Đồ án Thiết Kế HT Cơ Điện Tử Đồ án Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD LỜI MỞ ĐẦU So với những nguồn năng lượng như thủy điện ,nhiệt điện nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, n.
Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: LỜI MỞ ĐẦU So với nguồn lượng thủy điện ,nhiệt điện nguồn lượng khai thác sử dụng lượng gió, lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời coi nguồn lượng rẻ, vô tận, nguồn lượng không gây hại cho môi trường thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lượng tốt tương lai Hệ thống quang điện sử dụng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm khơng cần ngun liệu, khơng gây nhiễm mơi trường, phải bảo dưỡng, khơng gây tiếng ồn… Hiện lượng mặt trời khai thác đưa vào ứng dụng sống công nghiệp nhiều dạng hình thức khác nhau.Một hệ pin mặt trời sử dụng lượng mặt trời bao gồm loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập hệ pin mặt trời làm việc với lưới Tùy theo điều kiện nhu cầu sử dụng vị trí địa lý lắp đặt mà hệ ứng dụng Đồ án mơn học Thiết kế điện tử nhóm em tập trung vào giải thuật điều hướng kép pin mặt trời xoay theo xạ ánh nắng để lượng thu nhận lớn Trong trình thực đồ án, em củng cố kiến thức học tiếp thu thêm số kiến thức kinh nghiệm pin mặt trời Trên tất em học rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt đặc biệt phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình làm đồ án thực có ích cho em nhiều mặt SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN - ĐHPVĐ, Ngày….tháng…năm 2022 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ĐIỂM - ĐHPVĐ, Ngày….tháng…năm 2022 Giáo viên chấm điểm SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: CHƯƠNG I TỔNG QUAN ,PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN ,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1Lý chọn đề tài Đối với loài người, lượng mặt trời nguồn lượng vô vô tận quý báu Chúng ta biết tận dụng nguồn lượng tái tạo dựa pin mặt trời để tạo nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân (hệ thống nước nóng, phương tiện lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện dân dụng…) Hiệu suất pin quang điện đạt tối đa 17,6% so với lượng nhiệt mà nhận từ mặt trời Tuy nhiên công việc nâng cao hiệu suất ln diễn mạnh mẽ Do giá thành đắt đỏ hiệu suất không cao nên pin quang điện chưa quan tâm nhiều nước phát triển Vì vậy, vấn đề tạo thiết bị nhằm đạt điểm công suất tối ưu pin việc cần thiết Trước đây, pin hiệu suất thấp nhà sản xuất phải cần số lượng lớn tiêu tốn chi phí vật tư mà hiệu mang lại khơng đáng kể Vì vậy, pin mặt trời trước bán với giá thành đắt đỏ không giải pháp kinh tế người tiêu dùng Ngày với công nghệ đại hơn, pin hiệu suất cao sản xuất, với chi phí cao, việc đầu tư nhiều pin sản xuất điện phục vụ cho nhu cầu sống khó khăn Cần đưa giải pháp tiết kiệm chi phí đầu tư pin lượng mặt trời khả thi Ứng dụng nguyên lý điện tử bản, công nghệ vi điều khiển đáp ứng thực nâng cao hiệu suất thu lượng pin lượng mặt trời Xuất phát từ ý tưởng đó, nhóm chúng em nghiên cứu thực đề tài : “TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG KÉP PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO BỨC XẠ” nhằm phát triển hệ thống nguồn lượng sạch, tiết kiệm chi phí nâng cao chất lượng đầu tư hệ thống điện lượng mặt trời 1.2Phân bố xạ mặt trời Việt Nam SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: -Phân bố xạ mặt trời Việt Nam 80 Bắc 230 Bắc Trải dài từ vĩ độ 30' đến 22' SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: -Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La,Lào Cai) vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)… Năng lượng mặt trời Việt Nam có sẵn quanh năm, ổn định phân bố rộng rãi vùng miền khác đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình tỉnh miền Trung miền Nam khoảng 300 ngày/năm Hình Phân bố cường độ xạ Việt Nam TT Khu vực Cường độ BXMT Số nắng trung bình (kWh/m2/ngày) (giờ/năm) Đông Bắc Bộ 3,3 - 4,1 1500 – 1800 Tây Bắc Bộ 4,1 – 4,9 1890 – 2102 Bắc Trung Bộ 4,6 – 5,2 1700 – 2000 SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Nam Trung Bộ – Tây Nguyên 4,9 – 5,7 2000 – 2600 Nam Bộ 4,3 – 4,9 2200 – 2500 Trung bình nước 4,6 2000 Giá trị trung bình cường độ xạ xạ ngày năm số nắng số khu vực khác Việt Nam 1.3Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống vấn đề quan tâm bao gồm: -Điện áp pin mặt trời thay đổi theo điều kiện chiếu sáng mặt trời -Nghiên cứu cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT cách tự động thay đổi hướng pin mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu hiệu suất cao +Nội dung nghiên cứu trình bày bao gồm phần sau: -Nghiên cứu phương pháp nhận biết vị trí mặt trời, dùng quang trở nhằm đơn giản hóa chi phí thiết kế hệ thống -Thiết kế mạch điều khiển pin lượng theo vị trí mặt trời -Nghiên cứu thiết kế hệ thống định hướng pin lượng theo vị trí mặt trời -Khảo nghiệm, lấy số liệu so sánh hiệu suất hai trường hợp hệ thống đặt cố định sử dụng thiết bị tự động định hướng -Thiết kế mạch điều khiển, mạch giảm áp ,mạch cảm biến ánh sáng -Viết lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển sử dụng arduino cấp xung cho động serrvo -Đánh giá hoạt động mơ hình Phạm vi áp dụng SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Sử dụng pin lượng loại nhỏ 1W làm mơ hình cho hệ thống áp dụng ngun lý điện tử ,áp dụng thiết kế mạch điều khiển động để xoay pin theo xạ 1.4Khái quát pin mặt trời -Pin mặt trời (Solar panel) gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - phần tử bán dẫn có chứa bề mặt số lượng lớn cảm biến ánh sáng diode quang, thực biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện điện trở pin Mặt trời thay đổi phụ thuộc lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 72 tế bào quang điện pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả hoạt động ánh sáng mặt trời ánh sáng nhân tạo -Hiện vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia tành loại: mono (đơn tinh thể), poly (đa tinh thể), thin-film (màng mỏng) -Để tạo tinh thể Silic có khả dẫn điện tốt, người ta phải thêm lượng nhỏ nguyên tử nhóm III hay nhóm V bảng tuần hồn hóa học vào nguyên tử Silic nhóm IV Khi Silic kết hợp với ngun tử nhóm III (nhơm hay gali) tạo thành bán dẫn loại p (positive, mang lượng dương), Silic kết hợp với nguyên tử nhóm V (photpho hay asen) tạo bán dẫn loại n (negative, mang lượng âm) Quá trình hình thành pin mặt trời SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: +Nguyên lý hoạt động pin mặt trời -Về cấu tạo pin mặt trời bao gồm lớp tiếp xúc bán dẫn p -n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện gọi pin mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời, lượng từ ánh sáng (các photon) tạo hạt mang điện tự do, tách điện trường Điện áp tạo đo điểm tiếp xúc bên ngoài, ta đo giá trị dịng quang điện có tải kết nối vào Dịng quang điện tạo pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ xạ Pin quang điện (pin mặt trời) tiêu biểu cho thiết bị chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện Cường độ nắng, nhiệt độ tế bào quang điện điện áp vận hành ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất dòng điện ngõ pin mặt trời Sơ đồ tương đương pin mặt trời -Khi nhận ánh sáng, pin mặt Trời phát dịng quang điện Ip Vì xem Pin măt trời tương đương nguồn dòng -Lớp bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương diode -Khi phân cực ngược, điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có dịng điện gọi dịng rị Do ta xem có điện trở Rp giá trị lớn SVTH: L ớp: Trang Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: -Khi dòng quang điện chạy mạch, qua lớp bán dẫn p, n, điện cực,… Vì ta xem điện trở Rs nối tiếp với mạch 1.5 Phương án hệ thống điều hướng pin mặt trời 1.5.1Nguyên tắc điều hướng -Tấm pin lượng mặt trời đạt hiệu suất cao phương tia sáng mặt trời vng góc với mặt phẳng Mơ tả góc tới tia ánh sáng mặt trời đối với mặt phẳng pin Nguyên tắc xoay mơ hình ln ln hướng pin vào mặt trời cho ánh sáng ln chiếu góc 90 độ vào mặt phẳng pin, ngồi kết hợp với điều khiển MPPT để bám điểm MPP Nguyên tắc sở để thiết kế kiểu xoay hệ thống pin mặt trời 1.5.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời Trên giới có hai loại hệ thống lượng mặt trời định hướng, hệ thống định hướng theo trục đơn hệ thống định hướng theo trục kép Hệ thống điều hướng theo trục đơn điều hướng pin theo vị trí Mặt Trời mọc từ Đông sang Tây trục đặt theo hướng Bắc Nam Hệ thống điều hướng theo trục kép điều hướng pin theo hướng Đơng sang phía Tây Bắc đến phía Nam SVTH: L ớp: Trang 10 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Mơ hình pin mặt trời thực nghiệm 3.2Thực nghiệm với điều kiện ban ngày Ta thực nghiệm với tải định mức pin Ta có Pdm =1w I dm =200mA =0, A Pdm Vậy tải định mức pin : Rdm =I SVTH: dm = =25W 0.2 L ớp: Trang 40 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Trong lúc thực nghiệm sau 30 phút lấy số liệu hiển thị hình vơn kế đèn led lần, đồng thời tính giá trị công suất pin theo công thức sau: U2 P= Rdm Khi thực nghiệm mơ hình chế độ tự động điều hướng pin mặt trời theo hướng ánh sáng mặt trời, ta không cần quan tâm đến vị trí hướng mặt phẳng pin Khi thực nghiệm với pin đặt cố định góc nghiêng ban đầu mặt phẳng pin hướng phía,mặt phẳng đón ánh sáng mặt trời pin quay hướng Nam Ta tiến hành thực nghiệm,vào lúc 14h30 ngày 26 tháng 11 năm 2022,Trời lúc khí hậu mát mẻ ,trời nắng nhẹ.Xoay hệ thống cho tâm pin nghiên hướng nam ,lúc điện áp hiển thị 2,5V U 2,52 =0, 25W Suy công suất tâm pin lúc đạt : P = = Rdm 25 SVTH: L ớp: Trang 41 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Điện áp pin cố định +Sau ta bật chế độ tự động điều hướng điện áp pin đo lúc 4,6V Suy công suất tâm pin lúc đạt : P = SVTH: L ớp: U 4,162 = =0, 69W Rdm 25 Trang 42 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Điện áp pin điều hướng Kết luận:Với kết thu được, thấy mơ hình với tự động điều hướng hai trục xoay pin lượng mặt trời có cơng suất cao với so với pin cố định đặt cố định SVTH: L ớp: Trang 43 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1Ưu, nhược điểm mô hình Trong q trình vận hành nhận thấy số ưu, nhược điểm mơ hình, để từ phát huy ưu điểm, hạn chế khác phục nhược điểm để mơ hình hoàn thiện, vận hành tốt Ưu điểm Nhược điểm Công suất pin tự động -Hệ thống vận hành chưa êm, gây điều hướng cao đặt cố định tiếng ồn Không cần tính tốn góc nghiêng mặt-Trong q trình vận hành cịn có dao phẳng pin so với mặt phẳng ngangđộng khung đỡ ban đầu -Thời gian phản hồi từ tín hiệu điều Vận tốc quay phù hợp khiển đến động chưa thực nhanh -Tiếu tốn lượng nhiều đặt pin cố định -Hệ thống điều khiển cịn nhiều thiếu sót rời rạc tập trung vào điều hướng -Khả chịu nhiệt độ cao thấp nên dễ gây tình trạng hỏng linh kiện, cần có biện pháp bảo vệ -Hiệu suất mạch điều khiển hạn chế Ưu nhược điểm hệ thống 4.2 Hướng phát triển đề tài -Do thời gian thực có hạn lượng kiến thức cá nhân định nên đề tài thực xong đáp ứng phần nhỏ hệ thống hồn chỉnh Vì vậy, để phong SVTH: L ớp: Trang 44 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: phú hơn, mang nhiều tính thực tế nữa, có khả ứng dụng cao em đề xuất đưa thêm vào yêu cầu sau: -Thiết kế truyền động để gia tăng sức mạnh động -Thêm vài chức khác tự điều chỉnh tốc độ, kết hợp với điều khiển sạc PMW, nạp MPPT -Sử dụng thêm thời gian thực để hỗ trợ cho hệ thống cảm biến -Nghiên cứu kết hợp với tự động chọn điểm làm việc cực đại pin mặt trời xử lý ảnh, thay đổi hình thức tải tiêu thụ tiến đến mơ hình điện mặt trời kết hợp nối lưới -Sử dụng thêm module kiểm sốt cơng suất có khả kết nối vạn vật IOT (Internet Of things) để giúp người kiểm sốt tình trạng hoạt động khơng có nhà -Hy vọng với hướng phát triển nêu với ý tưởng, góp ý khác q thầy giáo em khắc phục hạn chế, tồn nó, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao vào thực tế sống, phục vụ cho lợi ích tương lai Lời cảm ơn SVTH: L ớp: Trang 45 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu, đồ án mơn học điện tử em hoàn thành Bằng nỗ lực thân phối hợp cơng việc hợp lí, chặt chẽ báo cáo hoàn thành tiến độ đề bên cạnh hướng dẫn nhiệt tình tận tâm Thầy , em hoàn thành thời gian quy định đạt yêu cầu đề hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời xoay pin theo góc nghiên nhận lượng xạ mặt trời cao nhất, em thu kết sau: -Đã tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính làm việc pin lượng mặt trời thiết bị linh kiện điện tử -Mơ hình điều hướng pin mặt trời tự động xoay theo hướng ánh sáng mặt trời Trên tất kiến thức học sau thời gian nghiên cứu với giúp đỡ Thầy, đóng góp ý kiến bạn bè em hoàn thành đồ án giao.Mặc dù em cố gắng học hỏi tìm tịi sách với thời gian kiến thức có hạn nên khơng tránh khỏi nhiều sai xót, mong thầy quan tâm bảo thêm Em xin chân thành cảm ơn Thầy truyền đạt kiến thức ,kinh nghiệm ,sự giúp đỡ tận tình thầy để em hồn thành Đồ án mơn học ,từ em có thêm kinh nghiệm và kiến thức để thực đồ án tốt nghiệp tốt SVTH: L ớp: Trang 46 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN ,PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN ,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1Lý chọn đề tài 1.2Phân bố xạ mặt trời Việt Nam .4 1.3Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4Khái quát pin mặt trời 1.5 Phương án hệ thống điều hướng pin mặt trời .9 1.5.1Nguyên tắc điều hướng 1.5.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời 1.5.2.1Hệ thống điều hướng theo trục 10 1.5.2.2 Hệ thống điều hướng theo trục 11 1.5.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mơ hình 11 CHƯƠNG II TÍNH TỐN VỀ CƠ KHÍ,MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 14 2.1 Tổng quan linh kiện điện tử .15 2.2 Hệ thống trục đở ,trục xoay 27 2.2.1Thiết kế ban đầu .27 2.2.2 Cấu tạo khung đỡ hai trục 28 2.3 Thiết kế Mạch điều khiển 29 2.3.1 Mạch nguồn: 30 2.3.2 Mạch cảm biến ánh sáng: .30 2.3.3 Mạch điều khiển động 31 SVTH: L ớp: Trang 47 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: 2.4 Xây dựng thuật tốn chương trình điều khiển .32 2.4.1 Lưu đồ thuật toán 32 2.4.2 Code chương trình điều khiển arduino 33 2.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG III:THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 3.1Thực nghiệm mơ hình 39 CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .43 4.1Ưu, nhược điểm mơ hình 43 4.2 Hướng phát triển đề tài 44 Tài Liệu Tham Khảo [1] TS Hoàng Dương Hùng, “Năng lượng mặt trời,lý thuyết ứng dụng” [2] Lý Ngọc Thắng, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị dùng lượng mặt trời”, viện Công nghệ, Công Thương, 2011 [3] Nguyễn Chiến Thắng, “ Giải thuật điều hướng pin theo hướng mặt trời” Đại học SPKT TPH CM [4] Phi Nguyễn, “Ebook tự học arduino cho người bắt đầu.” SVTH: L ớp: Trang 48 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang 49 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang 50 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang 51 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang 52 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử SVTH: GVHD: L ớp: Trang 53 ... Trang 42 Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: Điện áp pin điều hướng Kết luận:Với kết thu được, thấy mơ hình với tự động điều hướng hai trục xoay pin lượng mặt trời có cơng suất cao với so với pin. .. TÍNH TỐN VỀ CƠ KHÍ,MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 14 2. 1 Tổng quan linh kiện điện tử .15 2. 2 Hệ thống trục đở ,trục xoay 27 2. 2.1Thiết kế ban đầu .27 2. 2 .2 Cấu tạo khung... án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử GVHD: 2. 4 Xây dựng thuật tốn chương trình điều khiển . 32 2.4.1 Lưu đồ thuật toán 32 2.4 .2 Code chương trình điều khiển arduino 33 2. 5 Kết luận