TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tầm quan trọng của đề tài
Việc sử dụng hiệu quả các thiết bị năng lượng mặt trời sẽ thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa nền nông nghiệp Việt Nam, giảm bớt khó khăn cho nông dân và nâng cao khả năng cạnh tranh của nông sản Việt Nam trên thị trường toàn cầu.
Phương pháp sấy bằng năng lượng mặt trời là giải pháp hiệu quả cho các nước ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới So với năng lượng truyền thống, phương pháp này giúp giảm chi phí năng lượng, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sản phẩm Ngoài ra, nó còn giảm chi phí nhân công, thời gian và tỷ lệ hao hụt trong quá trình chế biến Với nguồn năng lượng truyền thống ngày càng đắt đỏ, việc sử dụng năng lượng mặt trời cũng yêu cầu diện tích nhỏ hơn so với thiết bị sấy thông thường.
Đề tài này không chỉ phản ánh một thực tại khách quan mà còn mang ý nghĩa quan trọng trong cả hiện tại lẫn tương lai.
Mục đích nghiên cứu
Trong bối cảnh ngày càng tăng nhu cầu sử dụng năng lượng thay thế, nhóm sinh viên đã tiến hành nghiên cứu để phát triển thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời, nhằm khắc phục những hạn chế trong việc sấy nông sản và đáp ứng xu hướng mới trong ngành điều khiển tự động Là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, nhóm mong muốn thử thách bản thân và mở rộng kiến thức chuyên ngành, tích lũy kinh nghiệm trước khi bước vào thị trường lao động Nghiên cứu tập trung vào các ứng dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực sấy hoa quả, và đã phát triển một mô hình sấy cùng hệ thống điều khiển nhiệt độ.
Dàn ý nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế cấu trúc sơ đồ và thi công phần cứng - phần mềm cho mô hình sấy năng lượng mặt trời Mô hình này có khả năng điều khiển nhiệt độ sấy, đồng thời cung cấp hướng dẫn sử dụng chi tiết Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đưa ra đánh giá về hiệu quả và khả năng ứng dụng của mô hình sấy này.
Đồi tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là nguồn mở vi điều khiển Arduino, một công nghệ còn mới mẻ tại một số trường học Bên cạnh đó, ứng dụng này được sử dụng để phát triển mô hình sấy sử dụng năng lượng mặt trời.
Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc tham khảo các chi tiết về module, cảm biến và khí cụ điện Thực nghiệm được thực hiện thông qua việc kết nối phần cứng, thiết kế mạch ổn áp và mạch động lực, cũng như cơ cấu chuyển động.
Trong ngành cơ khí và Cơ Điện Tử, việc sử dụng các dụng cụ như máy hàn, máy khoan, máy tính và đồng hồ VOM là rất cần thiết Để thực hiện đề tài này, cần thiết kế một số mạch phụ và sử dụng testboard để thử nghiệm, cũng như mô phỏng 3D.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng bức xạ và nhiệt từ mặt trời, đã được con người sử dụng từ rất sớm, trước cả khi biết tạo ra lửa Đây là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trên trái đất, đóng vai trò thiết yếu cho sự sống của con người và mọi sinh vật Không có mặt trời và năng lượng mặt trời, sự tồn tại của chúng ta sẽ không thể diễn ra.
Hình 2.1 - Năng lượng mặt trời hiện nay đang được chú trọng khai thác.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch, vô tận và có sẵn khắp nơi, mang lại nhiều giá trị cho con người Trong những năm gần đây, các quốc gia trên thế giới đã cùng nhau khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này mà không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác Công nghệ năng lượng mặt trời đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực dân dụng, thương mại, công nghiệp và nông nghiệp, với ngày càng nhiều ngôi nhà lắp đặt tấm pin mặt trời Việc thu điện từ mặt trời có nhiều lợi thế, bao gồm tính thân thiện với môi trường, chi phí bảo trì thấp, tuổi thọ cao và các lợi ích kinh tế đáng kể.
Năng lượng mặt trời đã trở nên quen thuộc với người Việt Nam, nhưng việc áp dụng vào các hộ gia đình vẫn còn hạn chế do nhiều người chưa nhận thức đầy đủ về những lợi ích mà nó mang lại Năng lượng này được chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng nhiệt hoặc điện, mang lại nhiều tiện ích cho cuộc sống hàng ngày.
Thiết kế chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động Mô hình này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giúp bảo quản chất lượng hoa quả tốt hơn Hệ thống điều khiển thông minh đảm bảo nhiệt độ ổn định, tối ưu hóa quá trình sấy, mang lại hiệu quả cao trong việc chế biến thực phẩm.
Việt Nam sở hữu nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời phong phú, cho phép khai thác qua các công nghệ năng lượng mặt trời phục vụ nhiều mục đích như sản xuất điện, cung cấp ánh sáng và nước nóng cho hộ gia đình, thương mại và công nghiệp Tuy nhiên, việc chuyển đổi sang sử dụng năng lượng mặt trời cũng gặp một số thách thức, bao gồm sự phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời và chi phí đầu tư ban đầu cao.
2.1.2 Ưu, nhược điểm năng lượng mặt trời.
2.1.2.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo bền vững, không giống như các nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vài thập kỷ tới Dù có thể bị che khuất bởi những đám mây, năng lượng mặt trời vẫn sẽ luôn có sẵn trong tương lai gần.
Có sẵn ở mọi nơi: Năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên dồi dào có thể được khai thác từ bất kỳ vị trí địa lý nào
Tiết kiệm tiền là lợi ích nổi bật nhất của năng lượng mặt trời cho các hộ gia đình, giúp giảm đáng kể hóa đơn điện hàng tháng nhờ vào hệ thống điện mặt trời.
Hình 2.2 - Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng xanh.
Điện dư thừa từ hệ thống pin mặt trời có thể được đưa vào lưới điện và người dùng sẽ nhận được khoản chi trả ngược lại Bên cạnh đó, giá của hệ thống pin mặt trời đã giảm đáng kể trong thời gian gần đây.
Năng lượng mặt trời mang lại lợi ích môi trường đáng kể nhờ vào việc sản xuất năng lượng sạch và tái tạo từ ánh sáng mặt trời Việc sử dụng năng lượng mặt trời thay thế cho nhiên liệu hóa thạch giúp giảm lượng khí thải carbon và hạn chế hiệu ứng nhà kính toàn cầu, từ đó góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng không khí.
Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện thay vì dựa vào nhiên liệu hóa thạch có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính, đặc biệt là carbon dioxide (CO2) Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sản sinh ra khí nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ toàn cầu và thúc đẩy biến đổi khí hậu.
Sử dụng năng lượng điện mặt trời mang lại tính ổn định cho doanh nghiệp, cho phép bạn tự kiểm soát lượng điện tiêu thụ hàng tháng Điều này giúp tránh tình trạng cắt điện định kỳ từ các nhà máy điện, đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy sản xuất, nhằm hạn chế gián đoạn công việc do mất điện.
Điện mặt trời có chi phí bảo trì thấp và tuổi thọ lâu dài, với khả năng hoạt động mà không cần nguồn cung bên ngoài Chi phí sản xuất năng lượng gần như bằng không, và các tấm pin mặt trời có thể kéo dài đến 30 năm, ngay cả khi phải đối mặt với điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Thiết kế chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động Mô hình này không chỉ giúp bảo quản hoa quả hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường Việc ứng dụng năng lượng mặt trời giúp giảm chi phí năng lượng và tăng tính bền vững cho sản phẩm Hệ thống điều khiển nhiệt độ đảm bảo quá trình sấy diễn ra đồng đều, giữ nguyên hương vị và chất dinh dưỡng của hoa quả.
Hình 2.3 Pin mặt trời lắp ở hộ gia đình
Năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích rõ rệt, bao gồm việc tiết kiệm chi phí điện năng, giảm thiểu khí thải carbon và nâng cao sức khỏe cho cộng đồng xung quanh.
2.1.2.2 Nhược điểm năng lượng mặt trời Đầu tư trả trước cao: Chi phí trả trước lớn là rào cản lớn nhất đối với bất kỳ chủ nhà nào đang cân nhắc lắp đặt pin mặt trời Phạm vi đầu tư ban đầu là hàng chục triệu đến hàng trăm triệu, bao gồm các tấm pin, biến tần, pin lưu trữ (nếu cần), dây cáp và chi phí lắp đặt
Nghiên cứu tổng quan về Sấy
Sấy khô là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu thông qua nhiệt Nhiệt năng được truyền vào vật liệu ẩm qua các phương pháp dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc năng lượng điện trường tần số cao Mục tiêu của sấy là giảm khối lượng vật liệu, tăng cường độ liên kết bề mặt và nâng cao khả năng bảo quản.
Trong quá trình sấy, nước bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ nhờ vào sự khuếch tán do chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Đồng thời, bên trong vật liệu cũng xảy ra chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước giữa bề mặt và môi trường.
2.2.2 Bản chất của quá trình sấy.
Quá trình khuếch tán hơi nước diễn ra khi hơi nước từ bên trong vật liệu được phát tán ra bề mặt, sau đó bốc hơi vào môi trường xung quanh Hiện tượng này phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu và không khí xung quanh.
2.2.3 Nguyên tắc của quá trình sấy.
Để nâng cao hiệu quả sấy, cần làm cho phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu cao hơn phân áp suất hơi nước của môi trường Cụ thể, có thể tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu thông qua hệ thống sấy tiếp xúc Đồng thời, việc giảm phân áp suất hơi nước của môi trường cũng rất quan trọng, có thể thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống sấy lạnh hoặc hệ thống sấy chân không.
Sấy bằng phương pháp tự nhiên
Sấy tự nhiên, hay còn gọi là phơi sấy tự nhiên, là quá trình làm bay hơi ẩm bằng năng lượng tự nhiên như ánh sáng mặt trời và gió Phương pháp này tiết kiệm năng lượng, nhưng không cho phép điều chỉnh tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp.
Sấy bằng phương pháp nhân tạo
Dựa vào trạng thái tác nhân sấy (TNS) và cách tạo động lực cho quá trình di chuyển ẩm, có hai phương pháp sấy chính: sấy nóng và sấy lạnh.
2.2.5 Các loại hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời.
Thiết bị sấy năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách hấp thụ trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời để cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy Hơi nước sinh ra sẽ được không khí thổi ngang qua vật liệu mang đi Không khí chuyển động có thể do quá trình đối lưu tự nhiên hoặc nhờ quạt thổi cưỡng bức Các loại thiết bị sấy năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay rất đa dạng.
2.2.5.1 Tủ sấy dung năng lượng mặt trời
Hình 2.11 - Tủ sấy trái cây dung năng lượng mặt trời.
Thiết bị này có hình dạng như một cái tủ, với một mặt bằng kính giúp thu nhận bức xạ mặt trời để chuyển đổi thành năng lượng nhiệt, làm tăng nhiệt độ không khí, buồng sấy và sản phẩm cần sấy Các mặt còn lại được bọc cách nhiệt để tối ưu hóa hiệu quả Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào vật sấy, trong khi độ ẩm được không khí lưu thông mang đi.
Thiết kế và chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động Mô hình này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giúp nâng cao hiệu quả sấy khô sản phẩm, đảm bảo chất lượng hoa quả sau khi chế biến Việc ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời trong ngành chế biến thực phẩm ngày càng trở nên phổ biến, mang lại lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường.
Quá trình sấy thực phẩm diễn ra khi 19 bức do quạt thổi và ẩm được thoát ra từ bên trên Vật liệu sấy được đặt trên các khay với lớp mỏng và trong tủ sấy Thiết bị này thường được sử dụng để sấy các loại trái cây như nho và ngũ cốc như lúa thóc.
2.2.5.2 Thiết bị sấy kiểu nhà kính
Hình 2.12 - Mô hình sấy nhà kính.
Thiết bị sấy kiểu nhà kính có mặt kính hướng về phía mặt trời và các mặt còn lại được cách nhiệt tốt, đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy Mô hình nhà kính rất phổ biến ở các nước có khí hậu lạnh, thường được sử dụng để ươm cây giống, trồng rau và hoa Nhà kính giữ nhiệt độ ổn định cho môi trường bên trong, ngay cả khi trời mây hoặc vào ban đêm Thiết bị sấy này lý tưởng cho việc sấy chè và nông sản, giúp sản phẩm đạt chất lượng cao.
2.2.5.3 Thiết bị sấy gián tiếp
Trong các thiết bị sấy, bức xạ mặt trời không chiếu trực tiếp vào sản phẩm mà thông qua không khí nóng từ các collector năng lượng mặt trời Quá trình tuần hoàn không khí nóng thường sử dụng tuần hoàn đối lưu cưỡng bức nhờ quạt, mặc dù có thể là tuần hoàn đối lưu tự nhiên Nhờ vào thiết bị này, nhiệt độ sấy có thể cao hơn, giúp rút ngắn thời gian sấy và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Hình 2.12 - Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời là không khí được làm nóng bởi collector trước khi vào buồng sấy Quạt gió hút không khí nóng và thổi vào buồng sấy, giúp bốc hơi nước từ sản phẩm Không khí nóng có thể tuần hoàn và thoát ra cùng với hơi nước Đối với các thiết bị sấy đặc biệt hoặc cần thời gian sấy dài, nguồn năng lượng phụ được bổ sung để đảm bảo hiệu quả sấy trong những ngày không có nắng hoặc vào ban đêm.
Thiết kế chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ sấy Mô hình này giúp tối ưu hóa quy trình sấy, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm Việc áp dụng công nghệ năng lượng mặt trời không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giảm chi phí vận hành Hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh giúp duy trì nhiệt độ ổn định, từ đó nâng cao hiệu quả sấy và bảo quản hoa quả tốt hơn.
Hình 2.13 - Hệ thống sấy thóc bằng năng lượng mặt trời.
=>Nhận xét: Hệ thống sấy nông sản bằng hiệu ứng nhà kính phù hợp với các nông hộ nhỏ lẻ bởi đạt các yêu cầu sau:
- Nhà sấy hấp thụ nhiệt tốt và giữ cho lượng nhiệt tránh thất thoát trong quá trình sấy khô
Nhà sấy được thiết kế chắc chắn với độ bền cao, đảm bảo hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện thời tiết mưa bão nhờ vào việc sử dụng nhựa mica chất lượng và khung thép vững chắc.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ sấy
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 được trang bị điện trở 5,1k, giúp việc kết nối và sử dụng trở nên dễ dàng hơn so với phiên bản chưa có chân Module này sử dụng giao tiếp 1 wire để lấy dữ liệu, cùng với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, mang lại dữ liệu chính xác mà không cần tính toán phức tạp Với thiết kế hoạt động ở mức điện áp 5VDC và giá thành hợp lý, DHT11 đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng của người dùng.
Thiết kế chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh Mô hình này tối ưu hóa quy trình sấy, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo quản chất lượng sản phẩm Với công nghệ hiện đại, máy sấy hoa quả năng lượng mặt trời không chỉ thân thiện với môi trường mà còn mang lại hiệu quả cao trong việc chế biến thực phẩm.
Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire.
Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)
Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)
Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)
Kích thước : 28mm x 12mm x10mm
Hình 2 18 Nguồn Adapter 12V4A DC5x2 1MM
Là nguồn chuyển đổi từAC 220V sang 12V DC.
Cấp nguồn cho các thiết bịThông sốkĩ thuật
Điện áp vào: AC110-240V (50-60Hz).
Điện áp ra: DC12V 4A-Đầu Jack DC 5.5x2.1MM.
Tương thích với các loại Jack DC: 5.5x2.1 or 5.5x2.5.
Loại Jack cắm: Loại tròn.
Hiện nay, thị trường có nhiều loại vi xử lý đa dạng, nhưng Arduino nổi bật nhờ vào những ưu điểm như giá thành phải chăng, dễ sử dụng, kích thước nhỏ gọn, cùng với nhiều thư viện hỗ trợ cho các module chức năng khác nhau và trình biên dịch dễ dàng.
Trong nghiên cứu này, tôi chọn sử dụng board mạch Arduino Uno R3, phiên bản cải tiến của dòng UNO với chip ATmega 328 Board mạch này nổi bật với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp và lập trình nhờ giao diện đơn giản, trực quan Ngoài ra, nó sử dụng chuẩn kết nối USB phổ biến, cho phép điều khiển và nạp chương trình mà không cần thông qua kit nạp, mang lại tính linh hoạt cao cho người sử dụng.
Arduino UNO R3 là một bo mạch vi điều khiển sử dụng chip Atmega328P, cung cấp 14 chân I/O digital, bao gồm 6 chân hỗ trợ xuất xung PWM Nó cũng có 6 chân đầu vào analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC và 1 nút reset.
Hình 2.19 - Sơ lược phần cứng của board Arduino Uno R3.
Board Arduino R3 có thông số kỹ thuật như sau:
Vi điều khiển : ATmega328 họ 8bit
Thiết kế chế tạo mô hình máy sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời có hệ thống điều khiển nhiệt độ sấy giúp tối ưu hóa quá trình sấy, bảo đảm chất lượng sản phẩm Mô hình này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn thân thiện với môi trường, góp phần vào việc phát triển bền vững Sử dụng năng lượng mặt trời là giải pháp hiệu quả cho việc sấy hoa quả, mang lại lợi ích kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm.
Điện áp vào khuyên dùng :7-12V DC
Điện áp vào giới hạn :6-20V DC
Số chân Digital I/O :14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog : 6(độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O :30 mA
Dòng ra tối đa (5V) :500 Ma
Dòng ra tối đa (3.3V) : 50 Ma
Bộ nhớ flash :32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Mạch 1 Relay KY-019 5VDC có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ được sử dụng để đóng ngắt thiết bị AC hoặc DC, mạch sử dụng điện áp 5VDC với chỉ 3 chân kết nối dễ dàng sử dụng Mạch 1 Relay KY-019 5VDC có tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO(thường mở) và COM(chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích
NC sẽnối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC.
Hình 2.20 - Mạch 1 Relay KY-019 5VDC
Điện áp sử dụng: 5VDC.
Tín hiệu kích: TTL 3.3~5VDC, mức cao High Relay đóng, mức thấp Low Relay ngắt.
Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất