Hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lương tái tạo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.06 MB, 79 trang )
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Nguyễn Thị Phương Trà
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Nguyễn Thị Phương Trà
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Hướng dẫn 1: TS. Lê Văn Tùng
Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Trọng Nghĩa
Khánh Hòa - 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn “Hệ
thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng tái tạo” là trung thực và
khơng có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tất cả sự
giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy
đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố.
Học viên
Nguyễn Thị Phương Trà
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân đến:
- TS. Lê Văn Tùng và TS. Nguyễn Trọng Nghĩa đã tận tình giảng dạy,
hướng dẫn khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
- Quý Thầy Cô quản lý và giảng dạy lớp Vật lý kỹ thuật – 2018 Nha
Trang tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Cơng nghệ Nha Trang đã nhiệt tình
giúp đỡ trong suốt khóa học.
- Học viện Khoa học và Cơng nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã hướng dẫn đã tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập.
- Ban Giám Hiệu trường Phổ thơng Dân tộc nội trú tỉnh Khánh Hòa đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi vừa công tác vừa học tập.
- Thầy Cô Khoa Vật lý & KTHN của Trường Đại học Đà Lạt đã nhiệt
tình hỗ trợ để tơi có thể lắp đặt thử nghiệm hệ thống điều khiển trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
- Và tất cả các anh chị, các bạn học viên cùng lớp, những người thân đã
giúp đỡ đóng góp ý kiến, động viên tơi trong suốt thời gian học tập và hoàn
thành đề tài này.
Học viên
Nguyễn Thị Phương Trà
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Các từ gốc của chữ viết tắt
AC
Alternating Current
ARM
Acorn RISC Machine
AVR
Automatic Voltage Regulation
DC
Direct Current
EEPROM
Electrically Erasable Programmable Read- Only
Memory
ESP
Electronic Stability Program
FTDI
Future Technology Devices International
GPIO
General Purpose Input/Outputs
I2C
Inter-Integrated Circuit
IC
Integrated Circuit
IDE
Integrated Development Environment
IoT
Internet of things
LCD
Liquid Crystal Display
PCB
Printed Circuit Board
Portable Document Format
PID
Proportional Integral Derivative
PLC
Programmable Logic Controller
PWM
Pulse Width Modulation
RF
Radio Frequency
RTC
Real Time Clock
SRAM
Static Ram
UART
Universal Asynchronous Receive/Transmit
USART
Universal Synchronous Asynchronous Receiver /
Transmitter
USB
Universal Serial Bus
WPA
Wifi Protected Access
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
Bảng 1.1
Tên bảng biểu
Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
Trang
6
Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày
Bảng 1.2
Bảng 2.1
của các tháng trong năm ở một số địa phương
của nước ta
Bảng tính tốn điện năng tiêu thụ trong 1 ngày
tại nhà kính.
7
37
DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1
Cấu tạo của tế bào quang điện pin mặt trời
9
Hình 1.2
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển
12
Hình 1.3
Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở
Dalat_Hasfarm
13
Hình 1.4
Nhà kính điều khiển tự động tại Trường Đại học
Quảng Bình
14
Hình 1.5
Sơ đồ cấu tạo của hệ thống giám sát và điều
15
Hình 1.6
Giao diện mơ hình nhà kính thơng minh trên PC
15
Hình 2.1
Các loại board Arduino
18
Hình 2.2
Board Arduino Mega2560
19
Hình 2.3
Sơ đồ khối khối điều khiển trung tâm
21
Hình 2.4
Arduino Mega 2560 Pro Mini cho khối điều
khiển trung tâm
23
Hình 2.5
Mạch thu phát RF UART SI4463 tần số
433Mhz HC-12
24
Hình 2.6
Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm
biến
24
Hình 2.7
Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01
25
Hình 2.8
Trang webserver Thingspeak
26
Hình 2.9
Bàn phím 6 nút
27
Hình 2.10
Màn hình LCD 20 x 4
27
Hình 2.11
Mạch đổi I2C cho LCD
28
Hình 2.12
Mạch RTC I2C DS1307
29
Hình 2.13
Hình ảnh rơ-le và cấu tạo bên trong của rơ-le
29
Hình 2.14
Hình ảnh cơng-tắc-tơ (contactor) khởi động từ
30
Hình 2.15
Sơ đồ nối dây trực quan từ Fritzing.
30
Hình 2.16
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển
31
Hình 2.17
Mạch in của hệ thống điều khiển
32
Hình 2.18
Máy trạng thái điều khiển của hệ thống trung
tâm
33
Hình 2.19
Giao diện phần mềm IDE
35
Hình 2.20
Các vùng lệnh của phần mềm IDE
35
Hình 2.21
Nạp chương trình trên mạch thử nghiệm (phiên
bản 1)
36
Hình 2.22
Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển
38
Hình 2.23
Hình ảnh Pin năng lượng mặt trời 18V-100W
38
Hình 2.24
Hình ảnh thực tế Acquy 12V-200Ah
40
Hình 2.25
Hình ảnh thực tế bộ điều khiển sạc năng lượng
mặt trời 12V / 24V / 36V / 48V – 50A
41
Hình 2.26
Bộ biến đổi điên áp Lvyuan - 12000W
42
Hình 2.27
Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến
42
Hình 2.28
Hình ảnh Pin mặt trời loại 6V 1W
43
Hình 2.29
Hình ảnh Pin sạc Ultrafire 18650
44
Hình 2.30
Hình ảnh mạch sạc pin Lithium cổng Micro 5V
1A 18650 TP4056
44
Hình 2.31
Khối nguồn cảm biến được xây dựng với các
thành phần: pin mặt trời, pin dự phịng, mạch
nạp và ổn áp
45
Hình 3.1
Tủ hệ thống điều khiển trung tâm sau khi lắp đặt
hồn chỉnh
46
Hình 3.2
Mạch điều khiển trung tâm sau khi hoàn thiện
(phiên bản 2) gắn bên trong tủ điện
47
Hình 3.3
Màn hình LCD và bàn phím được kết nối với
mạch điều khiển trung tâm
47
Hình 3.4
Các thơng số mơi trường hiển thị trên màn hình
48
Hình 3.5
Hình ảnh cập nhật dữ liệu trên server của
Thingspeak
49
Hình 3.6
Các trạng thái đóng và mở lưới che nắng hoạt
động thực tế
49
Hình 3.7
Hệ thống phun sương thực tế hoạt động theo
điều khiển
50
Hình 3.8
Hình ảnh quạt thơng gió thực tế hoạt động theo
điều khiển
50
Hình 3.9
Kết quả thể hiện sau biên dịch
51
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình mặt ngồi tủ điều khiển
Pin mặt trời thuộc phịng thí nghiệm Tự động
hóa
52
57
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................... 6
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI ..................................................................................................... 6
1.1.1. Năng lượng tái tạo tiềm năng tại Việt Nam ................................. 6
1.1.2. Hệ thống pin mặt trời... ................................................................ 9
1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ......................... 9
1.1.2.2. Hệ thống dự trữ điện năng (ắc quy) ............................................ 9
1.1.2.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời ................................................. 10
1.1.2.4. Các mơ hình vận hành cơ bản của hệ thống điện mặt trời ........... 10
1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NHÀ
KÍNH ............................................................................................................... 11
1.2.1. Xu hướng ứng dụng nhà kính điều khiển tự động ...................... 11
1.2.2. Hệ thống điều khiển tự động nhà kính ....................................... 12
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ............................ 18
2.1. TÌM HIỂU VỀ ARDUINO ........................................................................ 18
2.1.1. Đặc điểm chung của arduino........................................................ 18
2.1.2. Tìm hiểu về Arduino Mega2560 .................................................. 19
2.2. ĐIỀU KIỆN TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU .............................................. 20
2.3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN .................................. 21
2.3.1. Phân tích chức năng, nhiệm vụ khối điều khiển ........................ 21
2.3.2. Xây dựng hệ thống ........................................................................ 22
2.3.2.1. Khối trung tâm điều khiển............................................................ 22
2.3.2.2. Khối giao tiếp không dây ............................................................. 23
2
2.3.2.3. Khối giao tiếp người dùng ........................................................... 26
2.3.2.4. Khối thời gian thực RTC .............................................................. 28
2.3.2.5. Khối động lực .............................................................................. 29
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng ................................................................. 30
2.3.4.Thiết kế giải thuật và lập trình hệ thống ...................................... 33
2.3.4.1. Thiết kế giải thuật ........................................................................ 33
2.3.4.2. Lập trình hệ thống ....................................................................... 34
2.4. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.. 36
2.4.1. Tính tốn điện năng tiêu thụ trong nhà kính ............................. 36
2.4.2. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối điều khiển ............... 37
2.4.2.1. Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển .......................................... 37
2.4.2.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối................................... 38
2.4.3. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối cảm biến.................. 42
2.4.3.1. Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến ............................................ 42
2.4.3.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối................................... 43
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 46
3.1. THỰC NGHIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................... 46
3.1.1. Kết quả hoạt động của hệ thống .................................................. 46
3.1.2. Thảo luận kết quả hoạt động của hệ thống điều khiển ............... 51
3.2. THỰC NGHIỆM VỀ KHỐI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ....................... 56
3.2.1. Đối với khối nguồn của khối điều khiển ...................................... 56
3.2.2. Đối với khối nguồn của khối cảm biến ........................................ 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 60
3
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay vấn đề an ninh lương thực, thực phẩm sạch đang dần trở nên
quan trọng và được chú ý hơn tại nhiều quốc gia. Nông nghiệp là một ngành
kinh tế quan trọng của Việt Nam. Trong những năm gần đây,sự phát triển
vượt bậc của ngành nơng nghiệp có sự đóng góp đáng kể của khoa học cơng
nghệ trong lĩnh vực nơng nghiệp, trong đó tập trung chính vào phát triển nơng
nghiệp cơng nghệ cao. Các kỹ thuật canh tác mới, nghiên cứu giống mới và
ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp đã và đang được triển khai. Trong
đó, canh tác bằng nhà kính công nghệ cao đang là xu hướng và được đầu tư
nghiên cứu tại nhiều quốc gia. Nhà kính giúp cây trồng tránh được các tác
động trực tiếp từ môi trường, khí hậu và thời tiết khắc nghiệt. Ngồi ra, nhờ
sử dụng nhà kính, người dân quản lý tốt hơn các yếu tố mơi trường ảnh hưởng
đến q trình sinh trưởng của cây trồng. Tự động hóa các quy trình canh tác
cũng có thể được thực hiện trong nhà kính một cách dễ dàng và thuận tiện
hơn so với canh tác ngồi mơi trường tự nhiên. Các yếu tố trên giúp cải thiện
chất lượng cây trồng, tiết kiệm chi phí nhân cơng, giảm lãng phí tài ngun
phục vụ sản xuất.
Đi đơi với việc sử dụng cơng nghệ mới, tự động hóa trong nhà kính thì
yếu tố hiệu quả trong tiêu thụ năng lượng cũng là một điểm nóng. Việc khai
thác và sử dụng năng lượng một cách hợp lí và hiệu quả là một vấn đề toàn
cầu hiện nay. Theo xu thế phát triển của khoa học công nghệ và nhu cầu của
xã hội, việc ứng dụng năng lượng tái tạo đang trở thành một tiêu chí cho đánh
giá tính vượt trội của các hệ thống. Việt Nam là một nước đang phát triển với
tốc độ nhanh và nhu cầu sử dụng năng lượng là rất lớn. Song, Việt Nam có vị
trí địa lý giáp biển đồng thời nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên sẽ có
nhiều thuận lợi hơn cho tiềm năng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo trong nông nghiệp không chỉ giảm áp lực lên
hệ thống điện lưới quốc gia, chủ động nguồn năng lượng mà còn giúp cải
thiện chỉ số môi trường của sản phẩm.
4
Với mong muốn kết hợp các ưu điểm của hệ thống sản xuất nơng
nghiệp bằng nhà kính và ứng dụng năng lượng tái tạo trong điều kiện thực tế,
tôi lựa chọn đề tài "Hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng
tái tạo".
Mục đích của đề tài
Đề tài được thực hiện với mục đích sau khi hồn thiện hệ thống sẽ có
thể được triển khai ứng dụng tại những vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo,
nơi có vị trí địa lý khó khăn trong việc tiếp cận với mạng lưới điện quốc gia
hoặc những nơi có thời tiết không thuận lợi trong việc sản xuất nông nghiệp
kiểu truyền thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tính tốn, thiết kế cho hệ thống pin mặt trời cung cấp nguồn cho hệ
thống điều khiển.
Thiết kế và lập trình cho hệ thống điều khiển các thiết bị động lực trong
nhà kính.
Hệ thống được xây dựng hướng đến các đối tượng sản xuất có quy mơ
vừa và nhỏ, hộ gia đình.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tài liệu liên quan.
- Phương pháp thực nghiệm:
+ Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống
+ Tính tốn, lựa chọn các thiết bị hình thành nền tảng phần cứng
+ Xây dựng máy trạng thái, tiến hành lập trình phần mềm cho hệ thống.
- Đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống và tính khả thi trong thực tế.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được chia
thành 3 chương:
5
Chương 1: Tổng quan tài liệu.
Chương 2: Thiết kế và xây dựng hệ thống.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI
1.1.1. Năng lượng tái tạo tiềm năng tại Việt Nam
Đã có nhiều loại năng lượng tái tạo được khai thác và sử dụng như
năng lượng mặt trời, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng
sinh khối. Đây là những nguồn năng lượng sạch, thân thiện với mơi trường, ít
gây ơ nhiễm, giúp giảm áp lực sử dụng điện năng của lưới điện quốc gia và có
thể sử dụng cho nhiều nhu cầu, và địa điểm khác nhau.
Đặc biệt, Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi để khai thác sử dụng năng
lượng mặt trời. Việc điều tra đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời đã được
nhiều cơ quan tổ chức nghiên cứu, số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các
vùng miền nước ta và tại một số các địa phương được thể hiện qua bảng 1.1
và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam [1].
Cường độ BXMT
Vùng
Giờ nắng trong năm
2
Ứng dụng
(kWh/m . ngày)
Đơng Bắc
1600 – 1750
3,3 – 4,1
Trung bình
Tây Bắc
1750 – 1800
4,1 – 4,9
Trung bình
Bắc Trung Bộ
1700 – 2000
4,6 – 5,2
Tốt
2000 – 2600
4,9 – 5,7
Rất tốt
Nam Bộ
2200 – 2500
4,3 – 4,9
Rất tốt
Trung bình cả nước
1700 – 2500
4,6
Tốt
Tây Nguyên và
Nam Trung Bộ
7
Bảng 1.2. Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong
năm ở một số địa phương của nước ta [1].
Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày)
Địa
STT
1
2
3
phương 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
8,21
8,72
10,43
12,70
16,81
17,56
18,81
19,11
17,60
13,57
11,27
9,37
18,81
19,11
17,60
13,57
11,27
9,37
17,56
18,23
16,10
15,75
12,91
10,35
11,23
12,65
14,45
16,84
17,89
17,47
11,23
12,65
14,25
16,84
17,89
17,47
Láng
8,76
8,63
9,09
12,44
18,94
19,11
(Hà Nội)
20,11
18,23
17,22
15,04
12,40
10,66
8,88
8,13
9,34
14,50
20,03
19,78
21,79
16,39
15,92
13,16
10,22
9,01
12,44
14,87
18,02
20,28
22,17
21,04
22,84
20,78
17,93
14,29
10,43
8,47
17,51
20,07
20,95
20,88
16,72
15,00
16,68
15,29
16,38
15,54
15,25
16,38
16,68
15,29
16,38
15,54
15,25
16,38
18,94
16,51
15,00
14,87
15,75
10,07
Cao Bằng
Móng Cái
Sơn La
4
5
6
7
8
Vinh
Đà Nẵng
Cần Thơ
Đà Lạt
8
Như vậy, tiềm năng về năng lượng mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa
Thiên Huế trở vào Nam và vùng Tây Bắc. Vùng Tây Bắc và vùng Bắc Trung
bộ có năng lượng mặt trời khá lớn. Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong
khoảng 300 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong
khoảng 1800 đến 2100 giờ. Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc nước ta đều
có thể sử dụng hiệu quả. Cịn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng
mặt trời rất tốt và phân bố tương đối điều hòa trong suốt cả năm. Trừ những
ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số ngày trong năm đều có thể sử dụng
năng lượng mặt trời cho sinh hoạt [1, 2]. Số giờ nắng trung bình cả năm trong
khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt trời rất
hiệu quả.
Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời trải dài
từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời
tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó
việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp
tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường và
có trữ lượng vơ cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công
nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường . Vì thế, đây được coi
là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang
ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt
trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống [1, 2].
Từ những đánh giá trên cho thấy tiềm năng của năng lượng mặt trời tại
Việt Nam là rất lớn, đây là xu hướng phát triển trong tương lai. Sử dụng
nguồn năng lượng này đem lại nhiều kết quả tích cực cho mơi trường và đời
sống, do đó đề tài lựa chọn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo
thực hiện chức năng cung cấp năng lượng cho hệ thống điều khiển hoạt động.
9
1.1.2. Hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Cấu tạo
Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện, là phần tử bán dẫn có
thành phần chính là silic tinh khiết, 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. Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm
kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ở phía sau. Tồn bộ được
đóng gói chân khơng thơng qua lớp nhựa polymer trong suốt được thể hiện
như trong hình 1.1 [3].
Ngun lý hoạt động
Pin mặt trời có ngun lý hoạt động chính dựa trên hiện tượng quang
điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n của chất bán dẫn.
Hình 1.1. Cấu tạo của tế bào quang điện pin mặt trời [4].
1.1.2.2. Hệ thống dự trữ điện năng (ắc quy)
Cấu tạo của ắc quy
Ắc quy gồm có các bản cực bằng chì và ơ xít chì ngâm trong dung dịch
axit sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới,
10
làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa
chất này khi được nạp đầy là điơxít chì ở cực dương và chì ngun chất ở cực
âm.
Phương pháp phóng và nạp ắcquy [5]
- Phóng điện có thể được tiến hành bất kỳ thời điểm nào và bất kì dịng
điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bản chỉ dẫn của nhà chế tạo.
- Quá trình nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung
lượng ắc quy nhưng khơng được q 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
1.1.2.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời
Hệ thống điều phối điện mặt trời bao gồm hai bộ phận cơ bản là bộ điều
khiển sạc và bộ biến đổi điện DC /AC. Tùy vào thiết kế của nhà sản xuất mà
hai bộ phận này tách rời độc lập với nhau hoặc được tích hợp chung trên một
thiết bị. Cụ thể [3]:
- Bộ điều khiển sạc thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc quy, bảo vệ
cho ắc quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình
ắc quy và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và dài lâu.
- Bộ biến đổi điện DC /AC là thiết bị nghịch lưu, chuyển đổi dòng điện
một chiều từ ắc quy (hoặc tấm pin) thành dòng điện xoay chiều cho tải.
1.1.2.4. Các mơ hình vận hành cơ bản của hệ thống điện mặt trời
a. Vận hành độc lập với lưới (off grid)
Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập chỉ dựa vào năng lượng mặt trời
để phát ra điện năng, tùy vào nhu cầu sử dụng mà có thể có hoặc khơng có ắc
quy để dự trữ năng lượng. Quy mô và thiết kế của hệ thống này phù hợp cho
các tải điện một chiều hoặc xoay chiều công suất nhỏ hoặc ứng dụng cho các
vùng khơng có lưới điện.
b. Vận hành kiểu lai (hybrid)
Hệ thống cục bộ có thể kết hợp với các nguồn khác (điện gió, máy phát
điện…) như nguồn phát thứ cấp, khi đó ta có hệ thống pin mặt trời liên kết
11
theo hệ thống kiểu lai. Về mặt vận hành, hệ thống liên kết tương tự hệ thống
độc lập, tuy nhiên khi khơng có ánh sáng mặt trời thì nguồn điện của hệ vẫn
được duy trì nhờ các nguồn thứ cấp.
c. Vận hành kết nối với lưới điện ( grid tie)
Hệ thống pin mặt trời vận hành kết nối với lưới điện có vai trị như một
phần của mạng điện khu vực. Có hai dạng hệ thống pin mặt trời nối lưới là
trực tiếp và trữ ắc quy.
1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG
NHÀ KÍNH
1.2.1. Xu hướng ứng dụng nhà kính điều khiển tự động
Trong những năm gần đây, nhà nước đã đẩy mạnh thực hiện cơ cấu cây
trồng theo hướng công nghệ cao, việc áp dụng và triển khai nhiều loại hệ
thống trồng cây trong nhà kính đã và đang mang lại nhiều kết quả tích cực về
chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên để nâng cao được hiệu quả kinh tế, các nhà
kính khơng ngừng được cải tiến, trang bị công nghệ. Điều này thúc đẩy nhiều
nơi lắp đặt nhà trồng cây có điều khiển tự động. Nhà kính được trang bị hệ
thống điều khiển tự động mang lại nhiều lợi ích như: giảm chi phí chăm sóc
thơng qua việc sử dụng phân, nước hiệu quả, giảm sử dụng lao công; giúp
người dùng chủ động điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và lượng
thông gió, là những yếu tố quan trọng tác động đến q trình sinh trưởng của
cây trồng, từ đó người nơng dân có thể trồng trọt bất cứ loại cây trồng nào ở
bất cứ thời điểm nào.
1.2.2. Hệ thống điều khiển tự động trong nhà kính
Hệ thống điều khiển tự động cơ bản sử dụng trong nhà kính có sơ đồ
khối tổng qt như hình 1.2, gồm có [7-13]:
- Một hệ đo và chuyển đổi các đại lượng như nhiệt độ, độ ẩm, thơng
lượng ánh sáng thành các tín hiệu điện. Nhà màng hiện đại cịn đo cả tốc độ
gió, báo mưa.
12
- Khối xử lý chuyên dụng (specific) hoặc xử lý theo các giải thuật điều
khiển đã được lập trình nạp vào (programmable).
- Phần động lực tác động đến các phần tử chấp hành như đóng/mở cửa,
màn chắn, quạt, sưởi nóng và tưới.
- Phần hiển thị các thông số điều khiển
Khối hiển thị
Khối ghi dữ
liệu
Khối xử lý
Khối điều khiển
ngõ ra: quạt, phun
sương…
Khối nguồn
Hình 1.2. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển
Hệ điều khiển được sử dụng cho nhà kính có 2 loại, tùy vào mức độ
cơng nghệ [14-22]:
- Hệ điều khiển mở - đóng (on-off controller). Ngõ ra hoặc đóng hoặc
mở và đương nhiên khơng có trang thái trung gian. Hệ điều khiển mở - đóng
chỉ chuyển khóa khi nhân tố điều khiển ψ(t) vượt qua một giá trị đặt trước.
Tuy nhiên, hệ điều khiển sẽ mở đóng liên tục khi ψ(t) tăng giảm quanh giá trị
đặt trước. Lúc ấy cần phải thêm vào hệ điều khiển bộ phận vi sai mở-đóng
(on-off controller differential). Nhờ đó ψ(t) sẽ vượt qua điểm đặt trước một
khoảng đáng kể trước khi ngõ ra đóng hoặc mở trở lại. Hệ thống điều khiển
theo phương pháp đóng - mở thường được sử dụng khi khơng cần độ chính
xác q cao.
- Khi cần độ chính xác cao và làm việc ổn định, hệ điều khiển sẽ sử
dụng các giải pháp điều khiển phức tạp hơn như: Điều khiển tỷ lệ
(Proportional) hay điều khiển tỷ lệ với hai thành phần điều chỉnh là tích phân
(Integral) và đạo hàm (Derivative) để tạo thành bộ điều khiển PID hoàn chỉnh.
13
Tuy hệ điều khiển tỉ lệ có nhiều ưu thế hơn hệ điều khiển mở - đóng nhưng
yêu cầu quá trình thiết kế phức tạp hơn. Trong những hệ thống canh tác cây
trồng đơn giản, việc đầu tư sử dụng loại điều khiển này vừa phức tạp vừa
khơng hồn tồn cải thiện nhiều hiệu quả cơng việc. Chính vì vậy, loại điều
khiển PID ít được triển khai.
Các hệ thống điều khiển thơng minh khác trong tương lai có thể ứng
dụng cả trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn big data kết hợp với IoT để tối ưu hóa
q trình canh tác. Việc điều khiển sẽ không chỉ phụ thuộc vào yêu cầu của
người canh tác mà còn cả lịch sử canh tác cũng như hiệu quả qua các năm.
Các thơng số này sẽ được sử dụng tính tốn để tự động điều chỉnh mà không
cần sự can thiệp của người dùng. Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn chỉ mới
được nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và chưa có mặt trên thị trường.
Tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động nhà kính:
.
Hình 1.3. Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở Dalat_Hasfarm [16]
Trên thế giới cũng như tại Việt nam, có rất nhiều hệ thống điều khiển
nhà kính, cả thương mại và nghiên cứu. Những hệ thống đã được thương mại
hóa có thể kể đến như của Hasfarm (tại Việt Nam là Dalat Hasfarm) như
trong hình 1.3 hay của Nettafim, Mimosatek, Trường Thịnh, Khang Huân,
14
Habcom. Tất cả các hệ thống này đều sử dụng điện lưới phục vụ cho quá
trình hoạt động, kỹ thuật điều khiển được thực hiện theo kiểu đóng-mở truyền
thống
Tại các trường đại học, một số hệ thống điều khiển nhà kính đã được
thực hiện dưới hình thức đồ án, khóa luận hay luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên,
các hệ thống này thường chỉ dừng ở mức độ mơ hình, khơng có thành phần
động lực để đánh giá hoạt động thực tế. Ngoài ra, các hệ thống này áp dụng
PLC để điều khiển. Đây cũng là cách thức triển khai của đa phần hệ thống
thương mại. Ưu điểm của PLC là ổn định, kết nối chuẩn công nghiệp nhưng
việc kết hợp với cảm biến bị giới hạn và có giá thành cao hơn sử dụng vi điều
khiển.
Trong một nghiên cứu tại Trường Đại học Quảng Bình [17], một hệ
thống điều khiển đã được thử nghiệm thực tế như trong hình 1.4, hệ thống sử
dụng cảm biến khơng dây để gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển có sơ đồ cấu
tạo như hình 1.5. Các kết quả thử nghiệm cho thấy tiềm năng sử dụng của hệ
thống. Tuy nhiên cách thức triển khai, mở rộng cảm biến và nền tảng phần
cứng chưa thể hiện rõ tính năng. Đồng thời, hệ thống cũng triển khai theo
hướng sử dụng điện lưới truyền thống.
Hình 1.4. Nhà kính điều khiển tự động tại Trường Đại học Quảng Bình [17]
