Tài liệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời

MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (TRACKING SOLAR) mô hình đơn giản giúp bạn tìm hiểu khái quát về hệ thống định hướng để nhận ánh sáng tốt nhất cho tấm pin mặt trời. Mô hình có tính ứng dụng cao với quy mô nhỏ có thể tự nghiên cứu và thực hành.

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học viết luận văn này, em nhận hướng dẫn giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy trường Đại học Thái Bình Trước hết, em xin chân thành cảm ơn quý thầy trường Đại học Thái Bình, đặc biệt thầy tận tình dạy bảo chúng em năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện-Điện tử tạo điều kiện, mở sân chơi bổ ích cho chúng em học tập làm đề tài nghiên cứu khoa học ngày hơm Trong q trình thi cơng thiết kế chúng em có nhiều cố gắng hoàn thiện đề tài tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q thầy bạn Đây đề tài khó em, tài liệu chuyên tham khảo vấn đề cịn hạn chế Tuy nhiên q trình thi cơng mơ hình, bảo tận tình giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga, mơ hình đến hồn thành Song hiểu biết lý thuyết chuyên đề kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận bảo thầy cô bạn để em hiểu biết sâu đề tài này, hồn thiện mơ hình ngày tốt Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đăng Đức MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tình hình nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (TRACKING SOLAR) 1.1 Giới thiệu mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời 1.2 Mô tả cách thức hoạt động CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Sơ đồ mạch in 2.4 Vị trí linh kiện mạch 2.5 Cách sử dụng ứng dụng CHƯƠNG III: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Kết đạt 3.2 Mặt hạn chế hướng khắc phục 3.3 Hướng phát triển đề tài CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển trình Cơng Nghiệp Hóa, Hiện Đại Hóa đất nước, kinh tế nước ta ngày phát triển Sự phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu sử dụng lượng người dân Việt Nam ngày tăng mạnh Năng lượng trở thành vấn đề thiết tồn cầu, nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trường ngày trở nên nghiêm trọng Nhu cầu tìm loại lượng xanh, tái tạo được,… để thay nguồn lượng hóa thạch truyền thống toán đặt từ lâu quốc gia phát triển Anh, Pháp, Mỹ quốc gia phát triển Việt Nam, … Việc mở cửa hội nhập kinh tế, Việt Nam gặp phải khó khan trở ngại chung thiếu hụt lượng mà nguồn lượng tuyền thống dần không đủ đáp ứng Mặt khác,Việt Nam quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, cách đường xích đạo không xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận dồi dào.Với ưu vị trí địa lý này, Việt Nam hồn tồn sử dụng nguồn lượng mặt trời đầy tiềm này.Những năm gần đây, khai thác lượng mặt trời nhà nước quan tâm Xuất phát từ yêu cầu thực tế đồng ý Giáo viên hướng dẫn, nhóm em thực đề tài “Thiết kế mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)” với mong muốn đề tài ứng dụng thực tế tạo thiết bị cỡ nhỏ hữu ích phát lượng (điện) gia đình để giải phần tình trạng thiếu hụt lượng diễn biến ngày trầm trọng Và làm sở để tạo nên trạm điện mặt trời tương lai 2 Tình hình nghiên cứu Hiện có nhiều hệ thống pin mặt trời tự điều hướng áp dụng thực tế, đến chưa có tài liệu tính tốn, thiết kế cấu khí tự động hóa cho hệ thống công bố Việc chế tạo phần lớn dựa theo kinh nghiệm nên hiệu suất hoạt động tính ổn định chưa cao Đề tài thực nhằm lấy làm sở để thiết kế mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời công suất lớn ( >500W ) theo hướng tia sang làm sở cho nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài Hình 1: Mơ hình pin mặt trời tự động hiều hướng người dân Đề tài có mục đích phát triển lý thuyết tính tốn hệ thống lượng mặt trời tự điều hướng, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm so sánh hiệu suất pin đặt hệ thống cố định động hướng mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) với mơ hình pin mặt trời thực có cơng suất 6W Mục tiêu: Thực nghiệm đánh giá hiệu mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời tính hiệu suất chênh lệch khơng sử dụng mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời loại pin 4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu A, Đối tượng nghiên cứu: -Các mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời -Kết cấu khí, cách thức chuyển động hệ thống đỡ pin mặt trời quay theo góc điều khiển -Mơ hình thực tế B, Phạm vi nghiên cứu: -Khảo sát quy luật chuyển động mặt trời số vị trí địa lý Việt Nam theo mùa - Thiết kế thực thí nghiệm so sánh hiệu hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định -Chế tạo mơ hình thực nghiệm cho hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1: Ý nghĩa khoa học -Xây dựng sở khoa học việc chế tạo mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời -Chứng minh hiệu việc ứng dụng mô hình tự động điều hướng pin mặt trời vào sinh hoạt nói riêng góp phần cải thiện mơi trường, đẩy mạnh nguồn tài nguyên nói chung 5.2: Ý nghĩa thực tiễn -Việc sử dụng thiết bị lượng mặt trời vào sinh hoạt ngày có ý nghĩa lời việc tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường -Mở hướng cơng khai thác tài ngun thiên nhiên có sẵn để phục vụ người CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (TRACKING SOLAR) Một số hình ảnh tổng quát mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời sinh viên Đức thực 1 Giới thiệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) Như biết, vị trí ngày hè trung bình chiếu sang khoảng tiếng mặt trời (khoảng từ 8h sang đến 16h chiều) Và khoảng thời gian từ 11h đến 13h, mặt đất nhận cường độ ánh sang mạnh nhất, sau giảm dần, lúc tia xạ từ mặt trời chiếu vng góc với mặt đất Nếu vị trí này, ta đặt viên pin mặt trời cố định song song với mặt đất đạt hiệu suất lớn khoảng thời gian từ 11h đến 13h Ta xét đến bảng hiệu suất hai loại pin mặt trời phổ biến Mono Poly khoảng thời gian chiếu sang ngày (khi đặt hệ thống đỡ pin cố định): THỜI GIAN HIỆU SUẤT CỦA MỘT HIỆU SUẤT CỦA (KHOẢNG TỪ 8H PIN MẶT TRỜI MỘT PIN MẶT TRỜI ĐẾN 16H) MONOCRYSTALLINE* POLYCRYSTALLINE* TỪ 8H ĐẾN 11H >= 70% >50% TỪ 11H ĐẾN 13H 70% => 90% 50% => 90% TỪ 13H ĐẾN 16H >= 80% >75% NGUỒN: https://en.wikipedia.com Bảng thống kê hiệu suất pin mặt trời Mono Poly khoảng thời gian ngày đặt hệ thống giá đỡ pin cố định *Pin mặt trời Monocrystalline loại pin lượng mặt trời đơn tinh thể, đạt hiệu suất tốt điều kiện ánh sang thấp *Pin mặt trời Polycrystalline loại pin đa tinh thể, ưu điểm giá rẻ nhiều so với loại đơn tinh thể Mono nhược điểm đạt hiệu suất thấp loại Mono điều kiện ánh sang thấp Như vậy, dựa vào bảng thống kê từ trang Wikipedia, ta nhận thấy sử dụng pin mặt trời với hệ thống đỡ pin cố định khoảng thời gian tốt để viên Pin lượng mặt trời cho hiệu suất tối đa rơi vào khoảng đồng hồ (tức khoảng 11h đến 13h) Vì nên việc sử dụng pin khơng hiệu không khai thác tối đa nguồn tài nguyên cho vô tận Đối với hệ thống pin mặt trời đặt hệ thống tự động điều hướng, hệ thống không sử dụng thời gian thực để điều chỉnh góc quay pin mặt trời mà sử dụng tia xạ Mặt trời để chỉnh góc quay cho pin mặt trời ln ln vng góc với tia xạ phát từ Mặt trời Bằng cách làm có ưu điểm ln ln cho độ xác (vì khơng phải phụ thuộc vào thời gian không chịu tác động dịch chuyển động địa chất), pin mặt trời luôn hướng vng góc nơi có ánh sang mạnh nhất, cụ thể ánh sang Mặt trời Do đó, hệ thống pin cho mức hiệu suất cao Hình 2: Mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời xác định hướng Mặt trời Bằng thực nghiệm đo lường sinh nhóm tác giả, so sánh hiệu suất viên pin lượng mặt trời Mono 18v 6W đặt hệ thống giá đỡ pin cố định đặt hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời khoảng thời gian (khoảng 9h sang đến 5h chiều) cho kết sau: *LƯU Ý: Số liệu lấy từ kết lần đo thời điểm khác Hiệu suất tính kết đo trung bình khoảng thời gian chia cho kết đo lớn nhất, hiệu suất chuyển từ quang sang điện viên pin lượng mặt trời HIỆU SUẤT CỦA PIN HIỆU SUẤT CỦA PIN KHI ĐẶT TRÊN GIÁ KHI ĐẶT TRÊN MƠ CỐ ĐỊNH (SONG HÌNH TỰ ĐỘNG SONG VỚI MẶT ĐẤT) ĐIỀU HƯỚNG TỪ 9H ĐẾN 11H >=70% Xấp xỉ 85% TỪ 11H ĐẾN 13H 70%=>90% 90% TỪ 13H ĐẾN 17H >=65% 80%=>85% THỜI GIAN (KHOẢNG TỪ 9H ĐẾN 17H) Bảng thống kê hiệu suất viên pin Mono 18v 6W đặt hệ thống giá đỡ pin cố định hệ thống tự động điều hướng khoảng thời gian Như vậy, dựa vào bảng thống kê hiệu suất viên pin hai trường hợp (đặt hệ thống giá đỡ cố định đặt hệ thống tự động điều hướng) ta thấy viên pin hiệu suất có chênh lệch đáng kể Đối với pin đặt hệ thống giá đỡ cố định thời gian pin cho hiệu suất tốt rơi vào khoảng từ 11h đến 13h Ngoài khoảng thời gian này, hiệu suất giảm dần (từ 11h trở trước từ 13h trở sau) Còn pin mặt trời đặt hệ thống giá đỡ pin tự động điều hướng hiệu suất luôn giữ ổn định khoảng từ 80% đến 90% Điều giúp khai thác nguồn lượng từ Mặt trời cách lớn có thể, giảm tối đa việc phụ thuộc nhiều vào đơn vị phân phối điện đồng thời giảm tình trạng nhiễm mơi trường Đối với hệ thống lớn, cịn sử dụng lượng tái tạo từ mặt trời để bán ngược lại cho hệ thống phân phối, tiết kiệm đáng kể phí tiền điện hàng tháng Mô tả sơ lược cách thức hoạt động Trên mơ hình sử dụng hai động SERVO (Tower MG995) làm nhiệm vụ điều hướng chuyển động cho hệ thống giá đỡ Một động điều chỉnh trục X (xác định phương hướng nguồn ánh sang mạnh nhất) động lại điều chỉnh trục Z (xác định xác Mặt trời di chuyển từ hướng Đông sang hướng Tây) Nhờ kết hợp linh động hai động mà mơ hình bám sát hướng cần yêu cầu Hình 3: Hình ảnh Động servo, Cụm cảm biến Arduino tính từ trái qua phải CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ ngun lý Mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) sử dụng sơ đồ nguyên lý sau: Hình 4: Sơ đồ nguyên lý Các phần tử sử dụng mạch điện: -Arduino Smulino UNO R4 -Cảm biến nhạy sáng (quang trở) -Động SERVO Tower MG995 -Module hạ áp 3A LM2596 Ngồi cịn phần tử khác viên pin lượng mặt trời 18v 6W, module đồng hồ hiển thị điện áp, nguồn điện DC 19V 3.5A linh kiện nhỏ jack DC, Công tắc, … 2.2 Nguyên lý hoạt động Trước tiên tìm hiểu nguyên lý hoạt động cách thức điều khiển động servo Động servo chất động DC thông thường xếp làm nhiệm vụ kéo truyền động cho khối giảm tốc bao gồm bánh Mục đích việc để giảm tốc độ vòng tua tăng momen xoắn Động DC ghép với mạch điều khiển có chức xác định góc quay bánh cuối đóng vai trị cầu H (Half Bridge) dùng để đảo chiều cho động DC quay ngược quay xi Chính nhờ ưu cho momen xoắn lớn (có thể đạt tới lực kéo 18Nm điện áp 5V) góc quay xác tuyệt đối nên Động SERVO dễ dàng để điều khiển hệ thống giá đỡ pin nặng, cho góc định hướng xác tuyệt đối Hình 5: Cấu tạo động SERVO Cách thức điều khiển động Servo tương đối dễ Tại chân nhận tín hiệu điều khiển động Servo cấp tín hiệu xung vng có tần số khoảng 50Hz Góc quay động servo phụ thuộc vào độ rộng xung (Duty Cycle) tín hiệu xung Ví dụ tín hiệu xung có duty = 1% động quay góc độ, tín hiệu có duty 50% động quay góc 90 độ,… Hình 6: Mơ tả sơ lược cách động SERVO hoạt động Đối với sơ đồ nguyên lý hình 4, nguyên lý hoạt động đơn giản Hệ thống cảm biến bao gồm quang trở làm nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ nguồn sáng Giữa quang trở có vách ngăn hình chữ Thập làm nhiệm vụ phân chia cảm biến quang trở thành hướng khác riêng biệt Hình 7: Vị trí đặt cảm biến thực mơ hình Vách ngăn làm nhiệm vụ định hướng cho quang trở luôn hướng phía có nguồn sáng mạnh nhất, cụ thể Mặt trời Khi cụm cảm biến vng góc với tia xạ cảu mặt trời, giá trị cảm biến Tín hiệu từ cụm cảm biến truyền trực tiếp phần tử trung tâm điều khiển Arduino Tại đây, Arduino tính tốn cách lấy giá trị trung bình hai cảm biến quang trở liền kề trừ giá trị trung bình hai cảm biến quang trở cịn lại Nếu giá trị dương, điều khiển độ rộng xung duty cycle cho động servo quay theo chiều (sang trái sang phải) Ngược lại, giá trị âm, Arduino điều khiển cho động servo quay theo chiều ngược lại Điều áp dụng cho hai động điều khiển trục X trục Z Nếu Arduino tín giá trị 0, ngừng cấp xung đến hai động khiến ngừng quay hệ thống giá đỡ pin giữ trạng thái cố định Phần nguồn cấp cho hai động sử dụng module hạ áp LM2596 Sở dĩ hoạt động hai động cần dòng điện tương đối lớn để vận hành Vì khơng thể dung nguồn 5v lấy trực tiếp từ Arduino để nuôi cho hai động gây hỏng mạch mà phải sử dụng dụng hai module hạ áp xuống mức 5V 3A để nuôi cho hai động servo Nguồn nuôi cho board Arduino lấy từ module hạ áp LM2596 (Hình 4) Tín hiệu điện thu từ pin mặt trời sử dụng hiển thị trực tiếp lên đồng hồ hiển thị điện áp, đơn vị Vol Đồng thời nạp trực tiếp vào viên Pin Lithium có điện áp 3V, dung lượng 3000mAh 2.3 Sơ đồ mạch in Từ sơ đồ nguyên lý, linh kiện bố trí bo mạch chủ theo vị trí sau: Hình 8: Sơ đồ ngun lý cụm cảm biến (bên trên) bo mạch chủ (bên dưới) 2.4 Vị trí linh kiện mạch Hình 9: Vị trí linh kiện bo mạch chủ 2.5 Cách sử dụng ứng dụng mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời Mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) có thiết kế đơn giản, trực quan dễ sử dụng, dễ tiếp cận với nhiều đối tượng người sử dụng khác Về cách sử dụng sau: Đặt mơ hình bề mặt phẳng, giữ cho mơ hình ln trạng thái cố định, vững Tránh mặt phẳng gồ ghề gây đổ mơ hình trọng lượng nhẹ Cấp nguồn DC 19.5V 3.5A kèm mơ hình vào jack có ký hiệu DC IN Sau kết nối, hai đèn màu đỏ bo mạch chủ sáng, giá đỡ pin tự động vị trí cân Đồng thời Module hiển thị điện áp thu pin mặt trời có tín hiệu Bật cơng tắc ON (Auto tracking) để kích hoạt tính tự động điều hướng pin mặt trời OFF (Auto tracking) để tắt giữ giá đỡ pin trạng thái cố định Ứng dụng mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời: -Cấp nguồn ni cho hệ thống bóng LED tự động bật chiếu sáng vào ban đêm CHƯƠNG III: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Kết đạt Sau khoảng thời gian nghiên cứu thi cơng, giúp đỡ tận tình Thạc sĩ Nguyễn Thị Nga, em hồn thành mơ hình đề tài giao -Về lý thuyết, khái quát tiềm lớn nguồn lượng cho vô tận – lượng mặt trời; phương án để khai thác loại lượng cách hiệu -Về khảo sát, tìm hiểu phương pháp thiết kế hệ thống truyền động cho hệ thống giá đỡ pin, qua chọn lọc phương án tối ưu nhất, hoạt động bền bỉ nhất, dễ dàng lắp đặt điều khiển RẺ -Về thực tế, hồn thành mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời hoạt động ổn định với cơng suất nhỏ Từ làm tiền đề để chế tạo mơ hình cỡ lớn, trạm điện mặt trời công nghệ cao, giúp phần giảm gánh nặng cho hệ thống lưới điện quốc gia vốn sử dụng nhiên liệu có hạn cũ kỹ Hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời em thiết kế, thi cơng loại cỡ nhỏ, có ưu điểm kết cấu tạo gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ thi công lắp đặt, giá thành đầu tư thấp, dải thu nhận ánh sáng tốt không địa điểm khảo sát mà nhiều địa điểm khác nhau, mơi trường địa lý khác Vì loại mơ hình hồn tồn ứng dụng đại trà, chế tạo hàng loạt để người dân dễ tiếp cận 3.2 Mặt hạn chế hướng khắc phục +Mặt hạn chế: Bên cạnh nhiều ưu điểm, nhiên với khoảng thời gian chưa phải đủ dài để nghiên cứu tường tận vấn đề đề tài kiến thức chun ngành cịn có hạn nên chắn mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) tránh khỏi sai sót, cịn tổn số nhược điểm sau: -Hoạt động ổn định với nguồn ánh sáng mạnh từ nhiều phía -Chưa có khả chống nước -Khả chịu nhiệt độ cao thấp nên dễ gây tình trạng hỏng hóc linh kiện, cần có biện pháp bảo vệ +Hướng khắc phục: -Cải tiến hệ thống cảm biến để hoạt động điều kiện ánh sáng mạnh từ nhiều phía -Đổ keo Epoxy lên tồn bề mặt hệ thống đảm bảo chống nước tuyệt đối -Sử dụng linh kiện có khả chịu nhiệt độ cao thời gian dài để đảm bảo tuổi thọ hệ thống cải thiện -Cơ cấu chuyển động phải bơi trơn định kỳ -Vị trí tiếp điểm phải cấu chắn 3.3 Hướng phát triển đề tài Từ ưu điểm mà hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời mang lại cách khắc phục nhược điểm nó, ta phát triển đề tài lên tầm cao mới: -Thiết kế hệ thống lớn hơn, đủ đáp ứng cho hộ gia đình tách biệt với hệ thống điện quốc gia mà đảm bảo ổn định hoạt động giá thành không cao -Sử dụng thêm thời gian thực để hỗ trợ cho hệ thống cảm biến -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 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN ... HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (TRACKING SOLAR) Một số hình ảnh tổng quát mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời sinh viên Đức thực 1 Giới thiệu mô hình tự động điều hướng pin mặt trời. .. hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định -Chế tạo mơ hình thực nghiệm cho hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1:... tạo mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời -Chứng minh hiệu việc ứng dụng mô hình tự động điều hướng pin mặt trời vào sinh hoạt nói riêng góp phần cải thiện mơi trường, đẩy mạnh nguồn tài nguyên