arduino Mega 2560……………………………………………………….…..23

Hinh 17: Giao thức I2C…………………………………………………………………………..25
Hình 18: Module TB6560………………………………………………………………………..25
Hình 19: Động cơ bước………………………………….……………………………………….26
Hình 20: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID..…………………………………………………27
Hình 21: Sơ đồ khối toàn hệ thống..……………………………………………………………29
Hình 22: Sơ đồ khối chế độ REAL TIME………………………………………………………30


Hình 23: Sơ đồ khối chế độ AUTO……………………………………………………………..30
Hình 24: Sơ đồ mạch điện……………………………………………………………………….30
Hình 25: Bản vẽ chi tiết cơ khí hệ thống……………………………………………………….31
Hình 26: Pin mặt trời……………………………………………………………………………..31
Hình 27: Bộ điều khiển sạc(charge controller)……………………………………………….32
Hình 28: Máy kích điện (Power inverter) 500W…………………………….………………..33
Hình 29: Bình ắc quy 12VDC…………………………………………………………………..33
Hình 30: Các góc quay…………………………………………………………….…………….33
Hình 31: Biểu đồ thực nghiệm…………………………………………………………....…….33
Hình 32: Lưu đồ giải thuật………………………………………………………………………35
Hình 33: Hình ảnh thực tế…………………………………………………..…………………..36


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AC

Alternating Curent

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

GND

Graduated Neutral Density

Dòng điện nối đất

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

PID

Proportional Integral Derivative

Điều khiển vi tích phân tỉ lệ

MPPT

Maximum Power Point Tracker

Dò tìm điểm làm việc có công suất
tối ưu

BOS

Balance Of System

Cân bằng hệ thống

I2C

Inter-Intergrated Circuit

Giao tiếp nối tiếp 2 dây

IC

Integrated Circuit

Mạch tích hợp


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1: Thống kê dữ liệu lượng bức xạ Mặt Trời Việt Nam……………………………..…11
Bảng 2: Lượng bức xạ trung bình các tháng ở một số địa phương trong nước………..…12
Bảng 3: Chức năng các chân LCD 20x4……………………………………………………….22
Bảng 4: Công suất các thiết bị trong gia đình………………………………………………...34

Bảng 5: Bảng thông số thực nghiệm …………………………………………………………...36


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
Khi nền kinh tế thế giới đang tăng trưởng vững vàng, nhiều câu hỏi được đưa
ra liệu chúng ta có thể tiếp tục xu hướng này trong tương lai hay không, chúng ta có
thể đảm bảo cung cấp đủ năng lượng và bảo vệ môi trường. Tổ chức IEA bắt đầu
chương trình Triển Vọng Năng Lượng thế giới năm 2006 với khẩu hiệu “Thế giới
đang đối mặt với đe doạ gấp đôi liên quan đến năng lượng: một là không có đủ và
đảm bảo được nguồn cung năng lượng ở mức giá hợp lý và hai là sự tác động đến
môi trường bởi tiêu thụ quá nhiều năng lượng”. Nhu cầu về năng lượng của con
người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng, khi các nguồn
năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đang ngày một cạn kiệt và ảnh
hưởng của việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, các nhà máy nhiệt điện
đã gây ra ô nhiễm môi trường và làm thay đổi môi trường sinh thái. Trong khi đó
nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phải tìm ra các nguồn năng
lượng mới để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế và kỹ thuật.
Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được vì
các ưu điểm được biết đến như sạch sẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận và có
ở khắp nơi dù ít hay nhiều. Việc thu giữ năng lượng mặt trời gần như không có ảnh
hưởng tiêu cực đến môi trường, sử dụng năng lượng mặt trời không thải ra khí thải
và nước độc hại do đó không gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà
kính. Do đó, năng lượng mặt trời được xem như là một trong những giải pháp để
thay thế với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, có thể tái tạo và 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, thứ hai đó
là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng.
Đất nước Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, có vị trí lãnh

thổ trải dài từ 8 vĩ độ Bắc đến 23 vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ
tương đối cao. Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được
khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất. Hệ thống pin mặt
trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
1


thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện bán dẫn. Pin mặt trời có ưu
điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới
pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng
có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng tức là hiệu suất của tấm pin
mặt trời càng tăng lên. Hệ thống pin mặt trời thường được lắp cố định vào một tấm
đế, do đó pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông
góc với mặt phẳng của tấm pin, tại các vùng khác thì hiệu suất của pin mặt trời sẽ
giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, giải pháp được đưa ra là xây dựng
một hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc
với ánh sáng mặt trời. Với các vấn đề đã nêu ra là lý do tác giả tiến hành nghiên cứu
và thiết kế đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời dùng
Arduino". Hệ thống có chức năng điều hướng và giữ cho các tấm pin luôn ở trạng
thái vuông góc với hướng chiếu của ánh sáng mặt trời.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
-

Nâng cao hiệu suất chuyển đổi của tấm pin thông qua việc điều khiển vị trí
tấm pin luôn luôn vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới.

-

Thiết kế mô hình điều hướng xoay theo 2 trục.

-

Xây dựng thuật toán điều hướng pin mặt trời theo thời gian thực và điều
khiển vị trí dùng bộ điều khiển PID.

1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời
nhưng do điều khiện thời gian và kinh phí nên đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:
-

Mô hình hóa hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời dùng cho học tập
và nghiên cứu.

-

Động cơ dẫn động hệ thống cơ khí là động cơ bước.

-

Tìm hiểu về các phương pháp điều hướng tấm pin, từ đó xây dựng hệ thống
điều khiển

-

Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống ứng dụng thời gian thực và theo
hướng ánh sáng điều khiển PID.

-

Thiết kế mô hình điều hướng và vận hành thực tế.

2


1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời
dùng Arduino", tác giả đã tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:
Kế thừa các kết quả nghiên cứu:
-

Kế thừa và phát triển các công trình nghiên cứu trước đó về cơ sở lý thuyết
của các phần mềm lập trình và mô phỏng.

-

Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn.

Nghiên cứu lý thuyết :
-

Nghiên cứu nguyên lý cơ bản của hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt
trời.

-

Nghiên cứu về module thời gian thực.

-

Nghiên cứu về bộ điều khiển PID.

-

Xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống.

Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:
Chạy nghiệm mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của chương trình và
lỗi của phần cứng của hệ thống và từ đó hoàn thiện hệ thống.

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là một sao nhóm I, nhóm sao có nhiều nguyên tố nặng. Sự hình
thành của mặt trời có thể được bắt nguồn từ các sự chấn động từ một hay nhiều siêu
tân binh bên cạnh. Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí khổng lồ cách Trái Đất
1,495.108km. Từ Trái Đất chúng ta nhìn Mặt Trời dưới một góc mở là 31’59. Từ đó
có thể tính được bán kính của Mặt Trời là R=1,4.106km, tức là bằng 109 lần đường
kính Trái Đất và do đó thể tích của Mặt Trời cũng lớn hơn thể tích của Trái Đất
khoảng 130.1014 lần. Từ định luật vạn vật hấp dẫn ta cũng có thể tính ra được khối
lượng của Mặt Trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng của Trái Đất 33.1014 lần.
Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước
khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp ở vỏ khác nhau của Mặt Trời rất khác
nhau, ở phần lõi bị nén với áp suất cao nên mật độ có thể lên đến 160g/cm3 nhưng
càng xa ra phía ngoài thì mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính là phần phía
trong và phần khí quyển bên ngoài:
+ Phần khí quyển bên ngoài lại chia thành ba miền khác nhau là Quang cầu,
Sắc cầu và Nhật miện.

+ Phần bên trong được chia thành ba lớp là tầng đối lưu, tầng trung gian và
lỗi Mặt Trời.

Hình 2.1: Các thành phần của Mặt Trời.
4


Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời là một quả cầu lửa ổn định.
Thực ra đó là một khối khí khổng lồ, bên trong nó luôn luôn có sự vận động mạnh
mẽ không ngừng, đó là các phản ứng nhiệt hạch vô cùng lớn, sự ẩn hiện của các
đám đen, sự biến đổi của các quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung
quanh các đám đen là các bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng Mặt
Trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình
kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng... luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.
Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H2), Heli(He) chiếm
19,8%, các nguyên tố khác chiếm 1,8 %. Năng lượng mặt trời do bức xạ là khổng lồ,
mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016
tấn than đá tiêu chuẩn. Tuy vậy nhưng bề mặt của Trái Đất chỉ nhận được một năng
lượng rất nhỏ khoảng 17,57.1016J tương đương 6.106 tấn than đá.

Hình 2.2: Cấu tạo và các tia của Mặt Trời.
Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần năng
lượng đó truyền đến trái đất chúng ta dưới dạng bức xạ. Trái đất và mặt trời có mối
quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự
sống trên trái đất.
Mối quan hệ mật thiết giữa Trái Đất và Mặt Trời:
- Vận tốc chuyển động của trái đất: tùy thuộc vào khoảng cách từ Trái Đất
đến Mặt Trời
+ Gần Mặt Trời: chuyển động nhanh (302km/s).
+ Xa Mặt Trời: chuyển động chậm (292km/s).

- Hiện tượng ngày đêm dài ngắn:
5


Tài liệu tham khảo
[1]

Kim Anh Tuấn (2014), Giáo trình linh kiện điện tử, Trường đại học Trà Vinh,
lưu hành nội bộ.

[2] Đặng Hữu Phúc (2014), Giáo trình kỹ thuật lập trình, Trường đại học Trà Vinh,
lưu hành nội bộ.
[3]

Đặng Hữu Phúc (2014), Giáo trình cơ sở điều khiển tự động, Trường đại học
Trà Vinh, lưu hành nội bộ.

[4]

TS Hoàng Dương Hùng(2014), Giáo trình năng lượng mặt trời lý thuyết và
ứng dụng, trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng.

[5]

Lý Ngọc Thắng(2012), 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, viện năng lượng bộ công thương.

[6]

Agarwal, A. K. (1992). Two axis tracking system for solar concentrators.
Renewable. Energy, (2): 181-182.

[7]

Brown, D. G. and Stone, K. W. (1993). High accuracy/low cost tracking
system for solar concentrators using a neural network. In Proceedings of the
28th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Atlanta, GA,
USA, August. 8-13

[8]

Khalifa A. N. and Al-Mutawalli S. S. (1998). Effect of two-axis sun tracking
on the performance of compound parabolic concentrators.Energy Conversion
Management. (39): 1073-1079.

[9]

Abdallah, S. (2004). The effect of using sun tracking systems on the voltagecurrent characteristics and power generation of flat plate photovoltaics.Energy
Conversion Management. (45): 1671-1679.

[10] Al-Naima, F. M. and Yaghobian, N. A (1990).Design and construction of a
solar tracking system. Solar Wind Technology (7): 611-617.
[11] Abdallah, S. and Nijmeh, S. (2004). Two axes sun tracking system with PLC
control. Energy Conversion Management. (45): 1931-1939.
[12]Shrishti R. (2013). A Study on Automatic Dual Axis Solar Tracker system
Using 555 Timer. International Journal of Research and Application; 1 (4): 7785.
41

[13] />[14] />[15]_ />ong%20ket%20De%20tai%20I203_O%20Thang%20TT2.pdf
[16] />
42