Hệ thống điều hướ ng pin NLMT 1 tr ục theo thờ i gian thực

  Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ  VIẾT TẮT Kí hiệu Ý nghĩa   NLMT  Năng lượ ng Mặt Tr ờ i BXMT Bức xạ Mặt Tr ời  PV Photo - Voltaic MPPT Maximum Power Point Tracking  N Hướ ng Bắc S Hướ ng Nam W Hướ ng Tây E Hướng Đông  HSAT Horizontal Single Axis Tracker   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, thủy điện nhiệt điện hai nguồn cung cấp điện chủ yếu Việt  Nam Bên cạnh nguồn lượng sơ cấ p hóa thạch dần cạn kiệt, việc sử dụng chúng gây tác động tiêu cực đến mơi trườ ng Vì vậy, việc tìm sử d ụng nguồn lượ ng thay thế, lượ ng vấn đề r ất c ần thiết, nguồn lượ ng NLMT.  Phương pháp chuyển đổi quang thành điện (PV conversion) bằ ng t ấm pin NLMT v ấn đề m ới, phương pháp làm tăng hiệu suất chuyển đổi nhũng pin NLMT vấn đề  đượ c nhóm nghiên cứu trườ ng học, doanh nghiệ p toàn thế giớ i quan tâm Vớ i mong muốn nâng cao hiệu su ất chuyển đổi PV nh ững t ấm pin NLMT, đem kiến thức học đượ c áp dụng vào thực tế sản xuất đờ i sống Vì vậy, nhóm sinh viên thực hi ện đề  tài “Hệ th ống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực” Đề tài sản phẩm có tính thực tiễn cao, đượ c nghiên cứu, chế tạo dựa kiến thức học, đượ c k ế thừa, phát huy từ những k ết quả của công trình nghiên cứu trước đây.  Em xin chân thành cảm ơn:  Thầy hướ ng dẫn: PGT.TS Lê Kim Hùng Thầy phản biện: Cùng tậ p thể thầy anh chị em phịng SMART GRID tận tình chỉ bảo để em hồn thành đề tài nghiên cứu Đà Nẵng, ngày 21 tháng 12 năm 2020   Sinh viên thực  Nguyễn Thành Trung   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực MỤC LỤC  Chương 1:  ĐẶT VẤN ĐỀ  1 1.1 Điều kiện khai thác NLMT ở  Việt Nam 1  1.2 Các phương pháp để  tối ưu hiệu suất PV .1  1.3 Mục tiêu nhiệm vụ của đề tài 2  1.4 Phạm vi nghiên cứ u 3  1.5 Kết luận  3 Chương 2:  LỰ A CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀ U KHIỂN VÀ CƠ SỞ   LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 4  2.1 Chọn số trục điều hướ ng 4  2.1.1.  Hệ thống điều hướ ng tr ục .4  2.1.2.  Hệ thống điều hướ ng tr ục .5  2.1.3.  Đánh giá hiệu quả của phương pháp điều hướ ng, lựa chọn phương án thích hợ  p  6 2.2 Chọn phương pháp bám Mặ t Trờ i 8  2.3 Cơ sở  lý thuyết c phương pháp điều hướ ng t ấm pin NLMT trục theo thờ i gian thự c . 8 2.3.1.  Sự chuyển động Mặt Tr ời  8  2.3.2.  Hệ tọa độ để xác định thiên thể trong không gian 9  2.3.3.  Vĩ độ (Latitude) (Φ) 9  2.3.4.  Kinh độ (Longtitude) (λ) .10  2.3.5.  Xích vĩ độ (Declination angle) (δ) 10  2.3.6.  Góc giờ  (Hour Angle) (ω) .11  2.3.7.  Góc nhậ p xạ (α) (Altitude) .13  2.3.8.  Góc phương vị (Azimuth) (β) 14  2.3.9.  Góc điều khiền hệ thống 15  2.3.10.  Mô k ết quả bằng phần mềm Cabri 3D 16  2.4 Kết luận 17    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực K Ế  Chương 3:  GIỚ I THIỆU CÁC THIẾT B Ị  TRONG PHƯƠNG ÁN THIẾ T 18  3.1 Giớ i thiệu chương 18   3.2 Pin NLMT 18  3.2.1.  Giớ i thiệu .18  3.2.2.  Phân loại 19  3.2.3.  Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin NLMT 20  3.2.4.  Hiệu suất chuyển đổi thành lượng điện pin NLMT 22  3.2.5.  Thông số k ỹ thuật 23  3.3 Ắc quy .26  3.3.1.  Giớ i thiệu .26  3.3.2.  Phân loại 26  3.3.3.   Nguyên lý làm việc ắc quy axit .27  3.3.4.  Phương pháp nạ p cho ắc quy 28  3.3.5.  Các thông số cơ ắc quy 29  3.3.6.  Dung lượ ng: 29  3.3.7.  Thông số k ỹ thuật 30  3.3.8.  Công suất: 12V - 100Ah 30  3.3.9.  Dòng nạ p lớ n nhất: < 2,7A 30  3.3.10.  Điện áp nạ p: 13,5 - 13,8V 30  3.4 Kit node MCU Esp8266 30  3.4.1.  Giớ i thiệu .30  3.4.2.  Thông số k ỹ thuật 31  3.5 Mạch cầu H điều khiển motor 5A 32  3.5.1.  Giớ i thiệu .32  3.5.2.  Thông số k ỹ thuật 32  3.6 Xilanh điện 32  3.6.1.  Giớ i thiệu .32    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực 3.6.2.  Thông số k ỹ thuật 33  3.7 Cảm biến MPU6050 34  3.7.1.  Giớ i thiệu .34  3.7.2.  Thông số k ỹ thuật 34  3.8 Module thờ i gian thự c RTC DS1307 35  3.8.1.  Giớ i thiệu .35  3.8.2.  Thông số k ỹ thuật 36  3.9 Mạch MPPT giao thứ c truyền tín hiệu không dây Wifi 36  3.10 Kết luận 37  Chương 4:  THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 38  4.1 Giớ i thiệu chương 38   4.2 Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động hệ thống 38  4.3 Chức phần tử  trong hệ thống 39  4.3.1.  Pin NLMT 39  4.3.2.  Ắc quy 39  4.3.3.  H bridge 40  4.3.4.  Vi điều khiển trung tâm node MCU Esp8266 40  4.3.5.  Xilanh điện .40  4.3.6.  RTC DS1307 40  4.3.7.  MBU 6050 .40  4.3.8.  MPPT 40  4.3.9.  ESP32 Client Server 41  4.3.10.  Desktop 41  4.3.11.  R load (Tải tiêu thụ) .41  4.4 Tính chọn thiết bị trong hệ thống 41  4.4.1.  Lựa chọn ắc quy 41  4.4.2.  Lựa chọn mạch cầu H: 41    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực 4.4.3.  Lựa chọn cảm biến góc nghiêng 42  4.4.4.  Lựa chọn mạch thờ i gian thực 42  4.4.5.  Lựa chọn xilanh điện: 42  4.5 Lập trình cho vi điề u khiển 44  4.5.1.  Lập trình cho vi điều khiển node MCU Esp8266 44  4.5.2.  Lập trình cho vi điều khiển Esp32 Client Esp32 Server 45  4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Error! Bookmark not defined   Chương 5:  KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 46  5.1 Giớ i thiệu chương 46   5.2 Mơ hình thự c tế .46  5.3 Kết quả so sánh 47  TÀI LIỆU THAM KHẢO .50  PHỤ LỤC 52  Phụ lục 1: Chương trình vi điề u khiển node MCU Esp8266 52  Phụ lục 2: Chương trình ESP32 Server .66  Phụ lục 3: Chương trình ESP32 Client 68    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực DANH SÁCH HÌNH VẼ  Hình 1.1 Bức xạ NLMT ở  Việt Nam .1  Hình 1.2 So sánh sơ lượ c về hiệu quả của hệ thống điều hướ ng pin NLMT so với phương  pháp lắp đặt truyền thống 2  Hình 2.1 Hệ thống HSAT 4MW ở  Vellakoil, Tamil Nadu, Ấn Độ  4  Hình 2.2 Hệ thống HTSAT ở  Xitieshan, Trung Quốc 4  Hình 2.3 Hệ thống TSAT ở  Siziwangqi, Trung Quốc 5  Hình 2.4 Hệ thống TTDAT ở  Siziwangqi, Trung Quốc 6  Hình 2.5 Hệ thống AADAT ở  Toledo, Tây Ban Nha 6  Hình 2.6 Hoạt động biểu kiến Mặt Tr ờ i 8  Hình 2.7 Hệ tọa độ Altitude –  Azimuth để xác định vị trí thiên thể trong không gian   Hình 2.8 Cách xác định vĩ độ  9 Hình 2.9 Cách xác định kinh độ 10  Hình 2.10 Sự thay đổi xích vĩ độ trong năm 10  Hình 2.11 Góc nhậ p xạ 14   Hình 2.12 Góc phương vị 14   Hình 2.13 Góc điều khiển hệ thống 15  Hình 2.14 Mơ Mặt Tr ời  ở   phần phía Đơng (từ lúc Mặt Tr ời  mọc đến trưa) 16   Hình 2.15 Mơ Mặt Tr ời  ở  phần phía Tây (từ lúc trưa đến lúc Mặt Tr ời  lặn) 16   Hình 3.1 Pin NLMT 315W Cheetah 18  Hình 3.2 Các loại pin NLMT 19  Hình 3.3 Cấu tạo pin NLMT silic 20  Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động pin NLMT .21  Hình 3.5 Kích thướ c pin NLMT Cheetah sử dụng hệ thống 23  Hình 3.6 Các đường đặc tính pin NLMT Cheetah sử dụng hệ thống 24    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực Hình 3.7 Thông số kĩ thuật pin NLMT Cheetah sử dụng hệ thống 25  Hình 3.8 Ắc quy 12V-100Ah 26  Hình 3.9 Kit node MCU Esp8266 30  Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý kit node MCU Esp8266 31  Hình 3.11 Catalogue xy lanh điện sử dụng hệ thống 33  Hình 3.12 MPU6050 34  Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MPU6050 34  Hình 3.14 Module RTC DS1307 35  Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý RTC DS1307 35  Hình 3.16 Mạch MPPT đượ c cải tiến kit ESP32 thu phát dữ liệu không giây 36  Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực .38  Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn vi xử lý trung tâm node MCU Esp8266 44  Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn truyền nhận hiển thị dữ liệu cơng suất pin PV lên hình máy tính 45  Hình 5.1 Sản phẩm nhìn từ phía trướ c 46  Hình 5.2 Mạch điều khiển hệ thống điều hướ ng pin NLMT 46  Hình 5.3 Mạch truyền thơng công suất 47  Hình 5.4 Thiết lậ p thí nghiệm để kiểm định hiệu quả của phương pháp điều hướ ng tr ục theo thờ i gian thực phương pháp lắp đặt truyền thống 47  Hình 5.5 K ết qu ả  chương trình điều khiển góc nghiêng xuất cổng k ết nối Serial máy tính ngày 4/12/2020 48  Hình 5.6 Các tham số của ngày 4/12/2020 đượ c tính tốn website suncalc.org 48  Hình 5.7 File số liệu cơng suất thu thậ p phương pháp ngày 20/12/2020   48  Hình 5.8 Biểu đồ so sánh cơng suất nh ận đượ c phươ ng pháp lắp đặt hệ thống pin  NLMT truyền thống phương pháp điều hướ ng tr ục theo thờ i gian thực từ 13:30 -> 14:30 (W) (Điều kiện thờ i tiết: Nhiều mây) 49  Hình 5.9 Biểu đồ so sánh cơng suất nhận thêm phương pháp điều hướ ng tr ục theo thờ i gian thực phương pháp lắp đặt hệ thống pin NLMT truyền thống t ừ  13:30 -> 14:30 (%) (Điều kiện thờ i tiết: Nhiều mây) 49    Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ  1.1 Điều kiện khai thác NLMT ở  Việt Nam Với ưu điểm sẵn có, thân thiện với mơi trường đặc biệt không bao giờ  bị  cạn kiệt, NLMT giải pháp thay thế cho nguồn lượng khác dần bị  cạn ki ệt Trái Đất Ở Vi ệt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nướ c ta lượ ng BXMT hàng năm thuộc top nước có BXMT hàng năm cao nhấ t thế giớ i (vào khoảng 4.5 –  6 kWh/m2/năm) cộng với điều kiện về mặt địa lý (lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ vĩ độ 8o N đến 23o N) Do đó, khai thác sử dụng NLMT Việt Nam r ất khả thi [1]   Hình 1.1 Bứ c xạ NLMT ở  Việt Nam 1.2 Các phương pháp để tối ưu hiệu suất PV Các phương pháp để tối ưu hiệu suất chuyển đổi PV: • • • • Sử dụng bộ MPPT để bắt điểm công suất cực đại Giảm nhiệt độ làm việc pin NLMT Kiểm tra vệ sinh bề mặt pin NLMT định k ỳ Sử  dụng hệ thống điều hướ ng pin NLMT Với phương pháp điều hướ ng pin NLMT, pin NLMT chỉ đạt đượ c hiệu suất cao ánh sáng Mặt Tr ời  hợ  p vớ i bề mặt pin NLMT góc 90o Tuy nhiên, hệ thống pin NLMT thường đượ c l ắ p cố  định khiến cho hiệu suất chuyển đổi PV khơng cao Vì để duy trì đượ c hiệu suất pin NLMT ở  mức cao nhất, giải SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực  pháp đưa thiế t k ế  hệ thống điều khiển chuyển động thay đổi hướ ng nhận BXMT theo hệ  kinh độ, vĩ độ c t ừng địa phương, cộng v ớ i thờ i gian UTC t ừng địa phương ta tính đượ c v ị trí M ặt Tr ời  theo thờ i gian UTC địa phương đó, từ  tính tốn đượ c góc quay hệ th ống điều hướng để  đảm bảo hiệu suất chuyển đổi PV pin NLMT lớ n  Hình 1.2 So sánh sơ lượ c về  hiệu quả của hệ thống điều hướ ng pin NLMT so v ớ i  phương pháp lắp đặt truyề n thố ng Dựa vào Hình 1.2, ta thấy r ằng để cùng thu đượ c lượ ng BXMT, hệ thống pin  NLMT không điều hướ ng phải cần diện tích pin lớn so vớ i hệ thống  pin NLMT điều hướ ng 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ của đề tài Đề tài giải vấn đề của h ệ th ống l ắp đặt hệ thống t ấm pin NLMT theo  phươ ng pháp truyền thống đồng thờ i phát triển them tính để nâng cao hiệu suất chuyển đổi PV pin NLMT  Nhiệm vụ của đề tài: • • • Giải nhược điểm hệ thống điều hướ ng pin NLMT cảm  biến Bổ sung khả năng chuyển chế độ linh hoạt theo điều kiện thờ i tiết Kiểm định khả năng hoạt động xác hệ thống SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực T3 = (T1 + T2) / 2; T6 = floor((T3 - floor(T3)) * 60); T3 = floor(T3); Serial.print("Culmination is "); Serial.print(T3, 0); Serial.print(" h "); Serial.print(T6, 0); Serial.println(" "); } void readDS1307() { Wire.beginTransmission(DS1307); Wire.write((byte)0x00); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(DS1307, NumberofFields); second = bcd2dec(Wire.read() & 0x7f); minute = bcd2dec(Wire.read() ); hour = bcd2dec(Wire.read() & 0x3f); wday = bcd2dec(Wire.read() ); day = bcd2dec(Wire.read() ); month = bcd2dec(Wire.read() ); year = bcd2dec(Wire.read() ); year += 2000; } int bcd2dec(byte num) { return ((num / 16 * 10) + (num % 16)) ; SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 56   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực } int dec2bcd(byte num) { return ((num / 10 * 16) + (num % 10)); } void digitalClockDisplay() { Serial.print(hour);  printDigits(minute);  printDigits(second); Serial.print(" "); Serial.print(day); Serial.print(" "); Serial.print(month); Serial.print(" "); Serial.print(year); Serial.println(); } void printDigits(int digits) { Serial.print(":"); if (digits < 10) Serial.print('0'); Serial.print(digits); } void setTime(byte hr, byte min, byte sec, byte wd, byte d, byte mth, byte yr) { Wire.beginTransmission(DS1307); Wire.write(byte(0x00)); Wire.write(dec2bcd(sec)); SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 57   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực Wire.write(dec2bcd(min)); Wire.write(dec2bcd(hr)); Wire.write(dec2bcd(wd)); Wire.write(dec2bcd(d)); Wire.write(dec2bcd(mth)); Wire.write(dec2bcd(yr)); Wire.endTransmission(); } void countday() {  N1 = floor(275 * month / 9);  N2 = floor((month + 9) / 12);  N3 = (1 + floor((year - * floor(year / 4) + 2) / 3));  N = N1 - (N2 * N3) + day - 30; } void backward() { analogWrite(D6, 0); analogWrite(D5, 500); } void backwardslow() { // Tang toc for (i = 350; i = 0; i = i - 10) { if (i < 0) { i = 0; } analogWrite(D6, 0); analogWrite(D5, i); delayMicroseconds(60); } } void forward() { analogWrite(D5, 0); analogWrite(D6, 500); } void forwardslow() { // Tang toc for (i = 350; i = 0; i = i - 10) { if (i < 0) { i = 0; } analogWrite(D5, 0); analogWrite(D6, i); delayMicroseconds(60); } } void motorstop() { analogWrite(D5, 0); analogWrite(D6, 0); } void batdau() { dnmax = 140; dnmin = 40; countday(); sunset(); sunrise(); culmination(); duoi = floor((90 - dnmin) / dthaydoi); hduoi = floor(duoi / (15 / dthaydoi));  pduoi = floor((duoi - (hduoi * (15 / dthaydoi))) * tthaydoi); Serial.print("h duoi la "); Serial.println(hduoi); Serial.print("p duoi la "); Serial.println(pduoi); tren = floor((dnmax - 90) / dthaydoi); SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 60   Thiết k ế, chế tạo hệ thống điều hướ ng pin NLMT tr ục theo thờ i gian thực htren = floor(tren / (15 / dthaydoi));  ptren = floor((tren - (hduoi * (15 / dthaydoi))) * tthaydoi); Serial.print("h tren la "); Serial.println(htren); Serial.print("p tren la "); Serial.println(ptren); hbatdau = T3 - hduoi;  pbatdau = T6 - pduoi + tthaydoi; if (pbatdau < 0) {  pbatdau = pbatdau + 60; hbatdau = hbatdau - 1; } if (pbatdau >= 60) {  pbatdau = pbatdau - 60; hbatdau = hbatdau + 1; } hketthuc = T3 + htren;  pketthuc = T6 + ptren; if (pketthuc >= 60) {  pketthuc = pketthuc - 60; hketthuc = hketthuc + 1; } dncandat = 90 - ((duoi - 1) * dthaydoi); hmuctieu = hbatdau;  pmuctieu = pbatdau; trangthai = 1; if ((hbatdau