Tiểu luận môn Điều khiển tự động: Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

ĐẶT VẤN ĐỀ
Vấn đề năng lượng là vấn đề mà gây nhức nhối cho thế giới trong nhiều thập kỉ.
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kĩ thuật phát triển ngày
càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ khí đốt … đều có
hạn, khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khái
thác nguồn năng lượng mới là xu hướng của thế giới trong tương lại.
Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng được
quan tâm nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng cũng như vấn đề cấp bách về ô
nhiễm môi trường hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng trong
tương lai vì là nguồn năng lượng sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời đã
được sử dụng rộng rãi trên thế giới vào nhiều quy trình sản xuất cơng nghiệp. Tuy vậy
ở Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời còn đang được triển khai hạn hẹp chưa
được rộng rãi dù rằng được đánh giá là một đất nược có nguồn năng lượng dồi dạo.
Góp phần vào sự phát triển của đất nước trên phương diện năng lượng mặt trời
em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng
mặt trời”. Bài toán đặt ra sẽ phải điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ cho
trước.
Đề tài phải đảm bảo các yêu cầu nhiệt độ lò sấy phải đạt nhiệt độ yêu cầu mà
công nghệ đề ra thời gian sấy phải phù hợp.
Nội dung đề tài bao gồm:
Chương 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy
Chương 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả
Chương 4 : Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả
Chương 5 : Kết quả thu được và hướng mở rộng
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình
của các thầy, cơ giáo trong bộ mơn Điều khiển tự động, đặc biệt là cô trực tiếp hướng
dẫn em, cơ giáo ThS. Đinh Thị Lan Anh đã nhiệt tình chỉ bảo và hỗ trợ bọn em. Tuy

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

nhiên do thời gian và kiến thức có hạn, nên đồ án này khơng tránh khỏi những sai sót.
Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ để chúng em có thể hồn thiện hơn về
kiến thức của mình.

Hà Nội, tháng 6 năm 2018
Nhóm sinh viên
Vũ Hải Hoàng
Nguyễn Kim Bảo


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................................1
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 6
DANH MỤC VIẾT TẮT.................................................................................................6
CHƯƠNG 1:

Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời ..................1

1.1. Năng lượng mặt trời .............................................................................................. 1
1.1.1. Tổng quan .......................................................................................................1
1.1.2. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời ..........................................................2
1.2. Ứng dụng sấy sử dụng NLMT ..............................................................................3
1.2.1. Những lợi ích của việc sấy hoa quả ................................................................ 3

1.2.2. Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT ..............................................4
1.3. Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT .............................................................. 5
1.3.1. Yêu cầu công nghệ..........................................................................................5
1.3.2. Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT ........................................................6
CHƯƠNG 2:

Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy ...........................................................8

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình sấy ............................................................... 8
2.2. Cơng nghệ sấy .....................................................................................................10
2.3. Các tham số điều khiển trong quá trình sấy ........................................................13
CHƯƠNG 3:

Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả ........................15

3.1. Tính tốn cơng suất ............................................................................................. 16
3.2. Lựa chọn thiết bị .................................................................................................17
3.3. Thiết kế không gian sấy ......................................................................................17
3.4. Thiết kế mạch điện bộ điều khiển .......................................................................19
3.5. Thiết kế mạch sạc pin mặt trời ............................................................................22


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

3.6. Giao tiếp với máy tính.........................................................................................24
CHƯƠNG 4:

Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả..................27

4.1. Nhận dạng mơ hình bằng phương pháp thực nghiệm .........................................27

4.2. Thiết kế bộ điều khiển .........................................................................................32
4.2.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ .........................................................................32
4.3. Tiến hành điều khiển mô hình lị sấy thực tế thơng qua VĐK ........................... 37
4.4. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển ........................................................... 41
4.4.1. Phần mềm Matlab và công cụ GUIDE .........................................................41
4.4.2. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển nhiệt độ lò sấy hoa quả............41
CHƯƠNG 5:

Kết quả thu được và hướng mở rộng..................................................43

5.1. Kết quả thu được .................................................................................................43
5.2. Các mặt hạn chế và đề xuất hướng giải quyết. ...................................................46
5.2.1. Hạn chế .........................................................................................................46
5.2.2. Hướng giải quyết .......................................................................................... 46
5.3. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................47
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................48
DANH MỤC THAM KHẢO ........................................................................................49
PHỤ LỤC ......................................................................................................................50
1. Các bước lập trình giao tiếp và tạo giao diện GUI ................................................50
2. Sử dụng công cụ System Identification để nhận dạng ...........................................57
3. Sử dụng công cụ fuzzy thiết kế bộ điều khiển mờ trên matlab .............................. 61
4. Giới thiệu thiết bị sử dụng trong hệ thống ............................................................. 64
4.1. Thiết bị điều khiển ........................................................................................... 64
4.2. Thiết bị đo ........................................................................................................65
4.3. Thiết bị chấp hành ........................................................................................... 66
5. Hướng dẫn sấy cho một số loại thực phẩm ............................................................ 67


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời .................................6
Hình 2.1: Đồ thị I-d khơng khí ẩm ..................................................................................9
Hình 2.2: Mơ hình sấy khơng khí đi ngang ...................................................................11
Hình 2.3: Mơ hình sấy khơng khí đi đứng.....................................................................12
Hình 2.4: Các biến q trình trong hệ thống lị sấy.......................................................14
Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy............................................................................15
Hình 3.2: Thiết kế chi tiết của khơng gian sấy .............................................................. 18
Hình 3.3: Sơ đồ ngun lý bộ điều khiển của hệ thống ................................................19
Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển ......................................................................20
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin mặt trời .........................................................22
Hình 3.6: Tấm pin mặt trời ............................................................................................ 23
Hình 4.1: Phương pháp nhận dạng mơ hình ..................................................................27
Hình 4.2: Đồ thị kết quả nhận dạng quạt tản nhiệt ........................................................28
Hình 4.3: Hàm nhận dạng trên matlab của quạt tản nhiệt .............................................29
Hình 4.4: Đồ thị kết quả nhận dạng điện trở .................................................................30
Hình 4.5: Hàm nhận dạng trên matlab của điện trở nhiệt .............................................30
Hình 4.6: Đồ thị đặc tính nhiệt độ .................................................................................31
Hình 4.7: Hàm nhận dạng quá trình nhiệt .....................................................................32
Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển BĐK mờ có Sp ..................................................................33
Hình 4.9: Hàm liên thuộc đầu vào sai số e ....................................................................34
Hình 4.10: Hàm liên thuộc tốc độ sai số e .....................................................................34
Hình 4.11: Sơ đồ Simulink mơ phỏng bộ điều khiển mờ chế độ setpoint ....................35
Hình 4.12: Kết quả nhiệt độ lị mơ phỏng điều khiển mờ chế độ setpoint ....................35
Hình 4.13: Công suất điện trở mô phỏng chế độ setpoint .............................................36
Hình 4.14: Cơng suất quạt chế độ setpoint ....................................................................36
Hình 4.15: Giao diện HMI............................................................................................. 42
Hình 4.16: Đồ thị nhận dạng khi chạy giao diện ........................................................... 42

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 5.1: Kết quả điều khiển nhiệt độ lị sấy ................................................................ 43
Hình 5.2: Kết quả thành phẩm .......................................................................................45
Hình 5.3: Cấu tạo tấm thu nhiệt.....................................................................................47
Hình 5.4: Mơ hình đề xuất tách riêng phần thu nhiệt và phần sấy ................................ 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối .......................................................... 10
Bảng 3.1: Bảng thống kê các thiết bị .............................................................................17
Bảng 4.1: Luật mờ cho công suất quạt chế độ setpoint .................................................34
Bảng 4.2: Luật mờ cho công suất điện trở nhiệt chế độ setpoint ..................................35
Bảng 5.1: Bảng thông số đánh giá một số phương pháp sấy ........................................44

DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

NLMT

Năng lượng Mặt Trời

VĐK

Vi điều khiển


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 1:

Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng
năng lượng mặt trời

1.1. Năng lượng mặt trời
1.1.1. Tổng quan
• Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên
tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió,
mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt.
• Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt
Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang
năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng
ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ.
• Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng
lượng từ các quy trình biến đổi liên tục trong môi trường và đưa vào trong các
ứng dụng kỹ thuật.
Trong các loại năng lượng tái tạo được sử dụng hiện nay, năng lượng Mặt Trời
(NLMT) cũng được xem là một trong những loại năng lượng phổ biến và dễ ứng dụng.
• Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ
điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất.
• Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển
năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời.
• Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể,
tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm
sơi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ
thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.
• Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng
lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.

1


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Có thể thấy các ứng dụng chủ yếu của NLMT được chia làm 2 loại đó là Nhiệt mặt trời
và Điện mặt trời.

1.1.2. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời
1.1.2.1. Nhiệt mặt trời
Các ứng dụng Nhiệt mặt trời phổ biến nhất có thể kể đến:
• Đun nước nóng:
Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm
nóng nước với nhiệt độ lên đến 60 °C.
• Sưởi ấm, làm mát và thơng gió:
Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt
trời. Chúng được sử dụng ở những khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp.
Một ống khói năng lượng mặt trời (hoặc ống khói nhiệt) là một hệ thống thơng
gió tận dụng hiện tượng đối lưu gây ra bởi sự đốt nóng khơng khí bởi nhiệt mặt
trời để lưu thơng khơng khí trong tịa nhà.
• Nấu ăn:
Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khơ và
khử trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và
bếp phản xạ.
Bếp hộp cơ bản có thể đạt đến nhiệt độ 90-150 °C.
Bếp phản xạ có thể đạt đến nhiệt độ 315 °C và cao hơn nhưng yêu cầu ánh
sáng trực tiếp để hoạt động đúng và phải được thay đổi vị trí để theo dõi Mặt
trời.

1.1.2.2. Điện mặt trời

2


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV), cũng được gọi là quang điện hay
quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời
trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch
ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng.
• Điện mặt trời tập trung
Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các hệ
thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một
chùm nhỏ. Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho
một nhà máy điện thơng thường.
• Pin quang điện (Pin mặt trời)
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao
gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề
mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi
năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Những tế bào năng lượng mặt trời ban đầu có giá 286 USD mỗi watt và đạt hiệu
suất 4,5 - 6%.

1.2. Ứng dụng sấy sử dụng NLMT
1.2.1. Những lợi ích của việc sấy hoa quả
Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nơng nghiệp chiếm tỉ trọng tương
đối lớn trong cơ cấu nền kinh tế. Một trong những vấn đề thiết yếu trong việc sản xuất
và chế biến nông sản là bảo quản.
Khi thu hoạch được lượng lớn nông sản hoa quả, người nơng dân có thể bảo
quản thức ăn qua việc phơi hoặc sấy khô. Tuy nhiên phơi khô trực tiếp dưới ánh mặt

trời sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng nông sản bởi các yếu tố bụi bẩn, động vật, thời
tiết thất thường … Vì vậy việc bảo quản cần tới công nghệ sấy để đảm bảo chất lượng
của nông sản, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.
3


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Bằng việc sấy khô, hương vị cũng như chất dinh dưỡng của hoa quả vẫn được
đảm bảo nguyên vẹn. Trái cây và rau quả khô không cần tới chất bảo quản, thực phẩm
khô cũng đem lại hàm lượng dinh dưỡng cao. Nếu được lưu trữ trong điều kiện tốt,
thời gian bảo quản có thể lên tới 6 – 12 tháng. Đặc biệt khi sử dụng công nghệ sấy
bằng năng lượng mặt trời sẽ đem lại hiệu quả lớn hơn so với phơi khô thông thường,
thời gian sấy khô giảm đáng kể.

1.2.2. Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT
Đây là một hình thức chế biến nông sản đơn giản, sạch và không gây hại môi
trường. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ tiết kiệm được chi phí so với
việc sấy thơng thường.
Cơng nghệ sấy sử dụng NLMT có thể áp dụng cho nhiều loại nơng sản:
• Hoa quả: táo, mơ, nho, dứa, chuối, xồi…
• Rau củ: cải bắp, súp lơ, khoai tây…
• Gia vị: hạt tiêu, ớt, hành, tỏi…
• Các loại thảo mộc, thảo dược, trà…
• Các loại khơ thịt, khơ cá, khơ mực…
• Các loại hạt: đậu phộng, hạt điều, cacao, cà phê…
Một vài tính năng của hệ thống sấy sử dụng NLMT:
• Cơng nghệ sấy hiện đại, có thể đạt chất lượng của loại máy sấy dân dụng và
máy sấy cơng nghiệp.
• Vận hành được tại các vùng có khí hậu khơ hay ẩm.

• Dễ dàng lắp đặt và tháo dỡ.
• Thời gian sấy được rút ngắn so với hình thức phơi khơ.
• Giá trị nơng sản được nâng cao.
• Điều kiện sấy đảm bảo hợp vệ sinh, chống các loại cơn trùng, vi khuẩn gây
bệnh.
• Khơng bị ảnh hưởng bởi thời tiết ẩm ướt, mưa, nấm mốc…
4


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

• Chi phí vận hành thấp, khơng tốn nhiên liệu, khơng thải khí ra mơi trường.
• Vận hành khơng cần tới điện lưới, có thể tự sạc lại ắc quy bằng pin mặt trời.
• Vận hành hồn tồn tự động, khơng cần giám sát liên tục.
Với độ linh hoạt về đối tượng sấy, cộng với chi phí lắp đặt và vận hành thấp,
đây sẽ là một mơ hình phù hợp với các hộ gia đình làm nơng, hoặc những gia đình có
nhu cầu chế biến thực phẩm tươi theo phương pháp an toàn, đảm bảo vệ sinh và phù
hợp với kinh tế.

1.3. Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT
1.3.1. Yêu cầu công nghệ
Khi sấy cần đảm bảo thực phẩm không bị phơi trực tiếp dưới ánh nắng để
không bị mất chất dinh dưỡng, đặc biệt là đối với các loại dược liệu.
Đối với hoa quả, nhiệt độ sấy không nên đặt cao bởi dễ gây giòn hoa quả sấy.
Các loại quả to như táo, chuối, mít, hồng, lê, thanh long… đều cần thái thành miếng
mỏng 2-5mm mới sấy khô để đảm bảo yêu cầu. Nhiệt độ sấy của máy sấy thường từ
95°C trở xuống, khi sấy hoa quả chỉ nên cài đặt nhiệt độ từ 45 - 70°C[6] là đảm bảo
chất lượng hoa quả sấy.
Các loại rau củ sấy khô như bắp cải, cà rốt, su hào, súp lơ, củ cải, … và các loại
thịt lợn sấy, thịt bò sấy đang được dùng rất phổ biến. Nhiệt độ sấy các loại thực phẩm

này cũng chỉ nên ở mức 55 - 70°C[6]. Sấy ở nhiệt độ cao sẽ làm hỏng thực phẩm, sấy
thấp hơn cũng làm hỏng rau củ vì ẩm lâu quá, tạo điều kiện cho các loại vi khuẩn sinh
sôi. Khi sấy với khối lượng lớn thì lúc đầu có thể tăng nhiệt độ cao để máy nhanh lên
nhiệt, sau đó giảm dần về mức trung bình để đảm bảo hơn.
Dược liệu nói chung hay các loại cây, hoa, lá, cành thảo dược đều cần sấy khô
trước khi đưa vào sử dụng trong các thang thuốc. Nhiệt độ sấy cũng không nên quá
cao, chỉ nên từ 40 - 60°C[6]. Khô nhanh quá hay chậm quá cũng không tốt, do vậy để
mức nhiệt trung bình để đảm bảo chất lượng cho dược liệu.
5


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Các loại hạt như đỗ tương, hạt ngô, hạt đỗ xanh, hạt điều, hạt dẻ… đều cần phải
sấy khô trước khi được sử dụng hoặc đưa ra bán ngoài thị trường. Nhiệt độ sấy các loại
hạt có thể đặt từ 60 - 90°C[6], thời gian đầu nên đặt nhiệt độ cao rồi sau đó giảm về
mức vừa phải để hạt khô đều và đẹp.
Các mức nhiệt độ khuyên dùng thường ở khoảng 40 đến 70°C[6], nhưng tùy
vào từng loại thực phẩm. Ở giai đoạn sấy ban đầu có thể tăng nhiệt độ lên 65 - 70°C
nhưng không cao quá để tránh việc bề mặt sản phẩm bị cứng.

1.3.2. Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời
6


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Hệ thống thực nghiệm có cơng suất dự tính khoảng 50W, sấy được 1 kg hoa

quả. Khơng gian sấy sẽ được thiết kế có dạng hộp hình chữ nhật.
Hệ thống sử dụng một quạt gió để tản nhiệt cũng như thổi hơi nước trong quá
trình sấy. Ngồi ra hệ thống cịn sử dụng một điện trở nhiệt để giảm thời gian tăng
nhiệt trong giai đoạn đầu của q trình sấy, hoặc đóng vai trị là nguồn nhiệt thay thế
trong những ngày có nắng khơng đều.
Hệ thống có thể được mở rộng thêm với khả năng tích hợp pin mặt trời cho bộ
nguồn để nạp ắc quy. Hệ thống cũng có thể tích hợp máy tính để áp dụng đối với các
hệ thống sấy có quy mơ công nghiệp, tăng khả năng giám sát.

7


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2:

Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy
Bản chất của quá trình sấy là sự bốc hơi của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ
thích hợp, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu.
Hay nói cách khác, do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi
trường xung quanh.
Người ta thường phân loại q trình sấy dựa trên tính chất xử lý vật liệu ẩm qua
buồng sấy: sấy mẻ, sấy liên tục; phân loại dựa trên sự chuyển động tương đối giữa
dòng nhiệt và vật liệu ẩm: thổi qua bề mặt (sấy ngang), thổi xun vng góc (sấy
đứng); dựa trên các lý thuyết nhiệt: sấy đối lưu ,sấy bức xạ, sấy thăng hoa… Trong hệ
thống này chúng em sẽ quan tâm đến q trình sấy đối lưu và hướng thổi của khơng
khí là hướng ngang.
Các nhân tố ảnh hướng đến quá trình sấy: Tác nhân nhiệt trong q trình sấy là

khơng khí ẩm. Những thơng số chính của khơng khí ẩm sẽ ảnh hưởng đến q trình
sấy. Trong các thơng số vật lý của khơng khí ẩm, cần quan tâm nhất là nhiệt độ và độ
ẩm.
Nhiệt độ: Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, q trình có hiệu
quả càng cao. Nhưng tùy vào từng loại vật liệu hay loại hoa quả cần sấy mà nhiệt độ
cần phải giữ trong giới hạn cho phép để tránh xảy ra các q trình biến đổi về các
thành phần hóa học, hoặc nhiệt độ cao q có thể bị cháy.
Ngồi ra độ ẩm tương đối, độ ẩm cân bằng … cũng ảnh hưởng đến quá trình
sấy. Độ ẩm tương đối là đại lượng rất quan trọng trong khả năng sử dụng không khí để
sấy sản phẩm. Khi độ ẩm tương đối bằng 100% quá trình bốc hơi sẽ ngừng.

8


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.1: Đồ thị I-d không khí ẩm [Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa
học kĩ thuật]
Theo tổng cục du lịch Việt Nam đất nước ta có một nền nhiệt độ cao. Nhiệt độ
trung bình năm từ 22ºC đến 27ºC. Độ ẩm khơng khí trên dưới 80%. Số giờ nắng
khoảng 1.500 - 2.000 giờ, nhiệt bức xạ trung bình năm 100kcal/cm². Theo những
thống kê trên dựa theo đồ thị Hình 2.1, với nhiệt độ từ 22-27 độ C, độ ẩm 80% thì khi
gia nhiệt lên đến 50-60 độ C độ ẩm tương đối sẽ ứng với 10-20%. Như vậy khi sấy ở
9


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

nhiệt độ 50-60 độ C và bỏ qua độ ẩm tương đối thì sẽ khơng xảy hiện tượng độ ẩm có
thể bão hịa. Tuy vậy vào những ngày độ ẩm cao 90% thì khi gia nhiệt lên 55-60 độ C

thì độ ẩm trong lị có thể lên đến 30%, ảnh hưởng đến tốc độ sấy.

2.2. Công nghệ sấy
Đối tượng sấy mà hệ thống muốn hướng tới là hoa quả tươi, cụ thể là quả
chuối. Đây là loại hoa quả phổ biến, ra quả hầu như quanh năm, giá thành thấp, thành
phần dinh dưỡng cao, nhiều công dụng chữa bệnh, giàu năng lượng.
Công nghệ sấy hoa quả sẽ phụ thuộc vào các quá trình biến đổi hàm lượng
thành phần hóa học trong hoa quả, cụ thể ở đây là chuối.
Nước Đường Sacaroza Axit
khử

hữu

Tinh Protit Axit
bột

Lipit Tamin Vitamin Tro

mạnh

(mg %)

cơ
76,38 14,18

2,35

0,326 3,3

0,92

0,083 1,13

0,068

0,565

0,7

Đơn vị: %
Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối
Từ bảng trên có thể đưa ra các thông số vật lý cơ bản của chuối. Ở đây ta chỉ cần
quan tâm tới độ ẩm để đánh giá chất lượng của sản phẩm sấy.
-

Độ ẩm trước khi sấy:

75 – 80 %

-

Độ ẩm sau khi sấy:

15 – 20 %

Trong môi trường ẩm nếu nhiệt độ cao hơn 60°C thì protein trong chuối đã bị
biến tính, trên 90°C thì fructoza đã bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra
melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn
nữa, chuối có thể bị cháy. Vì vậy, để sấy chuối thường dùng chế độ sấy ơn hịa, với
nhiệt độ sấy không quá cao:

-

Nhiệt độ sấy khuyên dùng của chuối: 55 – 60°C.

• Mợt số cơng nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời

10


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Phơi hay sấy cũng là giai đoạn quan trọng trong khâu xử lý nơng sản nói chung
và hoa quả nói riêng để sản phẩm có thể lưu giữ được lâu dài mà hàm lượng dinh
dưỡng gần như được bảo toàn. Nhu cầu phơi, sấy hiệu quả thì hầu hết là Nơng dân thì
ai cũng cần, nhưng khơng phải ai cũng có điều kiện để mua thiết bị đắt tiền cho một sự
đầu tư bài bản. Thế thì trong điều kiện cịn nhiều hạn chế ấy, chúng em muốn gởi đến
người nông dân những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả mà nông dân trên thế
giới người ta thường làm với những thiết bị giá rẻ.
Mơ hình 1 :

Hình 2.2: Mơ hình sấy khơng khí đi ngang [6]
Mơ tả hoạt động của mơ hình:
Mơ hình này rất đơn giản sử dụng trực tiếp bức xạ mặt trời để sấy hoa quả, kết
hợp tấm meka bên trên để tạo hiệu ứng nhà kính. Quạt sẽ thổi khơng khí theo phương
ngang dọc theo chiều dài của phần diện tích sấy để tăng khả năng bay hơi của vật liệu.
Ngoài ra mơ hình cịn sử dụng các tấm solar pannel để hấp thụ bức xạ mặt trời
cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi
trường thấp.
Đánh giá mô hình:
11

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

-

Ưu điểm: Mơ hình thiết kế khá đơn giản, giá cả các thiết bị dễ tìm kiếm và rẻ,
có thể phù hợp với mơ hình nhỏ và vừa.

-

Nhược điểm: Kết cấu khá đơn giản nên còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện của
mơi trường. Vì q trình sấy và hấp thụ nhiệt xẩy ra đồng thời nên xây dựng bộ
điều khiển tốt cũng trở nên khó khăn hơn.

Mơ hình 2:

Hình 2.3: Mơ hình sấy khơng khí đi đứng [6]
Mơ tả hoạt động của mơ hình:
Ở đây có phần hấp thu bức xạ mặt trời được tách biệt, phần này được cấu tạo từ
2 phần chính đó là bộ phần hấp thu nhiệt thường là kim loại và tối màu, phần thứ 2 là
vật liệu trong suốt là meka để tạo hiệu ứng nhà kính để bộ phận hấp thụ nhiệt được tối
đa 2 bộ phận này cách nhau bởi lớp chân khơng.
Khơng khí nóng sẽ được hút từ bộ hấp thu nhiệt nhờ quạt vào buồng sây và đi
ra ở phía trên.
Ngồi ra mơ hình cịn sử dụng các tấm solar paneel để hấp thụ bức xạ mặt trời
cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi
trường thấp.
12

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Đánh giá mô hình:
-

Ưu điểm: Mô hình có cấu tạo riêng biệt giữa hấp thu nhiệt và sấy nên phù hợp
với loại mơ hình vừa và lớn. Điều khiển nhiệt độ và lưu lượng cũng dễ dàng
hơn. Ngồi ra mơ hình đạt hiệu suất cao hơn và ít ảnh hưởng vào mơi trường
hơn.

-

Nhược điểm : Mơ hình sẽ có chi phí đắt hơn mơ hình 1.

Kết luận: Mơ hình em đề xuất trong đề tài này là mơ hình số 1 vì đề tài em hướng đến
là hệ thống sấy hoa quả dành cho hộ gia đình với giá cả rẻ và hợp lí.

• Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của chuối sấy :
Chỉ tiêu cảm quan:
-

Hình thái: Mềm dẻo, đàn hồi, khơng qnh, chắc, cứng, sượng.

-

Màu sắc: Từ nâu đến vàng, tương đối đồng đều trong một túi, không thâm
đen, nâu xỉn, nâu đỏ, không loang lổ.

-

Mùi vị: Vị ngọt đặc trưng của chuối sấy, không chát hay chua do lên men.

Chỉ tiêu lý hóa:
-

Kích thước: Loại ngun quả dài khơng q 7 cm.

-

Độ ẩm: 15 – 20%

2.3. Các tham số điều khiển trong q trình sấy
Việc xây dựng mơ hình sấy lý thuyết là cần thiết vì qua đó ta có thể nắm bắt
được dạng quá trình động học của đối tượng và có thể đưa ra giải pháp điều khiển hợp
lý khi thiết kế mơ hình thực.
Q trình trao đổi năng lượng của lò sấy:

13


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.4: Các biến quá trình trong hệ thống lò sấy
-

Biến điều khiển: tốc độ quạt, Heater nhiệt
Nhiều: nhiệt độ , độ ẩm MT
Biến cần đk: Nhiệt độ lị sấy

Ta có tổng cộng 5 biến q trình (T,To,F,q1,q2) , và một phương trình cân bằng năng
lượng. Như vậy bậc tự do của mơ hình là 4 bằng với số biến đầu vào nên mơ hình đảm
bảo sự nhật quán.
Nhận xét: Quá trình sấy là các quá trình nhiệt diễn ra rất phức tạp. Vì trong thời gian
ngắn nên chúng em chưa thể đi sâu về xây dựng một mơ hình lý thuyết hồn chỉnh cho
q trình sấy hoa quả. Do đó đề tài này chúng em sẽ tập trung vào xử lý về mặt thực
nghiệm.

14


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 3:

Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
sấy hoa quả

Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy
• Đối tượng cần điều khiển của hệ thống là nhiệt độ của khơng gian sấy
• Đối tượng điều khiển là công suất của quạt và công suất của điện trở nhiệt
• Bộ điều khiển sẽ bao gồm 1 vi điều khiển để thực hiện thuật tốn điều khiển
tồn bộ hệ thống, 1 relay để đóng ngắt điện cấp cho điện trở nhiệt, 1 transistor
để đóng ngắt điện cấp cho quạt.
•

Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ bên trong và bên ngồi khơng gian sấy.

• Máy tính sẽ đóng vai trị thu thập và truyền dữ liệu điều khiển với bộ điều khiển
theo chuẩn giao tiếp UART RS232

15


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

• Hệ thống sấy được cấp nguồn điện từ ắc quy nạp bởi pin mặt trời thơng qua
mạch sạc để đảm bảo dịng nạp ổn định để bảo vệ ắc quy ngồi ra có tác dụng
tự ngắt khi ắc quy đầy.

3.1. Tính tốn cơng śt
- Cơng suất dự tính: Sấy dẻo 1 kg chuối trong 6-8 giờ/ mẻ.
- Nhiệt đợ sấy trung bình:
-

Nhiệt độ sấy trung bình: 55 – 60°C

-

Độ ẩm của thành phẩm sau sấy: 15 – 20 %

- Công suất các thiết bị của hệ thống
• Quạt tản nhiệt:
Sử dụng loại quạt tản nhiệt 12V, dịng tiêu thụ 0.15A.
Lưu lượng gió 60 m3/h
Cơng suất = 1.8 W
• Điện trở nhiệt:
Sử dụng loại dây điện trở Crôm Niken 80-20, điện trở 5.3R/ m.
Điện áp sử dụng 12V, dòng tiêu thụ = 12 / 5.3 = 2.26 A
Cơng suất = 27.17 W

• Các thiết bị khác:
Các thiết bị điện trên bộ điều khiển sử dụng điện áp 5V
Ước tính tiêu thụ dịng = 1A
Cơng suất = 5 W
Tổng công suất của hệ thống = 34 W
Từ thơng số trên, ta có thể lựa chọn các thiết bị cung cấp nguồn điện cho hệ thống như
acquy và pin mặt trời.
16


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

3.2. Lựa chọn thiết bị
Dựa trên yêu cầu công nghệ, ta lựa chọn các thiết bị phù hợp với thiết kế, theo tinh
thần tối ưu nhất về giá cả lẫn độ tin cậy về mặt kĩ thuật.
Sau đây là bảng thống kê các thiết bị lựa chọn cho hệ thống. Phần thông tin chi tiết của
các thiết bị, tham khảo Phụ lục 5.

STT

1

Tên thiết bị

Thông số
Vi điều khiển 8-bit, 8KB bộ nhớ Flash, 32

AT89S52

Số lượng

1

GPIO, 3 Timer 16 bit, 1 UART
2

Quạt tản nhiệt

8x8cm, 12VDC, 0.1mA

1

3

Dây điện trở nhiệt

5.3R/m, 12VDC

1m

4

Relay 5V

5VDC, 10A

1

5

C1815

Transistor NPN, 50V, 150mA

2

6

2SA1273

Transistor PNP, 30V, 2A

1

7

DS18B20

IC đo nhiệt độ, dải đo -55 đến 125 độ C

2

8

Pin mặt trời 12V

12V/ 30W

2

9

Ắc quy 12V

Dung lượng 100Ah

1

10

Màn hình LCD1602

5V, hiển thị 2 dịng 16 kí tự

1

Bảng 3.1: Bảng thống kê các thiết bị

3.3. Thiết kế không gian sấy
Mô hình thực nghiệm của hệ thống sấy là mơ hình lị sấy sử dụng cơng nghệ sấy đối
lưu. Khơng khí trong lị được làm nóng bởi năng lượng mặt trời và được lưu chuyển
trong lị thơng qua quạt gió.
Cơng nghệ sấy đối lưu có 2 hình thức sấy chủ yếu đó là sấy ngang (khơng khí đi theo
chiều ngang của lị), và sấy dọc (khơng khí đi theo chiều dọc từ dưới lên trên lò).

17


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Do đặc điểm của công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời, hình thức sấy ngang đơn
giản hơn và tận dụng được tối đa nhiệt năng từ mặt trời.
• Lị sấy được thiết kế để sấy ngang sẽ có dạng hình hộp chữ nhật, kích thước 60

x 30 x 25 cm3.
• Vật liệu của lị là nhựa mica trắng đục, độ dày 1 cm.
• Phần bề mặt lò sẽ được sơn đen để tối đa sự hấp thụ nhiệt từ mặt trời.
• Một đầu của lị sẽ gắn quạt gió, đầu cịn lại khoét lỗ để lấy lối ra của khơng khí.
• Phần trên của lị sẽ đậy một tấm mica trong suốt để tạo hiệu ứng nhà kính, giúp
q trình tăng nhiệt trong lị nhanh và hiệu quả hơn.
• Phần đáy của lị sẽ cố định thanh điện trở đốt nóng.

Hình 3.2: Thiết kế chi tiết của không gian sấy

18


Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

3.4. Thiết kế mạch điện bộ điều khiển

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển của hệ thống
• Hệ thống sử dụng vi điều khiển để thực hiện thuật toán của bộ điều khiển nhiệt
độ cho lị sấy.
• Rơ le sẽ dùng để đóng ngắt thiết bị điện trở đốt nóng, điều khiển thơng qua một
transistor bởi tín hiệu từ vi điều khiển.
• Động cơ của quạt sẽ được tác động thông qua một mạch điều khiển sử dụng
transistor, dùng thủ thuật điều chế độ rộng xung PWM để điều chỉnh tốc độ. Điốt đóng vai trò bảo vệ cho transistor khỏi dòng ngược khi tắt động cơ.
• Hệ thống dùng 2 cảm biến để đo nhiệt độ bên trong và bên ngồi lị sấy.
Sơ đồ trên là nguyên lý tối giản của bộ điều khiển của hệ thống. Sau đây là phần

nguyên lý chi tiết cho mạch điện.

19