Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 1 Tóm tắt công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2010-2011 Mã số:… THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG PIN MẶT TRỜI Sinh viên: Đinh Hồng Bộ Nguyễn Nhật Dương Nguyễn Hồng Long Đỗ Văn Sơn Lớp: Cơ điện tử 4-K51,Viện Cơ khí Điện thoại: 0973 371 565, 0127 378 0862 Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng Bộ môn: Máy và ma sát học, Viện Cơ khí TÓM TẮT NỘI DUNG Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Con người cần tìm ra các nguồn năng lượng mới. Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là hướng phát triển năng lượng quan trọng trong tương lai. Hiện nay hệ thống pin mặt trời thường được lắp cố định, do đó pin chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu suất của tấm pin mặt trời sẽ giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần một hệ thống cảm biến xác định hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó điều khiển cho mặt phẳng của tấm pin hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời. Mục đích của đề tài này là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng hệ thống pin mặt trời đạt hiệu suất cao nhất, thu được nhiều năng lượng sạch từ mặt trời. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất bản Lao động- Xã hội; Xuất bản năm 2009 2. Huỳnh Đắc Thắng; Kỹ thuật số thực hành; NXB KH-KT; Hà Nội 2006 3. Bộ môn Công nghệ chế tạo máy; Cơ sở Công nghệ chế tạo máy; NXB KH-KT; Hà Nội 2008 4. Help Matlab; Phần mềm Matlab 7.7.0 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 2 MỤC LỤC Mục lục………………………………………………………………………………………….2 Lời nói đầu…………………………………………………………………………………… 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề………………………………………………………………………………….4 1.2 Mục tiêu đề tài…………………………………………………………………………… 4 1.3 Phạm vi nghiên cứu……………………………………………………………………… 5 PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu chung về đề tài…………………………………………………………………6 2.2 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí………………………………………………………… 8 2.3 Chọn động cơ và thiết kế, chế tạo mạch điều khiển………………………………………11 2.4 Phần mềm điều khiển và lập trình……………………………………………………… 18 PHẦN 3: KẾT LUẬN 3.1 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn………………………………………………….26 3.2 Định hướng phát triển…………………………………………………………………… 26 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 27 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 3 LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cả thế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng. Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này. Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đã được quan tâm và khích lệ, tuy nhiên những ứng dụng còn rất hạn chế. Với mong muốn đưa những ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam được phổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế sản xuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời”. Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực tế trên cơ sở làm việc theo nhóm. Đề tài là sự kết hợp giữa cơ khí- điện tử- tin học, thiết kế kết cấu cơ khí, chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây dựng phần mềm điều khiển và lập trình. Đây là sản phẩm đầu tiên của nhóm sinh viên chúng em nên không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn. Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Phạm Văn Hùng, cùng các thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài này, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua. Hà nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011 Nhóm sinh viên thực hiện Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 4 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1/ Đặt vấn đề: Khi các nguồn năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đang ngày một cạn kiệt, việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, các nhà máy nhiệt điện gây ra ô nhiểm môi trường và thay đổi môi trường sinh thái. Trong khi đó nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phải tìm ra các nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình. Năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng. Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao. Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất. Hệ thống pin mặt trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện bán dẫn. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng tức là hiệu suất của tấm pin mặt trời càng tăng lên. Hệ thống pin mặt trời thường được lắp cố định vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu suất của pin mặt trời sẽ giảm. Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời. 1.2/ Mục tiêu của đề tài: - Nâng cao hiệu suất chuyển đổi của tấm pin thông qua việc điều khiển vị trí tấm pin luôn vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 5 - Nâng cao độ chính xác của hệ thống với phần mềm Matlab và xử lý ảnh chụp của mặt trời thông qua Webcam. - Thiết kế, chế tạo, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời. 1.3/ Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định hướng pin mặt trời nhưng do điều kiện thời gian, kinh phí có hạn đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau: - Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời dùng cho học tập và nghiên cứu. - Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước. - Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý ảnh, phần mềm điều khiển trên máy tính. - Độ rọi của nguồn sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux). Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 6 PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1/ Giới thiệu chung về đề tài: *Nội dung của đề tài bao gồm 3 phần chính: - Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí. - Chọn động cơ và thiết kế, chế tạo mạch điều khiển. - Xử lý ảnh qua Matlab. *Tổng quan sơ đồ của hệ thống: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý M ạ ch công su ấ t M ạ ch đi ề u khi ể n Máy tính Động cơ bước Webcam Tấm pin Trục nằm ngang Trục thẳng đứng Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 7 Hình 2: Hình ảnh sản phẩm chế tạo *Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi hệ thống hoạt động, webcam kết nối với máy tính có nhiệm vụ chụp ảnh Mặt Trời, dữ liệu về ảnh của Mặt Trời sẽ được chuyển đến phần mềm Matlab xử lý, phân tích ảnh, tìm trọng tâm của ảnh chụp sau đó máy tính xuất xung ra mạch điều khiển để điều khiển lần lượt hai động cơ bước quay theo chiều phù hợp cho đến khi tâm ảnh về đúng với tâm của khung hình (tấm pin vuông góc với Mặt trời) thì hệ thống dừng ở trạng thái giữ. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 8 2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí: 2.2.1/ Nhiệm vụ, yêu cầu của kết cấu cơ khí: *Nhiệm vụ: Cơ cấu cơ khí sẽ bao gồm các chuyển động để điều khiển tấm pin mặt trời chuyển động hướng theo mặt trời cho đến khi tấm pin vuông góc với tia sáng mặt trời thì dừng lại. *Yêu cầu: - Kết cấu đơn giản và số chuyển động là ít nhất. - Chuyển động đạt độ chính xác cao. 2.2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí: a)Thiết kế: *Từ yêu cầu và nhiệm vụ đề ra, ta chỉ cần dùng hai chuyển động quay quanh hai trục Oz và Ox(hoặc Oy) trong hệ tọa độ Đề Các để điều khiển tấm pin hướng theo mặt trời. Thật vậy, xét trong hệ tọa độ Đề Các trong không gian gắn liền với tấm pin, tấm pin nằm trong mặt phẳng Oxy, gốc O trùng với tâm của tấm pin, giả sử tia sáng từ mặt trời chiếu tới tấm pin hợp với trục Oz một góc α, hình chiếu của tia sáng trên mặt phẳng Oxy hợp với trục Oy góc β. Để tia sáng vuông góc với tấm pin tức là tia sáng vuông góc với mặt phẳng Oxy, ta lần lượt quay hệ tọa độ quanh trục Oz góc β (khi quay quanh trục Oz góc α hợp bởi tia sáng với trục Oz không thay đổi), rồi tiếp tục quay hệ tọa độ quanh trục Ox góc α. Hình 3: Chuyển động quay của hai trục tọa độ z y x O S S' z1 y x O S S' y1 x1 z1 O S y1 x1 z2 y2 α β β α Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 9 *Chuyển động quay quanh trục Oz được thực hiện thông qua truyền động cơ khí là bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng. So với các truyền động cơ khí khác, truyền động bánh răng có ưu điểm nổi bật: - Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn. - Tỷ số truyền không thay đổi. - Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0,99 - Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy. Tuy nhiên truyền động bánh răng có các nhược điểm sau: - Chế tạo tương đối phức tạp. - Đòi hỏi độ chính xác cao. - Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn. *Chuyển động quay quanh trục Ox được thực hiện thông qua truyền động cơ khí là bộ truyền đai răng. Truyền động đai có ưu điểm sau: - Có khả năng truyền chuyển động và cơ năng giữa các trục ở khá xa nhau. - Làm việc êm, không ồn. - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ. Nhược điểm của bộ truyền đai: - Khuôn khổ kích thước lớn hơn so với bộ truyền bánh răng (khi cùng một điều kiện làm việc). - Lực tác dụng lên trục và ổ lớn do phải căng đai. *Ổ lăn được sử dụng để đỡ hai trục chuyển động, loại ổ lăn dùng là loại ổ bi đỡ một dãy. So với ổ trượt, ổ lăn có ưu điểm: - Hệ số ma sát nhỏ. - Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn. - Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng trục. - Mức độ tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện, giá thành thấp do sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên ổ lăn có một số nhược điểm: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 10 - Lắp ghép tương đối khó khăn. - Kích thước hướng kính lớn. - Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao. *Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta chọn trục là loại trục bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm bảo các điều kiện lắp ghép. b)Chế tạo: Phần cơ khí của hệ thống bao gồm: 1- Ống đỡ thẳng đứng 2- Ổ bi đỡ 3- Bánh răng 4- Trục thẳng đứng 5- Khung đỡ 6- Bánh đỡ 7- Tấm đỡ 8- Tấm pin mặt trời 9- Webcam 10- Bu lông, đai ốc, vít 11- Trục nằm ngang 12- Dây đai 13- Động cơ bước Thông số hình học của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: Thông số m Z d b Bánh chủ động 1 25 25 8 Bánh bị động 1 62 62 5 Tỷ số truyền: u=     =     =     =   Tỷ số truyền của bộ truyền đai: u =     =   [...]... break; }}}} Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 17 2.4/ Phần mềm điều khiển và lập trình: 2.4.1/ Nhiệm vụ: Hệ thống sẽ sử dụng phương pháp nhận biết mặt trời bằng cách chụp ảnh qua một webcam Phần xử lý ảnh sẽ do Matlab thực hiện Webcam sẽ chụp một bức ảnh có mặt trời như sau: Hình 9: Ảnh mặt trời qua xử lý Matlab Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 18... Chế độ phụ PHẦN 3: KẾT LUẬN Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 26 3.1/ Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn: Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời Đây là một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh, là sự kết hợp của cơ khí- điện tử- tin học, đề tài sẽ là tài liệu tham khảo, phục vụ tốt cho công tác đào tạo, nghiên cứu, ứng dụng... và vi điều khiển Hình 8: Mạch điều khiển Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 14 B PHẦN MỀM: Để lập trình điều khiển chip AT89S52 ta dùng phần mềm Keil uVision2 phiên bản 7.08 Việc lập trình có hai nhiệm vụ chính sau:  Lập trình thu phát dữ liệu  Lập trình điều khiển động cơ bước 1 Điều khiển thu phát dữ liệu: Đối với các chip vi điều khiển hiện nay, việc thu phát dữ liệu có... chính 4) Chế độ phụ Chế độ phụ gồm có các chức năng: tự động bắt mặt trời, ghi lại quá trình bắt, trở lại điểm xuất phát và tự động lặp lại y hệt quá trình trước Về cơ bản chế độ phụ hoạt động như chế độ thời gian, chỉ khác nhau ở chỗ chế độ phụ tự ghi lại theo thời gian tương đối, gốc thời gian là thời điểm bắt đầu Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 25 Hình 13: Chế độ phụ... Thuật toán điều khiển chế độ tự động Bắt đầu Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 22 Khởi tạo vị trí 0 chạy cả 2 động cơ Chụp ảnh Không Có mặt trời ? Có Tọa độ 1 nhỏ hơn 75 Tọa độ trong khoản 75-85? Có Tọa độ 1 lớn hơn 85 Có Chạy động cơ 1 theo chiều thuận Tọa độ 2 nhỏ hơn 55 Chạy động cơ 1 theo chiều nghịch Tọa độ 2 trong khoản 55-65? Tọa độ 2 lớn hơn 85 Có Chạy động cơ 2 theo... khiển: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 21 Bước đầu tiên của việc điều khiển là lựa chọn cổng COM Có 3 giá trị COM là COM4, COM5 và COM7 để lựa chọn với tốc độ là 1200 bps Việc lựa chọn cổng COM sẽ phụ thuộc vào vị trí của dây cắm trên máy Có 3 chế độ điều khiển chính là: chế độ bằng tay, chế độ chạy tự động, chế độ chạy theo thời gian Có một chế độ chạy phụ Tùy vào điều kiện... dụng của chế độ này sẽ là vào những ngày không có mặt trời và Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 24 những thời điểm mặt trời tạm biến mất Chế độ này yêu cầu một bảng lưu giá trị thời gian và xung xuất của thời điểm đó Ta sẽ tạo biến đó bằng một chương trình lưu thời gian sẽ trình bày sau Yêu cầu thực hiện của chế độ này là tại vị trí bắt đầu là vị trí đã bắt được mặt trời đúng... một ứng dụng nhỏ thuộc nội dung đồ án này thì nó sẽ đơn giản hơn cho việc điều khiển và cũng không bị giới hạn về số lượng chân nên nhóm chọn cách điều khiển đơn cực để tạo chuyển động quay của động nửa bước Như đã trình bày ở phần trên tạo chuyển động quay cho Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 16 các động cơ ta cần cấp tín hiệu lần lượt cho các đầu dây việc này được thực hiện... công suất điều khiển động cơ: Mạch điều khiển động cơ bước với phần lõi là 8 linh kiện IRF540N, đảm nhận vai trò điều khiển 2 động cơ trái, phải Sau đây là sơ đồ mạch nguyên lý: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 12 Hình 5: Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 6: Mạch công suất trên thực tế Ưu điểm của mạch: Đơn giản, dễ thực hiện, mạch có khả năng tải được công suât lớn (Điện áp định mức... lượng mặt trời để dùng trong thực tế - Phát triển các hệ thống rada phát hiện các máy bay tàng hình với rada thông thường nhưng không tàng hình với mắt người, với các camera và webcam độ phân giải cao - Nghiên cứu giải pháp tích hợp thuật toán xử lý ảnh ngay trên vi điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 27 1 Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển .     =   Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 11 2.3/ Chọn động cơ và thiết kế, chế tạo mạch điều khiển: A. PHẦN CỨNG:. thống dừng ở trạng thái giữ. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 8 2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí: 2.2.1/ Nhiệm