ĐỀ TÀI Thiết kế chế tạo thiết bị định hướng cho tấm thu năng lượng mặt trời, năng lượng gió Chuyên đề Thiết kế hệ thống điều khiển định hướng cho tuabin gió Chuyên đề Thiết kế hệ thống điều khiển định hướng cho tuabin gió
- - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế chế tạo thiết bị định hướng cho thu lượng mặt trời, lượng gió Chuyên đề : Thiết kế hệ thống điều khiển định hướng cho tuabin gió Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Mã sinh viên : Chuyên ngành : Cơ Điện Tử Lớp : Khóa : 2018 - 2023 Hà Nội 12/2022 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Chữ ký giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Chữ ký giảng viên phản biện LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý thầy Trường đại học Điện Lực nói chung, thầy khoa Cơ khí Động lực nói riêng Cảm ơn thầy tận tình giảng dạy cho chúng em suốt năm học vừa qua, thầy cô trang bị cho chúng em nhiều kiến thức lĩnh vực điện tử, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Và cuối chúng em xin cảm ơn thầy ……… giúp đỡ hướng dẫn chúng em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cịn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, cách quản lý thời gian,… Trên kết trình năm học tập chúng em kinh nghiệm thực tế thân chưa nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, mong thầy đóng góp dạy Sau chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu hồn thành báo cáo Đồ án tốt nghiệp Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2022 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong trình phát triển lồi người, việc sử dụng lượng đánh dấu cột mốc quan trọng Kể từ người biết tới việc sử dụng lượng mở kỉ nguyên tương lai Trong cấu lượng nay, chiếm phần chủ yếu lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Kế đến lượng nước thủy điện, lượng hạt nhân, lượng sinh khối (bio, gas… ) Năng lượng mặt trời, lượng gió chiếm phần khiêm tốn Ngày nay, lượng tàn dư sinh học, lượng không tái sinh, ngày cạn kiệt, giá dầu mỏ ngày tăng, ảnh hưởng xấu đến phát triển kinh tế xã hội mơi trường sống Tìm kiếm nguồn lượng thay nhiệm vụ cấp bách lượng thay phải sạch, thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, khơng cạn kiệt dễ sử dụng Năng lượng tái tạo, có lượng mặt trời lượng gió giới quan tâm nghiên cứu sử dụng Trên giới, nước phát triển có nhiều ứng dụng đời sống công nghiệp để thu nguồn lượng Với ưu điểm sẵn có, dồi dào, nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường, lượng mặt trời lượng gió giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Từ lâu, loài người mơ ước sử dụng lượng mặt trời lượng gió, nguồn lượng vô tận, đáp ứng hầu hết tiêu chí nêu Nhiều cơng trình nghiên cứu thực hiện, lượng mặt trời lượng gió khơng lượng tương lai mà lượng Hiện loại lượng khai thác đưa vào ứng dụng sống công nghiệp nhiều dạng hình thức khác Nhưng đa số hệ thống gắn cố định, hiệu cịn chưa cao Nếu có trang bị điều hướng tự động giá thành cao, khó tiếp cận Lý chọn đề tài Đối với lượng mặt trời thông thường cơng ty, doanh nghiệp, hộ gia đình lắp đặt cố định Nên chưa tối ưu hiệu thu lượng Cịn tuabin gió có loại đắt tiền trang bị hệ thống định hướng nên nhiều hộ dân chưa tiếp cận Vì từ vấn đề thực tiễn kiến thức học, giúp đỡ bảo thầy Chúng em chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống điều hướng cho pin lượng mặt trời, kết hợp lượng gió” làm đề tài đồ án tốt nghiệp Nhằm tối ưu lượng thu về, giúp giảm diện tích lắp đặt giảm giá thành sản phẩm để nhiều hộ dân tiếp cận Mục đích nghiên cứu Vận dụng kiến thức học tham khảo mơ hình nghiên cứu trước để nghiên cứu – thiết kế hệ thống điều hướng cho pin lượng mặt trời, kết hợp lượng gió: - Nâng cao hiệu suất pin thông qua việc điều khiển vị trí pin ln - vng góc với tia sáng mặt trời chiếu tới Nâng cao hiệu suất tuabin gió thơng qua hệ thống điều hướng giúp cho - tuabin ln đón chiều gió Kết hợp hai hệ thống điều hướng làm việc song song giúp tăng hiệu thu lượng - Tối ưu giá thành sản phẩm đảm bảo hiệu xuất hệ thống, giúp cho nhiều người tiếp cận sử dụng Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp điều hướng, tham khảo mơ hình, đề tài có sẵn - thị trường để phát triển đồ án Làm quen với linh kiện – điện tử thực tế Lựa chọn lắp đặt hệ thống điều khiển Lập trình điều khiển với Arduino Kết đạt - Mơ hình tự động điều hướng pin lượng mặt trời theo hướng vng - góc với mặt trời Tuabin gió tự động quay sang hướng gió Nắm bắt nhiều nguyên lý liên quan đến pin lượng mặt trời - tuabin gió Hiểu thêm mạch điện tử số linh kiện điện – điện tử Nội dung đề tài: • Chương 1: Tổng quan hệ thống điều hướng pin lượng mặt trời tuabin gió • Chương 2: Đối tượng phương pháp nghiên cứu • Chương 3: Lựa chọn thiết bị cảu hệ thống điều khiển • Chương 4: Các thành phần điều khiển • Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển Khi nhắc tới việc lập trình dòng mạch Arduino, Arduino UNO tên đề cập nhiều Hiện hệ thứ (R3) dòng mạch đưa thị trường Nếu lần bạn tìm hiểu điện tử lập trình Arduino UNO R3 mạch tốt để bạn bắt đầu Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Hình 4.4: Sơ đồ chân Arduino UNO R3 Nguyên lý hoạt động Arduino Uno R3 sử dụng cách gắn vào máy tính thơng qua cáp USB Sau lắp đặt xong, sử dụng pin chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit Khi đấu nối thành công, mạch kích hoạt bắt đầu Các thơng số kỹ thuật Arduino UNO R3 Hình 4.5: Các thông số kỹ thuật Atmega328P Arduno UNO Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: • 32KB nhớ Flash: Những đoạn lệnh lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader cần 20KB • 2KB cho SRAM Giá trị biến bạn khai báo lập trình lưu Khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Khi điện, liệu SRAM bị • 1KB cho EEPROM : giống ổ cứng mini – nơi đọc ghi liệu vào mà lo bị cúp điện giống liệu SRAM Các chân điện Arduino UNO • GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với • 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA • 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA • Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngồi cho Arduino UNO, nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND • IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn • RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Lưu ý: Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do phải cẩn thận, kiểm tra cực âm – dương nguồn trước cấp cho Arduino UNO Khơng làm chập mạch nguồn vào Arduino UNO Chúng ta nên dùng nguồn từ cổng USB Các chân 3.3V 5V Arduino chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị khác, chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí làm hỏng board Điều khơng nhà sản xuất khuyến khích Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp 6V làm hỏng board Cấp điện áp 13V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển ATmega328 Cường độ dòng điện vào/ra tất chân Digital Analog Arduino UNO vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển Cấp điệp áp 5.5V vào chân Digital Analog Arduino UNO làm hỏng vi điều khiển Cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, bạn phải mắc điện trở hạn dịng Các cổng vào/ra Hình 4.6: Các cổng vào Arduino UNO R3 Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: • chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, khơng nên sử dụng chân khơng cần thiết • Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 8-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác • Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác • LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức cấp điện áp 2.5V vào chân dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 4.2 Tổng Quan Encoder 4.2.1 Giới thiệu Encoder Encoder hay cịn gọi mã hóa, cảm biến chuyển động học tạo tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng chuyển động Chúng có khả làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số xung Bộ mã hóa Encoder phận vô quan trọng cấu tạo máy CNC nói riêng ngành gia cơng khí xác nói chung Encoder giúp điều khiển xác định góc quay dao bàn gá, hiển thị máy tính đường thẳng góc độ Ngồi chúng cịn dùng cho động để giúp người dùng đọc tốc độ vị trí động Nhờ xung vng có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động 4.2.2 Cấu tạo Encoder Một encoder bao gồm: • đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động • đèn Led dùng làm nguồn phát sáng • mắt thu quang điện xếp thẳng hàng • Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu 4.2.3 Nguyên lý hoạt động Khi Encoder chuyển động, chuyển đổi xử lý chuyển động chuyển thành tín hiệu điện Các tín hiệu điện truyền đến thiết bị điều khiển PLC xử lý để biểu thị giá trị cần đo chương trình riêng biệt Đối với tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn LED có chiếu qua lỗ hay không Hơn nữa, số xung đếm tăng lên tính số lần mà sánh sáng bị cắt 4.2.4 Phân loại encoder a) Encoder tuyệt đối : Encoder tuyệt đối có tên tiếng Anh Adsolute encoder Theo tên gọi Encoder cho ta nhận tín hiệu xác vị trí chúng mà người sử dụng khơng cần thêm bước xử lý Cấu tạo Encoder tuyệt đối bao gồm: • Bộ phát ánh sáng (LED) • Bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát (photosensor) • Đĩa mã hóa có chứa dải băng mang tín hiệu Các đặc điểm dịng encoder bao gồm: • Sử dụng đĩa theo mã nhị phân mã Gray • Đĩa mã hóa Encoder chế tạo từ vật liệu suốt, người ta chia mặt đĩa thành góc đường trịn đồng tâm • Ưu điểm: giữ giá trị tuyệt đối Encoder nguồn • Nhược điểm: giá thành cao chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu khó b) Encoder tương đối : Encoder tương đối có tên gọi tiếng Anh Incremental encoder Loại thiết bị phát tín hiệu tăng dần theo chu kỳ Với đặc điểm sau: • Đĩa mã hóa bao gồm dãy băng tạo xung, thường chia thành nhiều lỗ cách • Chất liệu suốt để giúp ánh sáng chiếu qua • Là Encoder có 1,2 tối đa vịng lỗ, thường có thêm lỗ định vị • Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả dễ dàng • Nhược điểm: dễ bị sai lệch xung trả Sẽ tích lũy sai số hoạt động lâu dài CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5.1 Tính toán xác định số xung chiều quay encoder 5.1.1 Xác định chiều quay encoder Để xác định chiều quay Encoder, Ta dựa vào xung(pha) A B theo hình vẽ sau: Người ta quy định, xung A xuất tín hiệu trước xung B quay theo chiều kim đồng hồ CW(Clockwise) Tức là, ta quay trục Encoder theo chiều kim đồng hồ xung A lệch pha với xung B góc 90 độ Ngược lại, ta quay trục Encoder ngược chiều kim đồng hồ CCW( Couter Clockwise), xung B xuất tín hiệu trước xung A Lúc này, xung B lệch pha xung A góc 90 độ Dựa vào cách xác định xung xuất tín hiệu trước, ta xác định chiều quay Encoder 5.1.2 Xác định góc quay encoder Với thiết bị encoder sử dụng, thực tế ta đếm 64 xung vòng quay Ta cần đổi đơn vị thành số đo góc để dùng cho việc điều khiển Góc tính theo cơng thức : 5.2 Sơ đồ thuật toán 5.3 Code điều khiển #include Servo tuabin; int interrupt0 = 0; int phaA=2; int phaB = 3; int dem = 0; int goc, anpha, goctuabin, gocservo; int goclech = 5; void setup() { tuabin.attach(11); tuabin.write(0); attachInterrupt ( 0, demxung, RISING); pinMode (phaA, INPUT_PULLUP); pinMode (phaB, INPUT_PULLUP); Serial.begin (9600); } void loop() { delay(3000); cd(); dieukhientuabin(); } // void demxung(){ if(digitalRead(phaB)== LOW){ dem++; } if(digitalRead(phaB)== HIGH ){ dem ; } } void cd(){ dem = dem %20; if(goc >= 0){ goc = map(dem,0,19,0,180); if(goc < 0){ goc = map(dem,-19,-1,0,170); } } } void dieukhientuabin(){ gocservo = tuabin.read(); anpha = goc - gocservo; if ( -1*goclech > anpha || goclech < anpha){ if( goc > gocservo){ gocservo += 5; tuabin.write(gocservo); delay(5); } else if(goc < gocservo){ gocservo -= 5; tuabin.write(gocservo); delay(5); } else if(goc = gocservo){ //nothing } } } KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đồ án tốt nghiệp hội để giúp em áp dụng kiến thức học sâu vào thực tiển sản xuất Đây giai đoạn quan trọng để giúp em hoàn thiện kiến thức, kỹ thân để chuẩn bị hành trang bước vào đời Tuy nhiên q trình làm đồ án thân cịn có nhiều hạn chế khiến thức, thiết bị, thời gian… nên việc thực đồ án không tránh khỏi sai sót Em mong nhận lời góp ý chân thành từ quý thầy, cô bạn để em hồn thiện đề tài nhóm Kiến nghị Để bắt kịp trình phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay, em mong muốn tiếp tục phát triển đề tài để sản phẩm ngày hoàn thiện tối ưu Hướng phát triển Sau thời gian nghiên cứu thực đề tài em tương đối đạt mục tiêu đề Tuy cố gắng để thực đề tài cách tối ưu đạt kết tốt nhất, đề tài số thiếu sót, nên với đề tài cịn có nhiều điều cần cải tiến phát triển sau để đề tài ngày tối ưu đại Do em đề xuất số hướng phát triển cho đề tài sau: • • • Xây dựng điều khiển tay, điều khiển từ xa Xây dựng điều khiển theo thời gian thực Thiết kế mạch công suất tối ưu cho động ... dụng lượng mặt trời lượng gió, nguồn lượng vô tận, đáp ứng hầu hết tiêu chí nêu Nhiều cơng trình nghiên cứu thực hiện, lượng mặt trời lượng gió khơng lượng tương lai mà lượng Hiện loại lượng. .. tuabin gió Là đất nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, có mùa gió lớn Để tận dụng nguồn lượng hệ thống tuabin gió phải có chức năng: - Đo hướng tốc độ gió Điều hướng giúp cho tuabin gió thu nhiều lượng. .. lắp đồi cao, có tốc độ gió ổn định Các tuabin gió tạo thành cánh đồng điện gió vơ ấn tượng Một số tỉnh thành Việt Nam nơi có nhiều dự án điện gió như: Bạc Liêu, Buôn Ma Thuột, Quảng Trị,… Các cánh