Mô hình pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG

1. Đặt vấn đề
Với sự phát triển không ngừng của công nghiệp, nhu cầu về năng lượng là vấn
đề cần thiết hơn bao giờ hết. Sử dụng năng lượng truyền thống (nhiên liệu hóa
thạch) mang theo những vấn đề về ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt năng lượng
khi con người khai thác quá nhiều.
Sử dụng điện thay thế năng lượng hóa thạch dù đã được chấp nhận như một nguồn
năng lượng thân thiện với môi trường nhưng không phải lúc nào cũng đúng. Vì
điện không chỉ đến từ các nguồn “sạch” như điện gió, điện mặt trời mà còn đến từ
việc đốt nhiên liệu hóa thạch, hay thủy điện cũng gây nguy hại đến môi trường khi
kéo theo những vấn đề về chặt phá rừng.
Điện “sạch” như điện gió lại chỉ phù hợp với các nước tiên tiến, phát triển khi có
chi phí lắp đặt ban đầu cực kỳ lớn và có nguồn năng lượng từ gió dồi dào (không
phù hợp với các quốc gia như Việt Nam). Điều này dẫn đến cho chúng ta một lựa
chọn rất hứa hẹn, đó là sử dụng năng lượng mặt trời (hay còn gọi là năng lượng
quang điện).
Quang điện là sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện, nguồn năng lượng ánh
sáng dồi dào nhất mà chúng ta có chính là năng lượng mặt trời. Những tiến bộ về
khoa học – công nghệ trong những năm gần đây đã làm giảm chi phí sản xuất
cũng như thúc đấy việc sử dụng năng lượng mặt trời.

2. Sơ lược về mô hình.
Thiết kế mô hình theo nguyên mẫu thu nhỏ của hệ thống pin mặt trời tự xoay, hoạt
động theo dõi, xoay theo hướng mặt trời với 2 trục động cơ, dựa vào cảm biến ánh
sáng. Các tấm pin mặt trời nhờ được liên tục quay về phía mặt trời nên càng tích
trữ được nhiều, tối ưu hóa được năng lượng.

Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Phương pháp thiết kế.
Phân loại dựa trên số trục của máy: trục đơn (single axis tracker) và trục kép (dual
axis tracker).
Loại máy dùng trục đơn chủ yếu theo dõi hướng mọc – lặn của mặt trời (Đông –
tây), trong khi máy dùng trục kép có khả năng theo dõi mọi hướng của chuyển
động mặt trời một cách chính xác.
Việc theo dõi mặt trời dựa trên những cảm biến ánh sáng, các cảm biến được đặt
trên những tấm pin mặt trời. Sự thay đổi điện trở của những cảm biến (quang trở)
sẽ tạo nên sự quay/nghỉ của những động cơ, phục vụ cho việc theo dõi hướng đi
của mặt trời.
Chúng em chọn mô hình này với mạch dùng trục kép, khi có cả trục ngang và trục
dọc sẽ theo dõi chính xác hướng đi của mặt trời.

Mô
hình
pin
(dual-axis solar tracker)
1|Page

mặt

trời

tự

xoay

với

2

trục


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

2|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
a. Sơ đồ khối

Mô hình được thiết kế bao gồm những bộ phận chính: Cảm biến, mạch nguồn,
mạch so sánh và điều hòa tín hiệu và mạch điều khiến động cơ cùng 2 động cơ.
b. Cảm biến ánh sáng (Quang trở)
- Sử dụng quang trở CDS 5537 làm cảm biến ánh sáng
- Nguyên lý hoạt động: Quang trở giảm dần điện trở khi có ánh sáng chiếu
vào, tiến dần về giá trị cực tiểu khi cường độ ánh sáng càng mạnh

- Bảng khảo sát giá trị quang trở
STT
1.
2.
3.
4.

5.
3|Page

Hấp thụ ánh sáng (Ω)
16002
15792
15880
16010
15900

Cường độ ánh sáng mạnh (Ω)
1705
2203
1805
1703
1902


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.

15954
16100
15820
32004
30102
31200
32220
33220
33100
32130
33410

2201
1203
1704
4192
5123
6133
4182
4234
4300
4100
5004

c. Mạch nguồn

Mạch nguồn cấp điện bao gồm nguồn là Pin DC 9V cung cấp nguồn năng lượng
chính cho mạch so sánh và điều hòa tín hiệu, bộ điều chỉnh điện áp và mạch cầu
diode, tụ hóa. (Ở đây sử dụng Module LM 7805)

4|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

LM7805

- Là mạch tích hợp ổn áp tuyến tính cố định (mạch nguồn ổn áp), bao gồm:
Linh kiện
Tụ hóa 470 microFara
Tụ hóa 100 microFara

Chức năng
Lọc dòng điện (lọc nguồn vào)
 Tính toán

-

C1 = 100. 10-6F, theo đề xuất trong
datasheet
C2 được tính theo công
thức:
Với:





Mạch chỉnh lưu cầu diode

(sử dụng diode 1N4007)
IC 7805

Vmax = Vin√2 = 12√2 (V)
ΔVf = 12√2 – 7 (V)
fp = 2×50 = 100 Hz
RL = 4 Ohm (ước tính, xấp xỉ)

 C2 = 420. 10-6 F (xấp xỉ)
 Chọn linh kiện C2 = 470. 10-6 F
Sử dụng diode bán dẫn, có chức năng nắn
cả chu kỳ, sau khi đi vào mạch cầu thì dòng
đi ra ổn định, tránh được nhiễu, ù
IC ổn áp với 3 chân (IGO – input, ground,
output), có tác dụng hạ áp dòng điện từ
nguồn lớn hơn xuống 5V

- Module LM7805 có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1
chiều, dòng điện được đưa qua mạch chỉnh lưu cầu để chống nhiễu, ù với diode
1N4007 (có độ chỉnh lưu thấp, hiệu điện thế đầu ra nhấp nhô) nên phải sử dụng
tụ hóa để lọc dòng điện, dòng điện sau khi lọc bởi tụ hóa giảm nhấp nhô và ổn
định hơn, sau đó dòng được đưa qua IC ổn áp LM7805 để hạ áp (mặc dù dùng
5|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
diode Zener có ưu điểm là đơn giản, nhưng dòng cho ra ngoài chỉ có 20mA),
Dòng điện của LM7805 thích hợp chạy motor DC, đèn dây tóc, nạp acquy, …..

d. Mạch so sánh và điều hòa tín hiệu

Schematics Diagram of IC 4558

IC 4558

Để so sánh 8 quang điện trở, ta sử dụng 2 bộ khuếch đại tín hiệu (OP-AMP) IC
4558 (Operational Dual Amplifier).
IC 4558 hoạt động với nguyên tắc đưa ra điện áp đối chiếu để so sánh giữa điện áp
của mỗi quang trở với nhau.
Mỗi IC 4558 làm nhiệm vụ so sánh 4 quang điện trở.
+ Nếu V1 > V2 => logic 1 (high)
+ Nếu V1 < V2 => logic 0 (low)

IC 4558 có 8 chân, Chân 8 nối vào cực dương, chân 4 nối vào cực âm

6|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

e.

Mạch điều khiển động cơ
 Động cơ quay:
-

Vin max: DC 3V-6V
V không tải
+ DC 3V: 150mA 90RPM+-10RPM
+ DC 6V: 200mA 200RPM+- 10RPM

- Dòng không tải: 70mA
(250mA max)

 Module điều khiển động cơ L298N
- Để nhận tín hiệu và điều khiển 2 động cơ, trong mô hình sử dụng module điều
khiển động cơ L298N

Sơ đồ và ảnh mạch điều khiển động cơ – module L298N
Thông số kỹ thuật
- Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu
H
- Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V
- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A
- Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V
~ +7 V
7|Page

- Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~
36Ma
- Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt
độ T = 75 °C)
- Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

Nguyên lý hoạt động:
Tín hiệu được đưa vào từ Mạch so sánh và điều hòa tín hiệu , đi tới các chân IN 1,
IN 2, IN3, IN4 được nối vào 2 cặp chân tín hiệu (1 chân cao, 1 chân thấp), sau khi
tín hiệu được lọc qua tụ , IC ổn áp 78M05, dòng điện được đưa đến IC điều khiển

động cơ IC L298N rồi một lần nữa đi qua mạch cầu diode (mạch cầu H) để đi tới đầu
ra OUT 1,2,3,4
+ bằng nhau: dừng quay
+ chênh lệch điện áp: quay (nếu chênh lệch ngược lại thì quay ngược lại)
ENA, ENB:
+ khi cắm vào: cung cấp xung PWM (mã hóa thông điệp thành một tín hiệu xung)
+ Khi rút ra: dùng để điều khiển tốc độ của động cơ

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ MẠCH

Thiết kế mạch
a. Thiết kế mạch logic

Đ
i
ề
u
k
i
ệ
n
á
n
h
MạchCsoácthànhphần
Input
OutputTínhiệulogic
sáng sánh mạch

Từ sơ đồ, chúng ta phải chọn được linh kiện sử dụng cho mạch này. Để đọc điều
kiện ánh sáng môi trường, ta sử dụng quang trở CDS 5537. Quang trở này có thể
có điện trở tối đa khoảng 2 triệu Ohm, giảm xuống còn 16k Ohm – 50k Ohm khi
hấp thụ ánh sáng, và khi cường độ ánh sáng mạnh hơn nó còn có thể giảm xuống
1k – 5k Ohm. Và thực tế không phải quang trở nào cũng có giá trị như nhau, nên
chúng ta phải khảo sát 1 cơ số quang trở nhất định.
8|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

 IC4558:
- Để thu được tín hiệu logic, IC 4558 được dùng làm thành phần chính của mạch
so sánh.
 Khi “V+” dương hơn “V-” Điện áp ra Vo sẽ đạt giá trị “high”
+VCC (= “V-” âm hơn “V+”).
 Khi “V-” dương hơn “V+” Điện áp ra sẽ đạt giá trị “low” –VCC
(= “V+” âm hơn “V-”).

Dựa trên các đặc điểm của IC, thiết kế mạch cảm biến ánh sáng:

R1, R2 là quang trở
- Nếu PR1 được chiếu sáng hơn PR2, điện áp ra của OPAMP là -Vsat
- Nếu PR1 được chiếu sáng hơn PR2, điện áp ra của OPAMP là +Vsat
- Nếu PR1 và PR2 cùng tối hoặc cùng sáng “như nhau” thì điện áp ra của
OPAMP bằng 0V.
- => động cơ không hoạt động.
,,
,

9|Page


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
Tính toán (trích bài giảng của TS. Nguyễn Cảnh Quang):

Áp dụng công thức, tính toán được điện trở, và thiết kế được sơ đồ mạch:

10 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
 L298N

L298 là một mạch nguyên khối tích hợp trong Multiwatt và PowerSO20 15 đầu. Nó
là một trình điều khiển toàn cầu kép điện áp cao, hiện tại được thiết kế để chấp nhận
các mức logic TTL tiêu chuẩn và điều khiển các tải cảm ứng như rơle, solenoids, DC
và động cơ bước. Hai đầu vào kích hoạt được cung cấp để bật hoặc tắt thiết bị một
cách độc lập với các tín hiệu đầu vào. Mỗi cầu được kết nối với nhau và thiết bị đầu
cuối bên ngoài tương ứng có thể được sử dụng để kết nối với một điện trở cảm biến
bên ngoài. Một đầu vào cung cấp bổ sung được cung cấp để tín hiệu logic hoạt động
ở điện áp thấp hơn.

11 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

 Kết nối DC motor với Module L298N

Điệnápra
của mạchso
sánh

Điệnápra
củamạchso
sánh

L298N
IN1
IN2
ENA

DCMotor 1

IN3
IN4
ENB

DCMotor 2

L298N

Sơ đồ khối, kết nối động cơ DC với Module L298N

12 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
Cuối cùng là sơ đồ thiết kế mạch hoàn chỉnh.

- 2 điện trở có giá trị 1k2 được thêm vào với chức năng chống nhiễu.

13 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

CHƯƠNG IV

KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết quả:
- Lắp được mạch theo sơ đồ với các linh kiện như đã nêu
- Mạch chạy được, cảm biến ánh sáng có hoạt động

14 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
Hạn chế của đề tài:
- Do đây là mô hình dựa theo nguyên mẫu nên không tránh khỏi mặt hạn chế.
Sau đây là những hạn chế chưa được khắc phục:
+ Chưa lắp ráp được mạch in (PCB), chỉ mới dùng mạch mô phỏng do chưa đủ
kinh nghiệm, kiến thức và vật liệu, chi phí,….. dẫn đến việc mô hình chưa hoàn
chỉnh.
+ Mô hình chưa thật sự “nhạy” và ổn định do sai số trong quá trình tính toán và
chọn linh kiện, có những linh kiện không phù hợp phải thay bằng linh kiện khác có
giá trị tương đối.
+ Nguồn cấp cho hệ thống còn sử dụng Pin AA (thực tế: Sử dụng năng lượng mặt

trời từ pin mặt trời lấy trực tiếp từ hệ thống).

15 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

Hướng phát triển của đề tài:
- Đây là mô hình nguyên mẫu của một hệ thống đã được ứng dụng trên những
quốc gia có ngành công nghiệp pin mặt trời phát triển.
- Khi có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm thiết kế, mô hình có tiềm năng phát
triển với giá thành rẻ hơn những thiết bị đã có.

Phụ lục: Một số mô hình ảnh pin mặt trời tự xoay ứng dụng.

16 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel

17 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
Phụ lục: Bảng phân chia công việc
ST
T
1
2
3

4
5

Tên đầu mục

Thực hiện

Tìm hiểu, thiết kế mạch nguồn
Tìm hiểu về cảm biến ánh sáng
Tìm hiểu về mạch điều khiển động cơ
Tìm hiểu về mạch so sánh và điều hòa tín hiệu
Tính toán và thiết kế mạch

6
7

Lập sơ đồ khối, vẽ sơ đồ mạch hoàn chỉnh
Mua linh kiện

8

Lắp ráp mạch

9
10

Thiết kế slide
Thực hiện báo cáo

Trần Anh Dũng

Đặng Quốc Dũng
Tạ Hữu Quang Duy
Nguyễn Thế Sỹ
Trần Anh Dũng,
Nguyễn Thế Sỹ
Trần Anh Dũng
Trần Anh Dũng,
Tạ Hữu Quang Duy
Trần Anh Dũng,
Đặng Quốc Dũng
Trần Anh Dũng
Trần Anh Dũng,
Đặng Quốc Dũng,
Nguyễn Thế Sỹ,
Tạ Hữu Quang Duy

18 | P a g e


Mô hình Pin mặt trời tự xoay – sun tracking solar panel
Phụ lục: Phần mềm sử dụng
- Altium Designer
- Adobe Photoshop CS7
- Microsoft Word
- Microsoft Power Point Presentation
Phụ lục: Tài liệu tham khảo
- ALLDATASHEET.COM
- Bài giảng của TS. Nguyễn Cảnh Quang

19 | P a g e