Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM NGUYÊN LỘC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HỆ
THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 8.52.01.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Đặng Phƣớc Vinh

Phản biện 1: PGS.TS. Trần Xuân Tùy

Phản biện 2: PGS.TS Lê Viết Ngưu

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử họp tại Trường Đại học
Bách khoa vào ngày 27-28 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại

học Bách khoa
Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời
chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Rõ ràng, một dàn pin
mặt trời đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một
dàn pin có xu hướng hứng trọn ánh sáng mặt trời.
Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ
thống hướng sáng tấm pin mặt trời luôn giữ cho các tia bức xạ chiếu
vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban
ngày.
2. M c đ ch nghiên c u
Tìm hiểu nguyên lý, tính năng, cấu tạo, các vấn đề kỹ thuât
nhằm thiết kế và chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời.
Xây dựng phần mềm đo đạc và lưu trữ dữ liệu năng lượng
thu được.
Đánh giá hiệu quả về năng lượng giữa hệ thống hướng sáng
tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời cố
định.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên c u
 Đối tƣợng nghiên c u
- Các hệ thống pin năng lượng mặt trời tự xoay.
- Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho hệ thống pin mặt
trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời.
- Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm. Từ đó hoàn thiện hệ
thống hướng sáng tấm pin mặt trời.

- Xây dựng phần mềm thu thập dự liệu năng lượng thu được.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt
trời so với hệ thống pin mặt trời cố định.
 Phạm vi nghiên c u
- Thiết kế, chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời
dùng cho nghiên cứu và thực tiễn.
- T ng hợp dự liệu năng lượng thu được làm cơ s đánh giá
hiệu suất giữa hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống
pin mặt trời cố định.
4. Phƣơng pháp nghiên c u
- Phân tích lý thuyết và các mô hình chuyển đ i năng lượng
mặt trời thành điện năng và các công cụ phần mềm để thiết kế, điều
khiển, tính toán.


2
- Lựa chọn phương án truyền động và kết cấu hệ thống
hướng sáng tấm pin mặt trời.
- Thiết kế và chế tạo hệ thống.
- Viết chương trình thu thập dữ liệu năng lượng, phân tích dữ
liệu và đánh giá kết quả.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
- Góp phần hoàn thiện cơ s khoa học về việc thiết kế và chế
tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt
trời so với hệ thống pin mặt trời cố định. Từ đó đưa ra kiến nghị đối
với hệ thống pin năng lượng mặt trời.
 Ý nghĩa thực tiễn
Nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời

trong cuộc sống.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có 5 chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1: T ng quan về hệ thống hướng sáng tấm pin mặt
trời.
Chương 2 : Tính toán và thiết kế hệ thống hướng sáng tấm
pin năng lượng mặt trời
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển hướng
sáng tấm pin mặt trời
Chương 4: Kết quả và đánh giá
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
CHƢƠNG 1: T NG QUAN VỀ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG
TẤM PIN MẶT TRỜI.
1.1. Nhu cầu sử d ng năng lƣợng mặt trời
1.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải
phân b ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ
mặt trời của thế giới. Đó là cơ s rất lớn để đất nước chúng ta phát
triển ngành công nghiệp điện mặt trời.
Sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại
chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu
cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh
tế, an ninh quốc phòng.


3
1.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Việc phát triển các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái
tạo tr nên cấp thiết và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các
quốc gia.

Sự phát triển công nghệ năng lượng mặt trời đã tạo ra một
ngành công nghiệp mới gọi là công nghiệp năng lượng mặt trời, tạo
ra hàng triệu công ăn việc, góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ
môi trường và tăng cường an ninh năng lượng nhiều quốc gia trên
thế giới.
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống hƣớng sáng tấm pin mặt trời
Hệ thống bao gồm 3 bộ phận chính: tấm pin năng lượng mặt
trời, cơ cấu cơ khí và bộ điều khiển. Tấm pin năng lượng mặt trời
được đặt trên kết cấu cơ khí với 1 bậc tự do (quay quanh trục Ox khi
đặt cơ cấu trong hệ trục không gian Oxyz).

Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời
1.3. Các ng d ng
 Nhà máy điện năng lƣợng mặt trời Desert Sunlight
Solar Farm tại Riverside County, California, Mỹ.
Theo USA Today, nhà máy điện năng lượng mặt trời Desert
Sunlight Solar Farm có công suất 550 MW, sử dụng hệ thống định
hướng với 8.8 triệu tấm bảng thu năng lượng mặt trời phát ra dòng
điện trực tiếp sẽ có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho 160.000 hộ
gia đình California.


4
Hình 1. 2: Hệ thống năng lượng của nhà máy Desert Sunlight Solar
Farm
 Nhà máy sản xuất điện mặt trời tập trung Ivanpah
(Công suất 392 MW)
Ivanpah được trang bị khoảng 347.000 chiếc gương điều
khiển bằng máy tính, mỗi chiếc cao khoảng 2,13m và rộng khoảng
3,05m. Khi vận hành hết công suất, hệ thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ

cho 140.000 hộ gia đình.

Hình 1. 3: Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại Mỹ
 Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW)
Năng lượng mặt trời được t ng hợp trên các tấm pin quang
năng tự động điều hướng vuông góc với bức xạ của mặt trời. Với sản
lượng hàng năm mức 1,1 GWh, Topaz có thể cung cấp điện cho
khoảng 160.000 hộ gia đình và cắt giảm 300.000 tấn CO2 mỗi năm,
tương đương lượng khí thải của 73.000 xe ô tô.
 Nhà máy liên hợp điện mặt trời Noor tại Ma-rốc
Đến năm 2018, nhà máy liên hợp Noor sẽ đủ khả năng cung
cấp điện cho 1,1 triệu dân Ma-rốc.
Dự án xây dựng nhà máy liên hợp điện mặt trời Noor nhằm
làm giảm thải 700.000 tấn khí carbon/năm.

Hình 1. 13: Các tấm gương thu ánh sáng mặt trời theo công nghệ tập
trung năng lượng mặt trời được lắp đặt tại nhà máy liên hợp Noor


5
CHƢƠNG 2 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Hệ thống hướng sáng với quy mô gia đình được chọn làm
đối tượng nghiên cứu thử nghiệm.

(a)
(b)
Hình 2. 1: Hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời 1 trục
(a) và 2 trục (b) [11]
Hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm 2

loại trục đơn và trục kép. Hệ thống định hướng theo một trục duy
nhất sẽ định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây trên một
trục đặt theo hướng Bắc Nam. Hệ thống trục kép định hướng Đông
sang phía Tây và định hướng theo phía Bắc đến phía Nam.
2.1. Lựa chọn số bậc tự do cho hệ thống.
2.1.1. Phương án 1: Hệ thống hướng sáng theo trục đơn với cơ cấu
một bậc tự do.
2.1.1.1. Đặc điểm
Cơ cấu cơ khí với một bậc tự do. Tấm pin năng lượng mặt trời
được điều khiển theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách sử
dụng một trục duy nhất. Tấm pin quay để nhận được năng lượng lớn
nhất có thể vào các thời điểm trong ngày.

Hình 2. 2: Sơ đồ động cơ cấu một bậc tự do


6
2.1.1.1.Ưu và nhược điểm
 Ƣu điểm:
 Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời.
 Đơn giản, hiệu quả trong quá trình thiết kế và quá
trình gia công.
 Tiết kiệm một cơ cấu truyền động, ít tốn chi phí so
với trục kép.
 Giảm thiểu khả năng hư hỏng.
 Bảo dưỡng thấp.
 Lập trình điều khiển dễ dàng hơn.
 Nhƣợc điểm:
 Năng lượng nhận được thấp hơn so với hệ thống trục
kép.

 Cơ cấu điều khiển không tối ưu, chưa có nhiều cải
tiến vượt bậc so với cơ cấu tĩnh.
 Công suất cung cấp chưa đạt giá trị mong muốn.
2.1.2. Phương án 2: Hệ thống hướng sáng theo hai trục với cơ cấu
hai bậc tự do.
2.1.2.1. Đặc điểm
Cơ cấu cơ khí có hai bậc tự do. Tấm pin năng lượng mặt trời
sẽ được điều khiển hướng sáng theo theo vị trí mặt trời từ Đông sang
Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay.
7

ndc1

6
5

1- Trục 2.
2- Động cơ 2.
2
3- Khớp nối.
4- Bộ truyền xích.
5- Động cơ 1
6- Bộ truyền xích.
7- Trục 1
Hình 2. 2: Sơ đồ động cơ cấu hai bậc tự do
4

ndc2

3

1


7
2.1.2.2. Ưu và nhược điểm
 Ƣu điểm:
 Với cơ cấu hai bậc tự do thì năng lượng nhận được
sẽ lớn nhất.
 Công suất tạo ra từ tấm pin sẽ lớn nhất.
 Thỏa mãn tính tối ưu về yêu cầu công nghệ.
 Mang tính đột phá trong hướng đi mới về pin năng
lượng mặt trời.
 Nhƣợc điểm:
 Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều
khiển động cơ.
 Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận b sung và
thời gian lắp đặt.
 Chi phí bảo trì cao hơn.
 Các bộ phận b sung thêm tăng thêm khả năng hư
hỏng.
 Quá trình điều khiển phức tạp hơn phương án 1.
2.1.3. Lựa chọn phương án
Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá hiệu suất của hệ thống
hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định. Do
đó, phương án 1(hệ thống hướng sáng theo trục đơn với cơ cấu một
bậc tự do) là phương án được lựa chọn vì tối ưu hơn về hiệu quả kinh
tế và đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất.
2.2. Chọn hệ thống truyền động.
2.2.1. Phương án 1: Truyền động bằng đai

2.2.1.1. Giới thiệu bộ truyền đai
Bộ truyền đai (hình 2.5) thường bao gồm: bánh đai dẫn (1),
bánh đai bị dẫn (2) và dây đai (3) mắc lên hai bánh đai. Dây đai
trong bộ truyền đai là một khâu mềm (khâu dẻo) liên kết hai bánh đai
lại với nhau. Các bánh đai được nối với giá bắng khớp quay.

Hình 2. 5: Bộ truyền đai


8
2.2.1.2. Ưu và nhược điểm
 Ƣu điểm:
Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau (< 15 m).
Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẻo của đai nên có
thể truyền động với vận tốc lớn.
Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động
sinh ra do tải trọng thay đ i tác dụng lên cơ cấu.
Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra
trên động cơ.
Kết cấu và vận hành đơn giản.
Phí t n bảo dưỡng ít.
 Nhƣợc điểm:
Kích thước bộ truyền đai lớn so với các bộ truyền khác: xích,
bánh răng.
Tỉ số truyền thay đ i do hiện tượng trượt trơn giữa đai và
bánh đai (ngoại trừ đai răng).
Tải trọng tác dụng lên trục và lớn (thường gấp 2-3 lần so
với bộ truyền bánh răng) do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực
pháp tuyến lên đai tạo lực mà sát).
Tu i thọ của bộ truyền thấp.

Căng dây đai
2.2.2. Phương án 2: Truyền động bằng xích.
2.2.2.1 Giới thiệu bộ truyền xích
Bô truyền xích đơn giản (hình 2.14) bao gồm hai đĩa xích
(đĩa dẫn 1 và đĩa bị dẫn 2) nối với giá bằng khớp quay và một dây
xích (3) (liên kết mềm) mắc trên hai đĩa. Ngoài ra, trong bộ truyền
xích còn sử dụng thiết bị căng xích (bộ phận (4) - hình 2.15), thiết bị
bôi trơn, che chắn.

Hình 2. 14: Bô truyền xích đơn giản
Chuyển động quay và tải trọng từ đĩa dẫn (1) sang đĩa bị dẫn
(2) nhờ sự ăn khớp giữa các mắt xích với các răng của đĩa xích (hình
2.16).


9
2.2.2.2 Ưu và nhược điểm
 Ƣu điểm:
 Không có hiện tượng trượt, hiệu suất cao hơn, có thể
làm việc khi có quá tải đột ngột.
 Không đòi hỏi phải căng xích, lực tác dụng lên trục
và nhỏ hơn bộ truyền đai.
 Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu
truyền cùng công suất và số vòng quay.
 Bộ truyền xích truyền công suất nhờ vào sự ăn khớp
giữa xích và bánh xích. Do đó góc ôm không có vị
trí quan trọng như trong bộ truyền đai và có thể
truyền công suất, chuyển động cho nhiều đĩa xích bị
dẫn.
 Nhƣợc điểm:

 Do có va đạp nên gây ồn ào vì vậy bộ truyền xích
hợp với với chuyển động có vận tốc thấp.
 Tỷ số truyền không n định.
 Chế tạo, lắp ráp, bảo dưỡng phức tạp, cần bôi trơn
và điều chỉnh xích sức căng xích.
 Tuy có cùng công dụng như bộ truyền đai nhưng khi
trục quay nhanh thì sử dụng truyền động đai, trục
quay chậm thì sử dụng truyền động xích
2.2.3. Phương án 3: Truyền động bằng bánh răng
2.2.3.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền bánh răng
Truyền động bánh răng thực hiện truyền chuyển động hay
biến đ i chuyển động nhờ sự ăn khớp giữa các răng trên bánh răng
hay thanh răng.
Theo vị trí tương đối giữa các trục, phân truyền động bánh
răng thành:
- Truyền động giữa các trục song song.
- Truyền động giữa hai trục giao nhau.
- Truyền động giữa hai trục chéo nhau.
- Ngoài ra còn dùng truyền động bánh răng - thanh
răng (hình 2.17j) dùng để biến chuyển động quay
thành chuyển động tịnh tiến.
Theo phương của răng so với các đường sinh, bộ truyền bánh
răng có thể phân thành:


10
Bộ truyền răng thẳng (bánh trụ răng thẳng, bánh nón
răng thẳng)
- Bộ truyền răng nghiêng, răng cong (bánh trụ răng
nghiêng, bánh răng nón răng cong).

Theo hình dạng của biên dạng răng (prôfin răng), phân
thành: bánh răng thân khai, bánh răng cung tròn (hay bành răng
Nôvikốp), bánh răng Xiclôit.
Theo kết cấu của bộ truyền, phân thành: bộ truyền bánh răng
được để h (bộ truyền h ) hoặc lắp trong hộp được che kín (bộ
truyền kín).
Ngoài ra, cũng chia ra bộ truyền bánh răng thành: bộ truyền
bánh răng ăn khớp ngoài (ngoại tiếp) và bộ truyền bánh răng ăn khớp
trong (nội tiếp)
2.2.3.2. Ưu và nhược điểm
 Ưu điểm:
 Bô truyền bánh răng có kích thước nhỏ gọn hơn các
bộ truyền khác, khi làm việc với công suất, số vòng
quay và tỷ số truyền như nhau.
 Bộ truyền bánh răng có khả năng tải cao hơn so với
các bộ truyền khác, khi có cùng kích thước
 Tỷ số truyền không thay đ i, số vòng quay n định.
 Hiệu suất truyền động cao hơn các bộ truyền khác
 Làm việc chắc chắn, tin cậy có tu i bền cao.
 Nhược điểm:
 Bộ truyền bánh răng yêu cầu gia công chính xác cao,
cần phải có dao chuyên dụng giá thành tương đối
đắt.
 Bộ truyền làm việc có nhiều tiếng ồn, nhất là khi vận
tốc làm việc cao.
 Khi sử dụng cần phải bôi trơn đầy đủ
2.2.4. Phương án 4: Truyền động trục vít bánh vít
2.2.4.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền trục vít
Bộ truyền trục vít bao gồm trục vít và bánh vít, được dùng
để truyền chuyển động và tải trọng giữa hai trục chéo nhau nhờ sư ăn

khớp của các ren trên trục vít với các răng trên bánh vít. Thông
thường góc chéo nhau giữa hai trục bằng Σ = 90°, trục vít là trục dẫn,
bánh vít là bánh bị dẫn.
-


11
Trục vít có cấu tạo như một trục trên đó có nhiều vòng ren.
co nhiều loại trục vít như trục vít trụ (hình 2.23), trục vít lõm hay
trục vít globoit (hình 2.24), tuy nhiên trục vít trụ dùng rộng rãi hơn
cả.
Tùy theo hình dạng ren, trục vít trụ được phân thành ba loại
(hình 2.26):
 Truc vít ác-si-mét
 Trục vít kôn-vô-lút
 Trục vít thân khai
2.2.4.2. Ưu và nhược điểm
 Ưu điểm:
 Tỉ số truyền rất lớn.
 Làm việc êm, không ồn.
 Có khả năng tự hãm.
 Có độ chính xác động học cao
 Nhược điểm:
 Hiệu suất thấp, sinh nhiệt hiều do có vận tốc trượt
dọc răng lớn.
 Vật liệu chế tạo bánh vít làm bằng kim loại màu để
giảm ma sát nên khá đắt tiền.
 Yêu cầu cao về độ chính xác lắp ghép.
2.2.5. Lựa chọn phương án:
Chọn phương án bộ truyền động băng xích và bên cạnh đó

việc đặt tấm pin ngoài môi trường chịu tác động của gió, bão,…
nên rất cần ưu điểm tự hãm của bộ truyền trục vít bánh vít. Do đó sẽ
lựa chọn động cơ trục vít bánh vít.
2.3. T nh toán và thiết kế phần cơ kh và chọn động cơ.
Sơ đồ động hệ thống hướng sáng pin mặt trời (hình 2.29) là
cơ cấu có một bậc tự do. Gồm động cơ truyền động cho bộ truyền
xích tạo chuyển động quay cho trục. Với sơ đồ động đó thì có thể
đáp ứng tốt khả năng hương sáng cho tấm pin mặt trời. Từ sơ đồ
động, tiến hành tính toán và thiết kế phần cơ khí như sau:
2.3.1. Chọn động cơ.
Từ sơ đồ động cho thấy muốn chọn động cơ thì phải tính
được công suất để quay được trục quay.
 Động cơ:
- Công suất : P = 12 Ư.
- Điện áp
: 12VDC.


12
- Hộp giảm tốc: Trục vít - bánh vít.
- Số vòng quay: 3.5 vòng / phút.
2.3.2. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ
2.3.2.1. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ
Do vận tốc xích nhỏ, tải trọng không lớn nên sơ bộ chọn loại
xích ống con lăn một dãy.
2.3.2.2.Xác định số răng đĩa xích
Do bộ truyền xích trong truyền động băng tải chỉ nhằm làm
cho bộ truyền nhỏ gọn nên chọn tỉ số truyền là i =3.
Hệ thống xoay với tải trọng nhỏ, đều nên lấy số răng đĩa xích
dẫn là Z1 = 12 và số răng đĩa xích bị dẫn là Z2 = 36.

2.3.2.3. Xác định bước xích
Bước xích t được chọn theo điều kiện hạn chế áp suất sinh ra
trong bản lề và số vòng quay trong một phút của đĩa xích phải nhỏ
hơn số vòng quay giới hạn.
Để tìm bước xích t trươc hết định hệ số điều kiện sử dụng:
k = kđ.kA.k0.kđc.kb.kc = 1.1.1.1.1,5.1 = 1,5
Xác định công suất tính toán của bộ truyền xích:
Nt = k.kZ.kn.N = 1,5.2,08.0,71 .0,012 =
0,026 kW
Bước xích được chọn theo bảng 6-4 [TL – 1] để thỏa mãn
điều kiện: Nt ≤ [N].
Tra bảng 6-4 [TL – 1] lấy bước xích t = 12,7 có trị số công
suất cho phép là 0,2 kW.
Kiểm nghiệm số vòng quay của đĩa xích dẫn theo điều kiện :
n1 ≤ ngh
Trong đó:
- ngh – Số vòng quay giới hạn, phụ thuộc số răng đĩa xích và
bước xích, tra bảng 6-5 (sách TK CTM). Ứng với bước xích t = 12,7
mm và số răng của đĩa xích Z1 = 12 thì số vòng quay giới hạn là
- ngh = 2300 vòng/phút (tra bảng 6-5 [TL – 1]). Vậy điều
kiện số vòng quay được thỏa mãn.
2.3.2.4. Xác định khoảng cách trục và số mắc xích
Khoảng cách trục chọn theo công thức (6-13) [TL – 1]:
A = (30 ÷ 50)t = 30t = 30.t = 30.12,7 = 380 mm
Số mắt xích X được tính theo công thức 6-4 [TL – 1]:

Z  Z 2 2 A  Z 2  Z1  t
X= 1
= 85 mắc xích.




2
t  2  A
2


13
Tính chính xác khoảng cách trục theo công thức 6-3, [ TL –
1]: TKCTM
A=

Z  Z2
Z  Z2 
t

 Z  Z1 
X  1
 X  1
  8 2

4
2
2 
2 



2

2


=



381 ,5 mm
Để xích khỏi chịu lực căng quá lớn, phải rút bớt khoảng cách
trục đã tính một khoảng A = (0,002  0,004)A = 1,5 mm. Như vậy
khoảng cách trục cuối cùng là A = 380 mm.
2.3.2.5. Tính đường kính vòng chia của đĩa xích
 Đường kính vòng chia đĩa dẫn là:
dc1 =


dc2 =

t
12,7
=
= 49
o
180
180 0
sin
sin
12
Z1

mm

Đường kính vòng chia đĩa bị dẫn là:

t
12,7
=
= 145
o
180
180 0
sin
sin
36
Z2

mm

2.3.2.6. Lắp ráp bộ truyền xích
Hình 2.31 cho thấy phương pháp được đề nghị để lắp đặt
một đĩa xích dọc.
Hình 2.32 cho thấy các cách lắp đặt không được khuyến cáo
vì dây xích có khuynh hướng bị bong ra khỏi đĩa xích, các mắc xích
và các răng dẫn động không ăn khớp, dẫn đến hiện tượng tuột xích
hoặc đứt xích.

Hình 2. 3: Phương pháp lắp đặt bộ truyền xích dọc được đề xuất


14

Hình 2. 4: Phương pháp lắp đặt không được khuyến nghị
Do đó, phương án được lựa chọn là bộ truyền xích được lắp
đặt theo hướng thẳng đứng. Bánh răng dẫn được điều khiển b i động
cơ nằm phía dưới và bánh răng bị dẫn nối với trục quay nằm phía
trên. Trục của hai bánh xích được bố trí lệch nhau một góc 20º.
2.3.3. Chọn trục quay
Chọn vật liệu chế tạo trục thép là C35.
Lựa chọn kích thước trục:
 Đường kính trục tính theo công thức:

d  C3
Trong đó:
0,012 kW;

N
n

mm.

N – công suất cần thiết, N =
n = 1.17 vòng/ phút;
C = 110130 chọn C = 110.

d  1103

10

0,012


1.17

23.9

mm.
Chọn đường kính trục là d = 25 mm.
90

12

25

Hình 2. 5: Kích thước trục

22


15
2.3.4. Chọn ổ bi.

Ø47

12

Ø25

Hình 2. 6: Ổ bi của trục
Thông số bi trục:
 Đường kính ngoài:
OD = 47 mm.

 Đường kính trong:
id = 25 mm.
 Độ dày lăn:
T = 12 mm

Hình 2. 35: Bản vẽ tổng thể cơ khí hệ thống hướng sáng
1 - Đế; 2 - Gân tăng cứng; 3 - Thân dưới; 4 - Thân trên;
5 - Bộ truyền xích; 6 - Bi đỡ trục; 7 - Trục; 8 - Khung pin; 9 Động cơ
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN HƢỚNG SÁNG TẤM PIN MẶT TRỜI
3.1. Ý tƣởng thiết kế
Tấm pin mặt trời trong hệ thống phải chuyển động xoay
quanh trục Bắc - Nam để hướng tấm pin vuông góc với ánh sáng do
mặt trời phát ra từ sáng đến tối.
Cơ cấu quay gồm một động cơ được điều khiển dựa vào các
giá trị đo được trên các quang tr . Các quang tr này được gắn trên
tấm pin năng lượng mặt trời để tính toán hướng bức xạ lớn nhất của


16
mặt trời, cơ cấu dừng quay khi các giá trị đo trên các quang tr xấp
xỉ bằng nhau với một sai số nhỏ nhất.
3.2. Phƣơng án điều khiển
Bộ phận cảm biến sử dụng 4 quang tr để tính toán hướng
bức xạ lớn nhất của mặt trời. Với số lượng quang tr lớn thì khả
năng điều hướng chính xác hơn.

Hình 3. 2: Cảm biến 4 quang trở
Bộ phận cảm biến sử dụng 4 quang tr là phương án tối ưu
nhất vì mang lại hiệu quả về mặt kinh tế, có độ chính xác cao và dễ

lập trình.
3.3. Các linh kiện sử d ng trong hệ thống
3.3.1. Quang trở
Các thông số kỹ thuật
 Điện áp tối đa: 250 V-DC,
 Công suất tối đa: 200 mW
 Kháng ánh sáng (10Lux): 10 ~ 20 (KΩ)
 Kháng bóng tối: 2 (MΩ)
 Nhiệt độ môi trường .: -30 ~ +700 C
 Giá trị c (1000 | 10): 0,6.
3.3.2. Biến trở
Biến tr là các thiết bị có điện tr thuần có thể biến đ i được
theo ý muốn. Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để
điều chỉnh hoạt động của mạch điện.
Điện tr của thiết bị có thể được thay đ i bằng cách thay đ i
chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động
khác như nhiệt độ thay đ i, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,...

Hình 3. 1: Cấu tạo của biến trở con quay cơ học


17
3.3.3. Pin năng lượng mặt trời
Thông số của tấm pin:
 Công suất: 50W.
 Dòng danh định (Imp): 2,27 A.
 Điện áp danh định (Vmp): 22,06V.
 Dòng h mạch (Isc): 2,9 A.
 Điện áp h mạch (Voc): 22,06 V.
3.3.4. Arduino Uno R3

Hình 3. 11: Arduino Uno R3
 Các thống số của Arduino Uno R3
 Vi điều khiển : Atmega328 họ 8 bit.
 Điện áp hoạt động : 5V-DC.
 Tần số hoạt động: 16Mhz
 Dòng điện tiêu thụ: khoảng 30 mA
 Điện áp vào khuyên dùng : 7-12 V-DC
 Điện áp giới hạn : 6-20V DC
 Số chân Analog : 6 (độ phân giải 10 bit)
 Số chân Digital I/O: 14 chân.
 Dòng điện tối đa trên mỗi chân: 30 Ma.
 Dòng điện ra tồi đa: (với 5V) : 500 mA
 Dòng điện ra tối đa : (với 3.3V) :50 mA.
 Bộ nhớ flash :32 kB (Atmega 328)
 SRAM : 2 kB (Atmega 328).
 - EEPROM : 1 kB (Atmega 328).
3.3.5. Mạch cầu H - L298N
 Ch c năng:
Sử dụng module L298N để điều khiển chiều quay của 2
động cơ DC. Các động cơ có thể điều khiển quay thuận quay nghịch
và dừng quay khi có tín hiệu từ các cân INT1, INT2, INT3, INT4.


18

Hình 3. 12: Mạch cầu H-L298N
3.4. Bộ điều khiển và nguyên lý hoạt động
Bộ phận cảm biến (hình 3. 13) gồm 2 vách ngăn đặt vuông
góc với nhau, 4 cảm biến quang tr được đặt lần lượt tại các góc

phần tư được tạo ra b i hai vách ngăn sao cho chúng cách đều và đối
xứng nhau qua các vách.

Hình 3. 13: Bộ phận cảm biến
Khi trờì tối, với t ng các giá trị analog trả về của quang tr
là lớn hơn 4000 thì thực hiện điều hướng đưa tấm pin mặt trời về vị
trí chuẩn bị sẵn sàng cho ngày tiếp theo. Khi cuối ngày, tấm pin đang
hướng về hướng mặt trời lặn hệ thống sẽ đưa về hướng mặt trời mọc
nếu điều kiện trời tối thỏa mãn.
Khi trời sáng, ta xây dựng được sơ đồ khối với các giá trị của
4 quang tr . Tiến hành so sánh các giá trị giữa chúng bằng cách tính
t ng các giá trị của hai quang tr nằm trên so sai lệch với t ng giá trị
của hai quang tr nằm dưới. Tương tự, thực hiện so sánh sai lệch
t ng giá trị của hai quang tr bên phải so với hai quang tr nằm bên
trái.
Từ sơ đồ khối đã xây dựng, ta có sơ đồ mạch điều khiển như
hình 3.14. Mạch bao gồm các linh kiện: Arduino, cảm biến quang
tr , động cơ, LM298, điện tr .


19
1
LDR1

R11
10k
2
1

A0

A1
A2
A3
A4
A5

LDR3
2

9

5V
GND

1

4

7
6
5
4
3
2
TX
RX

ARDUINO UNO

2

OUT1
VS

11
6
12
10
7
5

13
12
11
10
9
8

R13
10k

OUT2

ENB
ENA
IN4
IN3
IN2
VCCIN1

U4

12V

DONG CO 2

2

OUT3

L298

3

GNDSENSB
SENSA

LDR2

13

OUT4

ATMEGA328P

12V

DONG CO 1

14

15
1

R12
10k

AREF

8

1
LDR4

R14
10k
2

50%

36%

10k
RV1

10k
RV2

+12V

Hình 3. 14: Sơ đồ mạch điều khiển
Nguyên lý hoạt động:
Cho biến tr thay đ i giá trị theo trục quay quanh Oz. Khi
có tín hiệu trả về ngoài ngưỡng an toàn thì thiết bị điều khiển trả về
giá trị an toàn. Hay thực chất là đưa về vị trí để tránh tréo dây điện
khi thực hiện điều hướng.
Gán biến tr vào trục quay Ox. Đến khi trời tối nếu giá trị
biến tr nằm ngoài giới hạn cho phép thì thực hiện điều hướng để
đưa tấm pin năng lượng mặt trời về hướng mặt trời mọc chuẩn bị
nhận ánh sáng vào ngày mới.
3.5. Bộ lƣu trữ
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu trữ
điện năng.


20

Hình 3. 16: Cấu tạo bình ắc quy
Ắc quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ cung cấp
cho bộ biến đ i DC/AC trong trường hợp khí hậu xấu, thời tiết nhiều
mấy mưa không cung cấp đủ ánh sáng. Bộ ắc quy cũng đồng thời
cung cấp điện một chiều cho các thiết bị sử dụng điện một chiều.
3.6. Phần mềm Matlab
Phần này sẽ trình bày về cách đo dòng điện, điện áp, công suất của
tấm pin mặt trời bằng phần mềm Matlab. Qua đó thực hiện vẽ đồ thị
và đưa ra đánh giá.
3.6.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab.
MATLAB là một bộ chương trình phần mềm lớn dành cho tính toán
kỹ thuật có các chức năng:
 Tính toán.

 Phát triển thuật toán.
 Thu thập dữ liệu.
 Mô hình và mô phỏng.
 Phân tích dữ liệu.
 Vẽ đồ thị.
 Giao diện đồ họa.
3.6.2. Tạo giao diện
Từ phần mềm Matlab: m cửa s giao diện (Guide) ta tạo
được một giao diện
Để thực hiện đo các thông số dòng điện, điện áp, công suất
thì cần phải liên kết Arduino và phần mềm Matlab. Trong Matlab có
hỗ trợ đo điện áp của một chân bất kỳ. Từ ưu điểm đó ta phát triển và
đo được các thông số còn lại.
Để thực hiện đo dòng điện của mạch thì cần có mô-đun
ASC712 để hỗ trợ đo. Tất cả các giá trị đều xuất phát từ đo điện áp.
Đối với đo điện áp thì chân A0 chỉ đo được điện áp đầu vào nhỏ hơn
5V. Do đó cần phải qua cầu phân áp với 2 điện tr R1= 10 kΩ và
R2= 2.5 kΩ.


21
Linh liện ASC712



Hình 3. 18: Module ASC712.
Sơ đồ nối dây của modun ASC712.

Hình 3. 19: Sơ đồ nối dây của ASC712.
 Cách đo:

Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng
điện đi từ Ip+ đến Ip- để Vout ra mức điện thế 2.5 – 5V tương ứng
dòng 0 – 5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương
ứng với 0A đến -5A.
Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải
mắc nối tiếp với domino), thì Vout=2.5V. Khi dòng Ip( dòng của tải)
bằng 5A thì Vout=5V, Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip , trong khoản
2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A.
Để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo Vout.
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1. Xây dựng chƣơng trình đo đạc và thu thập dữ liệu
Sử dụng GUI trong phần mềm Matlab để thu nhận dữ liệu
công suất, điện áp, dòng điện thu được từ hệ thống pin năng lượng
mặt trời. Tiến hành lưu trữ và xử lý tín hiệu thu được.
Giao diện phần mềm được viết bằng Matlab

Hình 4. 1: Giao diện phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu


22
4.2. Th nghiệm và kết quả
Trong quá trình thu thập dữ liệu, các tấm pin mặt trời của hai
hệ thống hướng sáng và cố định được đặt cạnh nhau, cùng vuông góc
với trục Oz (trong không gian Oxyz) và cùng nằm trên một kinh
tuyến của Trái Đất.

Hình 4. 2: Thu thập dữ liệu
Tác giả đã tiến hành thí nghiệm vào 4 ngày của tháng 8 năm
2018. Địa điểm làm thí nghiệm là tại sân thượng của tòa nhà ký túc
xá sinh viên DMC phường Hòa Khánh Nam, quận Liên Chiểu,

thành phố Đà Nẵng.
Kết quả thu đƣợc sau 4 lần tiến hành th nghiệm thu nhận, lƣu
trữ và xử lý t n hiệu:
Lần 1: ngày 17 tháng 08 năm 2018.

Hình 4. 3: Đồ thị công suất ngày 17/8/2018
Lần 2: ngày 20 tháng 8 năm 2018.

Hình 4. 4: Đồ thị công suất ngày 20/8/2018
Lần 3: ngày 22 tháng 08 năm 2018.


23

Hình 4. 5: Đồ thị công suất ngày 22/8/2018
Lần 4: ngày 31 tháng 8 năm 2018.

Hình 4. 6: Đồ thị công suất ngày 31/8/2018
Tổng hợp kết quả thu đƣợc qua các lần thực nghiệm
Bảng 4. 1: Kết quả các lần thực nghiệm
Ngày
17/08/201
8
20/08/201
8
22/08/201
8
31/08/201
8

Trung bình công suất thu
được (W)
Hệ thống
Hệ thống
hướng sáng
cố định

Tỉ lệ công suất thu được giữa
hai hệ thống hướng sáng và cố
định (%)

22,27046

17,519429

27,11864068

30,8506

27,0759

13,94118016

32,07722

25,736263

24,63821962

30,61756

23,64797

29,47225491

4.3. Nhận xét, đánh giá
- Hệ thống có bộ điều khiển hướng sáng có thể đạt công suất
gần như tối đa suốt thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang
mây trong khi hệ thống pin mặt trời cố định chỉ đạt công suất tối đa
trong một vài giờ trong giữa ngày.
- Công suất của tấm pin được điều khiển b i hệ thống hướng
sáng lớn hơn công suất của tấm pin năng lượng mặt trời cố định là
khoảng 15 - 30%. Chưa xét đến phần công suất để cho hệ thống điều
khiển hoạt động, ta nhận thấy răng hệ thống hướng sáng đạt công
suất cao hơn. Đây là một trong những hướng nghiên cứu trong quá
trình sử dụng pin mặt trời hiệu quả nhất.