MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.2 BỨC XẠ MẶT TRỜI 2.3 TIỀM NĂNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM 2.4 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13 2.4.1 CƠ SỞ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13 2.4.2 CẤU TẠO 14 2.4.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 15 2.4.4 SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG ĐIỆN 16 2.5 HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 17 2.6 NHỮNG CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 19 2.6.1 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 19 2.6.2 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC 19 2.7 GIỚI THIỆU MODULE 21 2.7.1 MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 21 2.7.2 LCD TEXT 20x4 22 2.7.3 BOARD ARDUINO MEGA 2560 23 2.7.4 MODULE TB6560 – Driver Step Motor 25 2.8 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 26 2.8.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 26 2.8.2 LÝ THUYẾT CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 27 2.8.3 ĐIỀU CHỈNH VÒNG LẶP 28 2.8.4 ĐỘ ỔN ĐỊNH 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRỤC 29 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 29 3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 30 3.3 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN 30 3.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 31 3.4.1 BẢN VẼ CHI TIẾT CƠ KHÍ 31 3.4.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT 31 3.4.3 TÍNH TỐN HỆ THỐNG 34 3.5 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 36 3.6 HÌNH ẢNH THỰC TẾ 37 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 39 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 39 4.2 ƯU/KHUYẾT ĐIỂM 39 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 39 Tài liệu tham khảo 41 PHỤ LỤC 43 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1: Các thành phần Mặt Trời…………………………………………………………4 Hình 2: Cấu tạo tia Mặt Trời………………………………………………………5 Hình 3: Hiện tượng ngày dài ngắn theo mùa………………………………………………….6 Hình 4: Hiện tượng ngày dài ngắn theo vĩ độ…………………………………………………6 Hình 5: Bước sóng tia Mặt Trời……………………………………………………….7 Hình 6: Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí quyển….… ……….…8 Hình 7: Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam……………………………….…………………….11 Hình 8: Quá trình chuyển đổi lượng…………………………………………………… 13 Hình 9: Cấu tạo Pin lượng mặt trời (solar cell)………………………….……………15 Hình 10: Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời……………….……………………15 Hinh 11: Các loại pin lượng mặt trời……………………………………………………16 Hình 12: Sơ đồ tương đương…………………………………………………………………….17 Hinh 13: Hệ nguồn pin lượng Mặt Trời độc lập……………………………………….18 Hình 14: Module thời gian thực DS1307………………………………………………………21 Hình 15: Màn hình LCD 20x4………………………………………………………………… 22 Hình 16: Board Arduino Mega 2560……………………………………………………….… 23 Hinh 17: Giao thức I2C………………………………………………………………………… 25 Hình 18: Module TB6560……………………………………………………………………… 25 Hình 19: Động bước………………………………….……………………………………….26 Hình 20: Sơ đồ khối điều khiển PID …………………………………………………27 Hình 21: Sơ đồ khối tồn hệ thống ……………………………………………………………29 Hình 22: Sơ đồ khối chế độ REAL TIME………………………………………………………30 Hình 23: Sơ đồ khối chế độ AUTO…………………………………………………………… 30 Hình 24: Sơ đồ mạch điện……………………………………………………………………….30 Hình 25: Bản vẽ chi tiết khí hệ thống……………………………………………………….31 Hình 26: Pin mặt trời…………………………………………………………………………… 31 Hình 27: Bộ điều khiển sạc(charge controller)……………………………………………….32 Hình 28: Máy kích điện (Power inverter) 500W…………………………….……………… 33 Hình 29: Bình ắc quy 12VDC………………………………………………………………… 33 Hình 30: Các góc quay…………………………………………………………….…………….33 Hình 31: Biểu đồ thực nghiệm………………………………………………………… …….33 Hình 32: Lưu đồ giải thuật………………………………………………………………………35 Hình 33: Hình ảnh thực tế………………………………………………… ………………… 36 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating Curent Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều GND Graduated Neutral Density Dòng điện nối đất LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng PID Proportional Integral Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ MPPT Maximum Power Point Tracker Dò tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu BOS Balance Of System Cân hệ thống I2C Inter-Intergrated Circuit Giao tiếp nối tiếp dây IC Integrated Circuit Mạch tích hợp DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1: Thống kê liệu lượng xạ Mặt Trời Việt Nam…………………………… …11 Bảng 2: Lượng xạ trung bình tháng số địa phương nước……… …12 Bảng 3: Chức chân LCD 20x4……………………………………………………….22 Bảng 4: Công suất thiết bị gia đình……………………………………………… 34 Bảng 5: Bảng thơng số thực nghiệm ………………………………………………………… 36 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Khi kinh tế giới tăng trưởng vững vàng, nhiều câu hỏi đưa liệu tiếp tục xu hướng tương lai hay khơng, đảm bảo cung cấp đủ lượng bảo vệ môi trường Tổ chức IEA bắt đầu chương trình Triển Vọng Năng Lượng giới năm 2006 với hiệu “Thế giới đối mặt với đe doạ gấp đôi liên quan đến lượng: khơng có đủ đảm bảo nguồn cung lượng mức giá hợp lý hai tác động đến môi trường tiêu thụ nhiều lượng” Nhu cầu lượng người thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày tăng, nguồn lượng phổ biến thủy điện, nhiệt điện ngày cạn kiệt ảnh hưởng việc sản xuất điện nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường làm thay đổi môi trường sinh thái Trong nhu cầu điện ngày tăng cao, người cần phải tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế kỹ thuật Mặt trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng ưu điểm biết đến sẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần vô tận có khắp nơi dù hay nhiều Việc thu giữ lượng mặt trời gần khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sử dụng lượng mặt trời khơng thải khí thải nước độc hại khơng gây vấn đề nhiễm mơi trường hiệu ứng nhà kính Do đó, lượng mặt trời xem giải pháp để thay với ưu điểm nguồn lượng sạch, lâu dài, tái tạo thân thiện với môi trường Các ứng dụng lượng mặt trời phổ biến bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu: thứ lượng mặt trời biến đổi trực tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn hay gọi pin mặt trời, thứ hai sử dụng lượng mặt trời dạng nhiệt Đất nước Việt Nam có tiềm lớn lượng mặt trời, có vị trí lãnh thổ trải dài từ vĩ độ Bắc đến 23 vĩ độ Bắc, nằm khu vực có cường độ xạ tương đối cao Do việc sử dụng lượng mặt trời Việt Nam khuyến khích áp dụng lĩnh vực đời sống sản xuất Hệ thống pin mặt trời sử dụng nhằm mục đích sản xuất điện trực tiếp từ lượng mặt trời thông qua pin mặt trời tế bào quang điện bán dẫn Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ lắp đâu có ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời lớn tức cường độ ánh sáng chiếu tới pin lớn có nhiều lượng mặt trời biến đổi thành điện tức hiệu suất pin mặt trời tăng lên Hệ thống pin mặt trời thường lắp cố định vào đế, pin mặt trời đạt hiệu suất lớn ánh sáng mặt trời chiếu vng góc với mặt phẳng pin, vùng khác hiệu suất pin mặt trời giảm Để nâng cao hiệu suất pin mặt trời, giải pháp đưa xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động pin mặt trời ln hướng vng góc với ánh sáng mặt trời Với vấn đề nêu lý tác giả tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời dùng Arduino" Hệ thống có chức điều hướng giữ cho pin ln trạng thái vng góc với hướng chiếu ánh sáng mặt trời 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nâng cao hiệu suất chuyển đổi pin thông qua việc điều khiển vị trí pin ln ln vng góc với tia sáng mặt trời chiếu tới - Thiết kế mơ hình điều hướng xoay theo trục - Xây dựng thuật toán điều hướng pin mặt trời theo thời gian thực điều khiển vị trí dùng điều khiển PID 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Với mục tiêu thiết kế chế tạo hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời điều khiện thời gian kinh phí nên đề tài giới hạn phạm vi sau: - Mơ hình hóa hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời dùng cho học tập nghiên cứu - Động dẫn động hệ thống khí động bước - Tìm hiểu phương pháp điều hướng pin, từ xây dựng hệ thống điều khiển - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống ứng dụng thời gian thực theo hướng ánh sáng điều khiển PID - Thiết kế mơ hình điều hướng vận hành thực tế 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời dùng Arduino", tác giả tiến hành phương pháp nghiên cứu sau: Kế thừa kết nghiên cứu: - Kế thừa phát triển công trình nghiên cứu trước sở lý thuyết phần mềm lập trình mơ - Kế thừa mơ hình sản xuất có thực tiễn Nghiên cứu lý thuyết : - Nghiên cứu nguyên lý hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời - Nghiên cứu module thời gian thực - Nghiên cứu điều khiển PID - Xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Chạy nghiệm mơ hình nhiều lần, kiểm tra phát lỗi chương trình lỗi phần cứng hệ thống từ hồn thiện hệ thống CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mặt trời nhóm I, nhóm có nhiều ngun tố nặng Sự hình thành mặt trời bắt nguồn từ chấn động từ hay nhiều siêu tân binh bên cạnh Có thể xem mặt trời cầu khí khổng lồ cách Trái Đất 1,495.108km Từ Trái Đất nhìn Mặt Trời góc mở 31’59 Từ tính bán kính Mặt Trời R=1,4.106km, tức 109 lần đường kính Trái Đất thể tích Mặt Trời lớn thể tích Trái Đất khoảng 130.1014 lần Từ định luật vạn vật hấp dẫn ta tính khối lượng Mặt Trời 1,989.1027 tấn, lớn khối lượng Trái Đất 33.1014 lần Mật độ trung bình mặt trời 1,4g/cm3, lớn khối lượng riêng nước khoảng 50% Tuy nhiên mật độ lớp vỏ khác Mặt Trời khác nhau, phần lõi bị nén với áp suất cao nên mật độ lên đến 160g/cm3 xa phía ngồi mật độ giảm giảm nhanh Một cách khái quát chia mặt trời thành hai phần phần phía phần khí bên ngồi: + Phần khí bên ngồi lại chia thành ba miền khác Quang cầu, Sắc cầu Nhật miện + Phần bên chia thành ba lớp tầng đối lưu, tầng trung gian lỗi Mặt Trời Hình 2.1: Các thành phần Mặt Trời Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời cầu lửa ổn định Thực khối khí khổng lồ, bên ln ln có vận động mạnh mẽ khơng ngừng, phản ứng nhiệt hạch vô lớn, ẩn đám đen, biến đổi quầng sáng bùng phát dội khu vực xung quanh đám đen chứng vận động khơng ngừng lòng Mặt Trời Ngồi ra, kính thiên văn quan sát cấu trúc hạt, vật thể hình kim, tượng khói, phát xung sáng luôn thay đổi dội Về mặt vật chất Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H2), Heli(He) chiếm 19,8%, nguyên tố khác chiếm 1,8 % Năng lượng mặt trời xạ khổng lồ, giây phát 3,865.1026J tương đương với lượng đốt cháy hết 1,32.1016 than đá tiêu chuẩn Tuy bề mặt Trái Đất nhận lượng nhỏ khoảng 17,57.1016J tương đương 6.106 than đá Hình 2.2: Cấu tạo tia Mặt Trời Mặt trời phát nguồn lượng khổng lồ phần lượng truyền đến trái đất dạng xạ Trái đất mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, xạ mặt trời yếu tố định cho tồn sống trái đất Mối quan hệ mật thiết Trái Đất Mặt Trời: - Vận tốc chuyển động trái đất: tùy thuộc vào khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời + Gần Mặt Trời: chuyển động nhanh (302km/s) + Xa Mặt Trời: chuyển động chậm (292km/s) - Hiện tượng ngày đêm dài ngắn: Tài liệu tham khảo [1] Kim Anh Tuấn (2014), Giáo trình linh kiện điện tử, Trường đại học Trà Vinh, lưu hành nội [2] Đặng Hữu Phúc (2014), Giáo trình kỹ thuật lập trình, Trường đại học Trà Vinh, lưu hành nội [3] Đặng Hữu Phúc (2014), Giáo trình sở điều khiển tự động, Trường đại học Trà Vinh, lưu hành nội [4] TS Hoàng Dương Hùng(2014), Giáo trình lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng, trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng [5] Lý Ngọc Thắng(2012), nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị dùng lượng mặt trời, viện lượng công thương [6] Agarwal, A K (1992) Two axis tracking system for solar concentrators Renewable Energy, (2): 181-182 [7] Brown, D G and Stone, K W (1993) High accuracy/low cost tracking system for solar concentrators using a neural network In Proceedings of the 28th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Atlanta, GA, USA, August 8-13 [8] Khalifa A N and Al-Mutawalli S S (1998) Effect of two-axis sun tracking on the performance of compound parabolic concentrators.Energy Conversion Management (39): 1073-1079 [9] Abdallah, S (2004) The effect of using sun tracking systems on the voltagecurrent characteristics and power generation of flat plate photovoltaics.Energy Conversion Management (45): 1671-1679 [10] Al-Naima, F M and Yaghobian, N A (1990).Design and construction of a solar tracking system Solar Wind Technology (7): 611-617 [11] Abdallah, S and Nijmeh, S (2004) Two axes sun tracking system with PLC control Energy Conversion Management (45): 1931-1939 [12]Shrishti R (2013) A Study on Automatic Dual Axis Solar Tracker system Using 555 Timer International Journal of Research and Application; (4): 7785 41 [13] http://arduino.vn/bai-viet/542-gioi-thieu-arduino-mega2560 [14] http://www.vusta.vn/vi/news/Nghien-cuu-khoa-hoc/Pin-mat-troi-tu-dieu-chinhhuong-theo-anh-sang-61268.html [15]_http://www.ievn.com.vn/UserFile/Files/News/2013/thangtt2/Bai%20bao%20t ong%20ket%20De%20tai%20I203_O%20Thang%20TT2.pdf [16] https://codientu.org/threads/6388/ 42 ... thiết kế đề tài "Thiết kế hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời dùng Arduino" Hệ thống có chức điều hướng giữ cho pin ln trạng thái vng góc với hướng chiếu ánh sáng mặt trời 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN... suất pin mặt trời tăng lên Hệ thống pin mặt trời thường lắp cố định vào đế, pin mặt trời đạt hiệu suất lớn ánh sáng mặt trời chiếu vng góc với mặt phẳng pin, vùng khác hiệu suất pin mặt trời. .. Mơ hình hóa hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời dùng cho học tập nghiên cứu - Động dẫn động hệ thống khí động bước - Tìm hiểu phương pháp điều hướng pin, từ xây dựng hệ thống điều khiển -