BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG Giáo viên hướng dẫn ThS Trần Anh Sơn S.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Anh Sơn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn 2020600446 Ngô Huy Vĩnh 2020601575 Đào Văn Trường 2020601002 Nguyễn Doãn Tấn 2020600393 Lớp: Cơ điện tử Khóa: K15 Hà Nội, 12 – 2022 LỜI NĨI ĐẦU Năng lượng tái tạo, có lượng mặt trời 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 giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Tại nước phát triển, có Việt Nam việc sử dụng lượng mặt trời quan tâm khích lệ, nhiên ứng dụng cịn hạn chế Với mong muốn đưa ứng dụng sử dụng lượng mặt trời Việt Nam phổ biến phát triển nữa, đem kiến thức học áp dụngvào thực tế sản xuất, nhóm sinh viên chúng em thực đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời” Sản phẩm làm kết hợp nghiên cứu lý thuyết triển khai thực tế sở làm việc theo nhóm Đề tài kết hợp khí- điện tử- tin học, thiết kế kết cấu khí, chọn động thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây dựng phần mềm điều khiển lập trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Giáo viên phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .3 DANH MỤC BẲNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Các yêu cầu 1.4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu: 1.5 Ý nghĩa thực tiễn .8 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối chức năng: 2.2 Cấu tạo hệ thống .9 2.2.1 Quang trở (LDR) 2.2.2 Vi điều khiển .11 2.2.3 Động Servo 17 2.2.4 Tấm pin lượng mặt trời: .20 2.3 Nguyên lí hoạt động điều hướng pin mặt trời 21 2.3.1 Nguyên lí hoạt động: 21 2.3.2 Nguyên tắc xoay: 22 2.3.3 Cách đọc giá trị quang trở: 22 2.3.4 So sánh tín hiệu quang trở 23 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 26 3.1 Thiết kế phần điều khiển 26 3.1.1 Sơ đồ nguyên lí 26 3.1.2 Các khối quan trọng mạch nguyên lí 26 3.1.3 Mô mạch nguyên lí Proteus 29 3.2 Thiết kế khí 29 3.2.1 Vật liệu nhựa in 3D 29 3.2.2 Quy trình thiết kế khí hệ thống .32 3.3 Xây dựng lưu đồ thuật tốn viết chương trình .34 3.3.1 Lưu đồ thuật toán 34 3.3.2 Viết chương trình 35 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống 38 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 danh mục hình ản Hình 1.1: Năng lượng mặt trời .5 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2: Quang trở (LDR) Hình 2.3: PIC 16F887A 12 Hình 2.4: Vi điều khiển 8051 13 Hình 2.5: Arduino UNO R3 14 Hình 2.6: Sơ đồ chân Arduino UNO R3 15 Hình 2.7: Động servo SG90 .17 Hình 2.8: Động servo MG90S 18 Hình 2.9: Động servo MG996R .19 Hình 2.10: Tấm pin lượng mặt trời 20 Hình 2.11: Ngun lí làm việc .21 Hình 2.12: Nguyên tắc xoay 22 Hình 2.13: Đọc giá trị quang trở 22 Hình 2.14: So sánh quang trở 23 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý .26 Hình 3.2: Khối điều khiển .26 Hình 3.3: Khối cảm biến .27 Hình 3.4: Khối động 27 Hình 3.5: Khối pin lượng mặt trời .28 Hình 3.6: Khối hiển thị 28 Hình 3.7: Mô phần mềm Proteus 8.13 29 Hình 3.8: Nhựa in 3D 30 Hình 3.9: Nhựa in 3D PLA 31 Hình 3.10: Thiết kế mơ hình 3D phần mềm Solidworks 2022 .32 Hình 3.11: Mơ hình sau in 3D 32 Hình 3.12:Mơ hình 3D hệ thống sau lắp ráp phần mềm Solidworks 33 Hình 3.13: Mơ hình hệ thống sau lắp ráp thực tế 33 Danh mục bẳng biể Bảng 2.1: Bảng thông số quang trở .10 Bảng 2.2: Bảng chân lượng Arduino 14 Bảng 2.3: Bảng thông số Arduino UNO R3 16 Bảng 2.4: Bảng thông số servo SG90 17 Bảng 2.5: Bảng động servo RC MG90S 18 Bảng 2.6: Bảng động servo MG996R 19 Bảng 2.7: Bảng thông số pin lượng mặt trời .20 Bảng 3.1: Bảng thông tin nhựa PLA 31 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Giới thiệu chung Khi nguồn lượng phổ biến thủy điện, nhiệt điện ngày cạn kiệt, việc sản xuất điện nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường thay đổi môi trường sinh thái Trong nhu cầu điện ngày tăng cao, người cần phải tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu Hình 1.1: Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời giải pháp tìm để thay thế, với ưu điểm nguồn lượng sạch, lâu dài, nguồn lượng 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 Lĩnh vực thứ hai sử dụng lượng mặt trời dạng nhiệt năng, ta dùng thiết bị thu xạ nhiệt mặt trời tích trữ dạng nhiệt Với ưu điểm nước có tiềm lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ Bắc đến 23 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 Các vùng khác, hiệu suất pin mặt trời giảm Giải pháp đưa để nâng cao hiệu suất pin mặt trời hệ thống điều khiển chuyển động pin mặt trời ln hướng vng góc với ánh sáng mặt trời 1.2 Mục tiêu đề tài: - Đề tài có mục tiêu chủ yếu nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả tự xoay theo hướng mặt trời - Các mục đích nghiên cứu cụ thể là: - Phân tích quỹ đạo di chuyển mặt trời nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn phương pháp dẫn động điều khiển thích hợp; - Tính tốn thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động hệ truyền động khí cho dàn lượng mặt trời tự xoay có cơng suất 50 W - Chế tạo hệ thống thực đầy đủ thiết bị điều khiển; - Vận hành thử nghiệm để lưu ý thiết kế hệ thống tương tự 1.3 Các yêu cầu - Hệ thống phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng, doanh nghiệp - Hệ thống đảm bảo độ xác - Giá thành hệ thống phù hợp kết cấu nhỏ gọn - Hoạt động ổn định điều kiện môi trường 1.4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu: A Phương pháp nghiên cứu: • Phương pháp lý thuyết - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động quang trở (LDR) thơng qua tài liệu internet - Tìm hiểu kĩ mạch điều khiển Arduino mô Proteus cách kết nối với máy tính - Lập trình điều khiển động servo - Tìm cơng thức tốn học để tính nhiệt độ, hiển thị thơng qua tín hiệu trả từ cảm biến - Mơ mạch ứng dụng Proteus • Phương pháp thực nghiệm: - Dựa tham khảo vào mơ hình tham khảo Internet để cải tiến thiết kế mục đích sử dụng B Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu xem xét cơng trình công bố liên quan đến đề tài Xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển theo hướng mặt trời • Khối pin lượng mặt trời: gồm pin mặt trời 6V-1.8W mắc với cầu chia áp cấu tạo điện trở 10k Ohm 1k Ohm Đầu kết nối với chân Analog Arduino để đọc điện áp thu từ pin mặt trời Hình 3.20: Khối pin lượng mặt trời Khối hiển thị: gồm module led đoạn kết nối với arduino qua chân digital Hình 3.21: Khối hiển thị 31 3.1.3 Mơ mạch ngun lí Proteus Hình 3.22: Mơ phần mềm Proteus 8.13 3.2 Thiết kế khí 3.2.1 Vật liệu nhựa in 3D Nhựa in 3D loại nhựa làm duối dạng sợi, có đường kính khoảng 1.75mm, 2mm, 2.85mm, 3mm tùy theo loại máy in, nung nóng chạy qua đầu đùn, đắp lớp lớp lên mơ hình sản phẩm máy in 3D phần mềm kỹ thuật Có nhiều loại vật liệu khác tùy thuộc vào nhu cầu loại máy để bạn chọn, vật liêu in 3D yếu tố quan trọng mấu chốt định sản phẩm có in thành cơng hay không (chất lượng, độ bền, độ cứng, độ dẻo bề mặt hồn thành, màu sắc…) 32 Hình 3.23: Nhựa in 3D Những loại nhựa in 3D thường thấy? Cho đến nay, vật liệu in 3D có khoảng 30 loại Từ loại thông dụng PLA, ABS, loại nhựa nhiệt dẻo TPU, TPE để làm sản phẩm có tính đàn hồi vỏ giày, xích xe tăng, băng tải, Rồi tới nhựa kỹ thuật POM, Acrylic, ngồi cịn có loại nhựa chun để in support PVA Về mỹ thuật có dịng vật liệu chuyên cho giả gỗ, thép, đồng,bạc, vàng vật liệu phản quang, suốt đổi màu gặp ánh sáng Nhựa PLA - Về ưu điểm: PLA loại nhựa phổ biến cho dòng máy quy mơ nhỏ dùng cho văn phịng nhỏ, gia đình, cá nhân khơng độc hại, khơng có mùi dễ in PLA khơng độc hại làm đa số từ bột bắp, mía khoai mì, phân hủy sinh học dễ dàng Thi thoảng, bạn ngửi thấy PLA phát mùi thơm nhè nhẹ, dễ chịu làm nóng Do đó, dịng nhựa cứng, PLA ưa chuộng so với ABS Do không độc hại nên PLA phù hợp cho sản phẩm tiếp xúc với thực phẩm, dẹp bỏ lo ngại người hay nghĩ nhựa không tốt cho sức khỏe Sau làm mát/ để nguội, PLA bị co lại so với ABS PLA có nhiều màu 33 sắc để bạn lựa chọn, có màu đặc biệt “màu giả gỗ, “màu giả đồng/ vàng/ ”… - Về nhược điểm: PLA dễ bị nóng khơng bền ABS Vì vậy, đa số người dùng ABS phận cần cho mục đích kỹ thuật Hình 3.24: Nhựa in 3D PLA Độ cứng Cao Độ dẻo Kém Độ bền Trung bình Nhiệt độ in 20-60 độ Độ co rút sau nguội Thấp Bảng 3.8: Bảng thông tin nhựa PLA Nhựa PLA chịu nhiệt kém, khơng nên để ngồi trười, gần cửa sổ hay môi trường 60 độ, đặc biệt với chi tiết nhỏ, mảnh 34 • Ứng dụng nhựa PLA: In loại hộp, đồ dùng nhà, văn phịng, in chi tiết bị chịu mịn, in đồ chơi, in mơ hình 3.2.2 Quy trình thiết kế khí hệ thống Bước 1: Thiết kế 3D phần khung vỏ cho hệ thống phần mềm Solidworks Hình 3.25: Thiết kế mơ hình 3D phần mềm Solidworks 2022 Bước 2: In 3D sản phẩm: 35 Hình 3.26: Mơ hình sau in 3D Bước 3: Lắp ráp hệ thống hồn chỉnh: Hình 3.27: Mơ hình 3D hệ thống sau lắp ráp phần mềm Solidworks 36 Hình 3.28: Mơ hình hệ thống sau lắp ráp thực tế • Bản vẽ lắp hệ thống: Hình 3.14: Bản vẽ lắp hệ thống 3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán viết chương trình 37 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn 3.3.2 Viết chương trình #include #include Servo myservo1, myservo2; int LDR1 = A0, LDR2 = A1, LDR3 = A2, LDR4 = A3; int rRDL1 = 0, rRDL2 = 0, rRDL3 = 0, rRDL4 = 0; int max1=0, max2=0, max3=0; int ser1 = 80, ser2=0; float tmp2; int x = 0; int dataPin = 2; //DIO int latchPin = 3; //RCK int clockPin = 5; //SCK unsigned char Ledcode[10] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90}; void setup() { myservo1.attach(9); myservo2.attach(8); 38 Serial.begin(9600); myservo1.write(ser1); myservo2.write(ser2); pinMode(dataPin,OUTPUT); pinMode(latchPin,OUTPUT); pinMode(clockPin,OUTPUT); } void loop() { rRDL1 = analogRead(LDR1) / 100; rRDL2 = analogRead(LDR2) / 100; rRDL3 = analogRead(LDR3) / 100; rRDL4 = analogRead(LDR4) / 100; max1 = max(rRDL1, rRDL2); max2 = max(rRDL3, rRDL4); max3 = max(max1, max2); if(rRDL1