Cơ cấu tự động đổi hướng thu năng lượng mặt trời cho tấm pin

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2020 -2021 Tên đề tài: CƠ CẤU TỰ ĐỘNG ĐỔI HƯỚNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO TẤM PIN Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Phú Tác giả/ Nhóm tác giả: Hồ Quang Đường Bùi Duy Hịa Phan Thanh Tồn TP Hồ Chí Minh, năm 2021 ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2020 -2021 Tên đề tài: CƠ CẤU TỰ ĐỘNG ĐỔI HƯỚNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO TẤM PIN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, Ghi rõ họ tên) TÁC GIẢ/ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI (Ký, Ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký, Ghi rõ họ tên) TP Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng năm 2021 MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan dự án 1.1 Mục tiêu 1.1.1 Mục tiêu chung 1.1.2 Mục tiêu cụ thể 1 1.1.3 Nhiệm vụ 1.2 Tổng quan dự án 1.2.1 Vị trí vai trị dự án 1.2.2 Dự án liên quan Chương 2: Cơ sở thiết kế 2.1 Cơ sở thiết kế khí 2.1.1 Bộ truyền đai bánh 2.1.2 Bộ truyền bánh 2.1.3 Bộ truyền xích 2.2 Cơ sở thiết kế điện – điều khiển 2.2.1 Bộ cảm biến 7 2.2.2 Bộ điều khiển 2.2.3 Giao diện điều khiển 2.2.4 Các linh kiện, thiết bị 2.2.4.1 Cảm biến ánh sáng 2.2.4.2 Pannel mặt trời 10 2.2.4.3 Inverter 12-220V 10 2.2.4.4 Mạch nguồn giảm áp DC XL4015 10 2.2.4.5 LCD 1602 10 2.2.4.6 Mạch giải mã I2C 11 2.2.4.7 Động giảm tốc 11 2.2.4.8 Mạch điều khiển tốc độ động 2.2.4.9 Ắc quy 12V 30Ah 12 12 2.2.4.10 Module relay 12 2.2.4.11 Bộ điều khiển sạc 13 2.2.4.12 Arduino UNO R3 13 Chương 3: Thiết kế thi công 3.1 Thiết kế phần 15 3.2 Thiết kế phần điện 16 3.3 Thiết kế phần điều khiển 16 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý 16 3.3.2 Ưu, nhược điểm 16 3.3.3 Lập trình điều khiển 17 Chương 4: Kết 4.1 Phần khí 18 4.2 Phần điện 18 4.3 Phần điều khiển 18 4.4 Phần công suất 18 4.5 Phần lắp đặt hệ thống 20 Chương 5: Kết luận GND kết nối với GND board điều khiển IN1 IN2 dùng để điều khiển relay relay 2, tích cực mức thấp Ngồi cịn chân header dùng để cấp nguồn cho relay, header có jumper dùng để kết nối chân VCC với chân RY_VCC mục đích dùng chung nguồn VCC (5V) từ header chân cho relay, thông thường jumper nối lại với Nếu muốn cách ly tín hiệu điều khiển với nguồn cấp cho relay bỏ jumper cấp nguồn riêng 5V cho chân RY_VCC 2.2.4.11 Bộ điều khiển sạc Thơng số kỹ thuật : Cơng suất: 240w(12V) 480W(24V) Dịng sạc định mức: 20A Dòng tải định mức: 20A Nhiệt độ làm việc: -20~60 độ Áp bảo vệ xả: 10~21.7V Áp trở lại xả tải: 12~25V Đầu USB: 5V 2A Màn hình hiển thị: LCD Áp sạc trơi: 13.7~27.4V Kích thước: 135x70x31mm Khối lượng: 150g Chức chân: 1,2 nối vào “+”,”-” pin mặt trời 3,4 nối với “+”,”-” acquy 5,6 áp trả lại , nối với đèn 12-24v cổng USB cho 5V 1A Hình 2.19 Bộ điều khiển sạc 2.2.4.12 Arduino UNO R3 Arduino UNO R3 bảng vi điều khiển nguồn mở dựa vi điều khiển Microchip ATmega328P, bo mạch xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, Hình 2.20 Arduino Uno R3 13 Cổng USB (loại B): cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển Đồng thời giao tiếp serial để truyền liệu vi điểu khiển với máy tính Jack nguồn: để chạy Arduino lấy nguồn từ cổng USB trên, lúc cắm với máy tính Lúc đó, ta cần nguồn 9V đến 12V Hàng Header: đánh số từ đến 12 hàng digital pin, nhận vào xuất tín hiệu số Ngồi có pin đất (GND) Pin điện áp tham chiếu (AREF) Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn Hàng header thứ ba: chân để nhận vào xuất tín hiệu tương tự Vi điều khiển AVR: xử lý trung tâm toàn bo mạch Với mẫu Arduino khác chip khác Ở Arduino Uno sử d ụng ATMega328 14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 Thiết kế phần Hình 3.1 Thiết kế khung hệ thống Thành phần: - Pin mặt trời; - Khung đỡ pin; - Khung đỡ hệ thống – Hộp chứa điều khiển Phần khung giúp pin thay đổi hướng theo hai trục Tạo điều kiện giúp pin hứng ánh sáng mặt trời cách tối ưu Ưu điểm: - Dễ dàng thi công, lắp ráp - Phần nâng đỡ pin thay đổi với kích thước để phù hợp với loại pin thị trường - Với kết hợp cấu bánh đai cấu cho hướng quay xác,giảm sai số vị trí Nhược điểm: - Phần cấu quay ngang yếu 15 3.2 Thiết kế phần điện Hình 3.2 Sơ đồ phần nguồn điện 3.3 Thiết kế phần điều khiển 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý sử dụng Arduino 3.3.2 Ưu, nhược điểm - Ưu điểm: Dễ lập trình, giá thành rẻ, dễ lắp đặt, linh kiện phổ biến - Nhược điểm: Dòng điện xuất yếu nên cần mạch cơng suất để nâng dịng 16 3.3.3 Lập trình điều khiển Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn Mô tả: - Hệ thống hoạt động trời sáng Lúc cảm biến ánh sáng nhận tín hiệu; cảm biến ánh sáng so sánh tín hiệu với nhau(cảm biến Đông với cảm biến Tây, cảm biến Bắc với cảm biến Nam) - Nếu cặp cảm biến có chênh lệch cường độ ánh sáng hệ thống điều khiển động trục quay hướng có cường độ ánh sáng cao - Nếu cặp cảm biến có cường độ ánh sáng động trục dừng xoay - Khi cặp cảm biến có cường độ hệ thống đứng yên (hệ thống hướng vng góc với hướng ánh sáng mặt trời chiếu vào) - Nếu trời tắt nắng hệ thống xoay hệ thống vị trí ban đầu(tấm pin hướng hướng đông) 17 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 4.1 Phần khí - Hệ thống gia cơng chắn, rơ lắc - Hoạt động khơng gây tiếng ồn - Chuyển động nhanh chậm hợp lý, có độ xác cao - Có thể thay đổi kích thước để lắp đặt thêm nhiều pin 4.2 Phần điện - Hệ thống tạo dịng điện 220V với cơng suất 300W lúc hệ thống dừng nạp điện, cịn với cơng suất cao 300W hệ thống lúc phải hoạt động - Với công suất hệ thống dùng để thắp bóng điện, dùng quạt, sạc bình xe điện, khoảng - Tùy theo công suất tải mà ta biết hệ thống sau hết điện - Hệ thống hoạt động với lượng công suất tiêu thụ 20W ngày 4.3 Phần điều khiển - Hệ thống hoạt động ổn định, không xảy lỗi vận hành - Hệ thống hoạt động hồn tồn tự động, khơng cần có tác động người - Khả đo lường điều chỉnh hệ thống xác lên đến 95% - Hệ thống hoạt động ổn định điều kiên ánh sáng khác 4.4 Phần công suất Bảng 4.1: Biểu đồ cơng suất pin Có s dụng hệ thống Không s dụng hệ thống 76.2 69.85 67.31 68.58 67.31 63.5 59.69 58.42 57.15 48.26 40.64 31.75 30.48 25.4 21.59 19.05 15.24 12.7 10.16 2.54 7H 12.7 1.27 8H 9H 10H 11H 12H 18 13H 14H 15H 16H 17H Bảng 4.2: Công suất đo thời điểm ngày Có sử dụng hệ thống Không sử dụng hệ thống Công suất Bức xạ mặt trời Công suất Bức xạ mặt trời 7h 19.05 W 2.11 2.54 W 0.28 8h 25.4 W 2.81 10.16 W 1.12 9h 40.64 W 4.49 15.24 W 1.68 10h 59.69 W 6.60 30.48 W 3.37 11h 69.85 W 7.72 63.5 W 7.02 12h 76.2 W 8.42 67.31 W 7.44 13h 68.58 W 7.58 57.15 W 6.32 14h 67.31 W 7.44 48.26 W 5.34 15h 58.42 W 6.46 21.59 W 2.39 16h 31.75 W 3.51 12.7 W 1.40 17h 12.7 W 1.40 1.27 W 0.14 Trung bình ngày 48.14 W 5.32 30.01 3.32 Với pin 100Wp có kích thước 1000 x 670 mm có hiệu suất là: Hiệu suất pin = = 𝐶ô𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑡ấ𝑚 𝑝𝑖𝑛 𝐷𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑡ấ𝑚 𝑝𝑖𝑛∗1000 100 1∗0.67∗1000 ∗ 100 ∗ 100 = 14.925 % ≈ 15% Nhưng thực tế hiệu suất pin lên đến 20% cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt độ, thành phần cấu tạo nên tế bào pin, Ta có cơng thức tính sản lượng điện sản sinh pin là: E=AxrxHxf Với: - E (kWh): sản lượng điện sinh pin - A(m2): diện tích pin - r(%): Hiệu suất pin (ở nhóm em lấy hiệu suất là18%) - H(kWh/m2 ): Cường độ xạ ánh sáng mặt trời chiếu vào pin - f: Hệ số tổn thất, từ 0.5 – 0.9 lấy trung bình 0.75 Từ suy cơng thức: 𝐻= E A xrxf = 𝐸 0.67 𝑥 0.18 𝑥 0.75 19 Sau tính tốn bảng số liệu 4.1 Dựa vào bảng biểu đồ thấy chênh lệch công suất pin ảnh hưởng góc nhận xạ từ mặt trời Đây kết đo đạc công suất khả hấp thụ xạ mặt trời hai pin ngày nắng: - Một đặt cố định theo hướng Bắc – Nam chếch pin hướng Nam góc khoảng 10 - 15 Vì cơng suất pin cực đại từ lúc11h – 13h - Một lắp vào hệ thống nên pin ln vng góc với mặt trời suốt ngày Thời gian tạo công suất cực đại pin từ lúc 10h – 15h Nhiều pin cố định 3h Cịn cịn lại cơng suất không cao gấp đôi công suất pin cố định 4.5 Phần lắp đặt hệ thống - Hệ thống thay đổi kích thước, ngoại hình để lắp đặt nhiều nơi - Hệ thống lắp đặt hộ gia đình lắp nhà, ban cơng, sân, để thắp sáng hay chạy quạt, - Hệ thống lắp đặt nơi công cộng công viên, trạm xe buýt, trạm sạc pin xe điện dự phịng tương lai, - Hệ thống lắp đặt nhiều vùng miền khác mà không cần quan tâm góc mặt trời 20 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN - Với việc lắp đặt cấu điều hướng cho pin, suất tăng 50% so với pin lắp đặt cố định Điều giúp pin tối đa hóa hiệu suất làm việc tuổi thọ khơng đổi - Nếu chung diện tích lắp đặt rõ ràng việc lắp đặt cấu có điều hướng có cơng suất cao hơn, đẩy nhanh việc thu hồi vốn - Hệ thống thay đổi khung để phù hợp với địa hình pin Bảng 5.1: So sánh công suất giá thành sản phẩm Vấn đề đánh giá Thời gian hứng ánh sáng Góc hứng ánh sáng Số tạo công suất đỉnh ngày Công suất đỉnh ngày Công suất tổng ngày Hao hụt công suất cho hệ thống Hiệu cơng suất Chi phí lắp đặt hệ thống dự kiến Cố định chỗ - Cố định Có cấu xoay theo mặt trời 10 Ln vng góc với mặt trời - giờ 67W 330W Không 76W 529W 30W Hiệu 50% 4.700.000 3.00.000 - Tuy hệ thống có giá thành cao dự kiến lúc đầu chấp nhận pin tăng công suất lên nhiều - Dàn pin lượng mặt trời dàn pin cỡ nhỏ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, giá thành chế tạo thấp, dễ dàng lắp đặt nhiều nơi, vùng miền khác - Hướng phát triển: Có thể ứng dụng thêm điều khiển PID Nâng cấp, thay đổi phần kết cấu khung đỡ pin thêm độ vững cho hệ thống Thay đổi động hệ thống hoạt động xác 21 Bảng 5.2: Tổng hợp thiết bị STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Thiết bị,vật tư Pin Mặt Trời Motor Cảm Biến Ánh Sáng Inverter Bộ Sạc Acquy 30Ah Arduino Uno R3 Mạch Relay 5V Mạch Điều Tốc Dc Lcd 16*2 Mạch giao tiếp I2C Mạch Báo Dung Lượng Acpuy Opto B1212Ls Gối Đỡ Vòng Bi(Ngang) Gối Đỡ Vịng Bi(Đứng) Bánh Răng Inox Vng 25 Sắt Vng 25 Ống Nhôm 30 Alu 1200*2400(mm) Hộp Tủ Điện Bản Lề Ốc M8 L120mm Ốc M8 L30mm+ Đai Ốc M3 L5mm Cơng Tắc Hành Trình Thanh V Lỗ 4*4 Dây Điện Nhỏ Dây Điện Lớn Dây Xoắn Ruột Gà 22 Số lượng 1 1 1 1 2 4m 2m 1/2m 1 40 20 6m 8m 2m 2m TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] curbed.com; Flower-shaped solar panel now sold in the U.S https://www.curbed.com/2018/9/11/17845638/solar-panel-power-smartflower-unitedstates;11/09/2018 [2]datasheet.octopart.com; arduino datasheet, https://datasheet.octopart.com/A000066-Arduino-datasheet-38879526.pdf ,8/2020 [3] Nguyễn Văn An, Giáo trình sở chế tạo máy, NXB KH & KT, Hà Nội, 2019 [4] TS Nguyễn Dần, KS Nguyễn Hữu Thường, Giáo trình dung sai lắp ghép, ĐH Công nghiệp TP.HCM, 2009 [5] Trần Vĩnh Thường, Giáo trình ARDUINO truyền thơng, Trường Cao đẳng KTKT TP HCM, 2020 23 PHỤ LỤC BẢN VẼ CƠ KHÍ PL 1.2 Thép hộp 24 BẢN VẼ ĐIỆN PL 2.1 Sơ đồ nguyên lý Arduino Uno R3 25 PL 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH PL 3.1 Chương trình lập trình arduino 26 27