HỆ THỐNG ĐIỀU HƢỚNG, GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG, GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện:

Họ và tên: Nguyễn Lương Tài MSSV: 105190261 Lớp: 19TDHCLC2 Họ và tên: Nguyễn Thanh Tẩn MSSV: 105190262 Lớp: 19TDHCLC2 Họ và tên: Lê Hoài Hiệp MSSV: 105190237 Lớp: 19TDHCLC2

Đà Nẵng, tháng 7/2023

Hệ thống điều hướng, quản lý và giám sát hệ thống năng lượng mặt trời

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Hai tấm pin NLMT với trục điều hướng, tài liệu kế thừa

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: a Phần chung:

- Thiết kế, thi công phần cứng hệ thống - Kiểm nghiệm kết quả

b Phần riêng:

- Lập trình chuyển đổi cơ sở dữ liệu Thực hiện làm Websever riêng cho hệ thống

- Tạo giao diện cho Websever - Lưu trữ dữ lên Google Sheets

- Lập trình, đưa ra các lưu đồ thuật toán

- Làm báo cáo thuyết minh

-Tìm hiểu về linh kiện, nội dung, yêu cầu, các giải pháp của đồ án

- Mua linh kiện

- Thực hiện kết nối các linh kiện trong dự án - vẽ các biểu đồ các giá trị dòng điện, điện áp, công suất

- Làm báo cáo thuyết minh

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

TS Trương Thị Bích Thanh

- Tư vấn giải pháp từ yêu cầu của đồ án - Tư vấn các yêu cầu cần thiết trong thuyết minh, báo cáo

ThS Trần Anh Tuấn

- Lập trình vi xử lí trong bộ MPPT để thu thập dữ liệu NLMT gửi đến ESP32 - Cài đặt chức năng thu thập, tính toán trong MPPT

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 29/03/2023 7 Ngày hoàn thành đồ án: 04/07/2023

PHIẾU KIỂM SOÁT TIẾN ĐỘ LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Phiếu dành cho người hướng dẫn/sinh viên)

Tên đề tài ĐATN: Thiết kế hệ thống giám sát và quản lí năng lượng mặt trời

Th.s Trần Anh Tuấn Đơn vị: Khoa Điện

ký tên đã thực hiện (%) tiếp tục thực hiện (%)

1 29/3/23 Nhận đề tài Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài 2 2/4/23 Tìm hiểu về các hệ thống năng

Lựa chọn thiết bị

Phương án thiết kế mạch điều khiển

6 30/4/23 Hoàn thành tính chọn thiết bị Đưa ra lưu đồ thuật toán điều khiển

10 27/5/23

Hoàn thành báo cáo chương 3 Tiếp tục hoàn thành mô hình mô phỏng thực nghiệm

Duyệt lần 3: Đánh giá khối lượng hoàn thành 85 % : Được tiếp tục làm ĐATN  Không tiếp tục thực hiện

13 17/6/23

Hoàn thành phần chạy chương trình trên mô hình và thiết kế google sheets

Đề xuất các phương án thu thập dữ liệu

Thí nghiệm để lấy dữ liệu

14 22/6/23

Hoàn thiện thiết kế google sheets và tiến hành thí nghiệm để lấy số liệu

So sánh tính hiệu quả của hai hệ thống NLMT Viết báo cáo chương 4, chỉnh sửa các góp ý báo cáo

Chuẩn bị slides báo cáo

- Chương 3: THIẾT KẾ ,THI CÔNG HỆ THỐNG

Trình bày tổng quan các yêu cầu của đề tài bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hai hệ thống NLMT, tính chọn các thiết bị với thông số phù hợp ,lập trình trên

các phần mềm

- Chương 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT , ĐÁNH GIÁ

Trình bày kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh trên màng hình, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu

- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu.Hướng phát triển của đề tài sau này trong quá trình nghiên cứu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, thủy điện và nhiệt điện là hai nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam Bên cạnh đó nguồn năng lượng sơ cấp hóa thạch đang dần cạn kiệt, việc sử dụng chúng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường Vì vậy, việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng sạch là một vấn đề rất cần thiết, một trong các nguồn năng lượng sạch đó là NLMT

Phương pháp chuyển đổi quang năng thành điện năng (PV conversion) bằng những tấm pin NLMT không phải là một vấn đề mới, nhưng những phương pháp làm tăng hiệu suất chuyển đổi của nhũng tấm pin NLMT luôn là một trong những vấn đề được các nhóm nghiên cứu trong trường học, doanh nghiệp trên toàn thế giới quan tâm

Với mong muốn nâng cao hiệu suất chuyển đổi PV của những tấm pin và giám sát dữ liệu của hệ thống NLMT để áp dụng vào thực tế sản xuất và đời sống Vì vậy,

quản lý năng lượng mặt trời”

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tiễn cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức đã học, được kế thừa, phát huy từ những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Em xin chân thành cảm ơn:

Thầy (cô) hướng dẫn: TS Trương Thị Bích Thanh và Th.s Trần Anh Tuấn

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2023 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lương Tài Nguyễn Thanh Tẩn Lê Hoài Hiệp

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp đã thực hiện nghiêm túc các quy định về liêm chính học thuật, không gian lận, giả mạo hồ sơ học thuật, sử dụng sản phẩm học thuật của người khác có trích dẫn nguồn gốc rõ ràng

Đồ án tốt nghiệp “Hệ thống điều hướng, giám sát và quản lý năng lượng mặt trời”

là kết quả tìm tòi, nghiên cứu của cả nhóm dưới sự hướng dẫn của cô TS Trương Thị Bích Thanh và thầy Th.s Trần Anh Tuấn Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực, các thông tin trích dẫn trong đồ án được chỉ rõ nguồn gốc và được phép công bố

Chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước bộ môn, khoa và nhà trường về sự cam đoan này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lương Tài Nguyễn Thanh Tẩn Lê Hoài Hiệp

1.1 Điều kiện khai thác NLMT ở Việt Nam 1

1.2 Các phương pháp để tối ưu hiệu suất PV 1

Để tối ưu được hiệu suất chuyển đổi quang điện của tấm pin NLMT, ta có các 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 3

2.2.1 Sự chuyển động của Mặt Trời 9

2.2.2 Hệ tọa độ để xác định 1 thiên thể trong không gian 10

2.2.9 Góc điều khiền của hệ thống 14

2.3 Ứng dụng IoT cho hệ thống pin NLMT 15

2.4 Giới thiệu về phần cứng 16

2.5 Giới thiệu về phần mềm 17

2.5.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 17

2.5.2 Phần mềm trang tính Google Sheet 22

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 27

3.1 Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của hệ thống 27

3.1.1 Hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực 27

3.1.2 Hệ thống pin NLMT lắp cố định theo phương pháp truyền thống 28

3.2 Chức năng và tính chọn của các phần tử trong hệ thống 29

3.2.11 R load (Tải tiêu thụ) 40

3.3 Lập trình cho vi điều khiển 41

3.3.1 Lập trình cho vi điều khiển node MCU Esp8266 41

3.3.2 Lập trình cho vi điều khiển ESP 32 và phần mềm Google Sheet 41

3.4 Giao diện lưu trữ kết quả đo đạc hiển thị trên trang tính Google Sheet 42

3.5 Kết luận 43

Chương 4 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT ,ĐÁNH GIÁ 44

4.1 Mô hình thực tế 44

4.2 Kết quả so sánh 46

4.2.1 Kết quả thu thập NLMT ngày nắng to 48

4.2.2 Kết quả thu thập NLMT ngày âm u,nhiều mây 52

4.2.3 Kết quả thu thập NLMT cả 1 ngày trời nắng to 54

4.3 Nhận xét , đánh giá 55 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1 1 Bức xạ NLMT ở Việt Nam 1

Hình 1 2 So sánh sơ lược về hiệu quả của hệ thống điều hướng pin NLMT so với phương pháp lắp đặt truyền thống 2

Hình 2 1 Cấu trúc chung của hệ thống NLMT 4

Hình 2 2 Hệ thống HSAT 4MW ở Vellakoil, Tamil Nadu, Ấn Đ 5

Hình 2 3 Hệ thống HTSAT ở Xitieshan, Trung Quốc 5

Hình 2 4 Hệ thống TSAT ở Siziwangqi, Trung Quốc 6

Hình 2 5 Hệ thống TTDAT ở Siziwangqi, Trung Quốc 7

Hình 2 6 Hệ thống AADAT ở Toledo, Tây Ban Nha 7

Hình 2 7 Hoạt động biểu kiến của Mặt Trời 9

Hình 2 8 Hệ tọa độ Altitude – Azimuth để xác định vị trí một thiên thể trong không gian 10

Hình 3 2 Sơ đồ khối hệ thống pin NLMT lắp cố định theo phương pháp truyền thống 27 Hình 3 3 Thông số kĩ thuật của pin NLMT Cheetah sử dụng trong hệ thống Error!

Bookmark not defined.28

Hình 3 4 Ắc quy 12V-100Ah Error! Bookmark not defined

Hình 3 6 Kit node MCU Esp8266 Error! Bookmark not defined Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý kit node MCU Esp8266 Error! Bookmark not defined

Hình 3 8 Catalogue xy lanh điện sử dụng trong hệ thống 34

Hình 3 9 Module RTC DS1307 35

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý RTC DS1307 36

Hình 3.11 MPU6050 37

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MPU6050 37

Hình 3.13 Mạch MPPT đã được cải tiến kit ESP32 thu phát dữ liệu không dây 38

Hình 3.14 Tải tiêu thụ 39

Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán vi xử lý trung tâm node MCU Esp8266 40

Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán truyền nhận và hiển thị dữ liệu công suất, dòng điện ,điện áp của tấm pin PV lên màn hình máy tính 41

Hình 3.17 Giao diện lưu trữ kết quả đo dữ liệu hệ thống pin NLMT hiển thị lên trên trang tính Google Sheet 42

Hình 4.1 Sản phẩn nhìn từ phía trước pin NLMT điều hướng 43

Hình 4.2 Mạch điều khiển hệ thống điều hướng pin NLMT 44

Hình 4.3 Sản phẩm nhìn từ phía trước pin NLMT lắp theo phương pháp truyền thống với giá đỡ nghiêng một góc 780 44

Hình 4.4 Mạch truyền thông công suất đã được gắn thêm module ESP-32 45

Hình 4.5 Thiết lập thí nghiệm để kiểm định hiệu quả của phương pháp điều hướng 1 trục theo thời gian thực và phương pháp lắp đặt truyền thống nhìn từ phía trước 46

Hình 4.6Thiết lập thí nghiệm để kiểm định hiệu quả của phương pháp điều hướng 1 trục theo thời gian thực và phương pháp lắp đặt truyền thống nhìn từ phía sau 46

Hình 4.7 File thu thập số liệu công suất (P), điện áp (V), dòng điện (I) của pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực (điều hướng) và pin NLMTcố định kiểu truyền thống (cố định) 47 Hình 4.8 Biểu đồ so sánh công suất nhận được giữa phương pháp lắp đặt hệ thống pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực và pin NLMTcố định kiểu truyền

Hình 4.9File thu thập số liệu công suất (P), điện áp (V) ,dòng điện (I) của pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực (điều hướng) và pin NLMT cố định kiểu truyền thống (cố định)

49 Hình 4.10 Biểu đồ so sánh công suất nhận được giữa phương pháp lắp đặt hệ thốngpin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực và pin NLMTcố định kiểu truyền thống từ 10h30’ 11h30’ (W) (Điều kiện thời tiết: trời nắng to) 49 Hình 4.11 File thu thập số liệu công suất (P), điện áp (V) ,dòng điện (I) của pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực (điều hướng) và pin NLMT cố định từ lúc 14h 15h (Điều kiện thời tiết: trời nắng to) 50 Hình 4.12 Biểu đồ so sánh công suất nhận được giữa phương pháp lắp đặt hệ thống pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực và pin NLMT cố định kiểu truyền thống từ 14h 15h (W) (Điều kiện thời tiết: trời nắng to) 51 Hình 4.13 File thu thập số liệu công suất (P), điện áp (V) ,dòng điện (I) của pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực (điều hướng) và pin NLMT cố định từ lúc 10h30’ 11h (Điều kiện thời tiết: trời âm u, nhiều mây) 52 Hình 4.14 Biểu đồ so sánh công suất nhận được giữa phương pháp lắp đặt hệ thống pin NLMT điều hướng 1 trục theo thời gian thực và pin NLMT cố định kiểu truyền thống từ 10h30’ 11h (Điều kiện thời tiết: trời âm u, nhiều mây) 52 Hình 4.15 Biểu đồ so sánh công suất nhận được giữa phương pháp lắp đặt hệ thống pin NLMT điều hướng và pin NLMT cố định 8h30’ 16h (W) (Điều kiện thời tiết: trời nắng to cả ngày) 53 Hình 4.16 Biểu đồ so sánh công suất nhận thêm của hệ thống pin NLMT điều hướng

ngày ) 53

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Điều kiện khai thác NLMT ở Việt Nam

Với ưu điểm là sẵn có, thân thiện với môi trường và đặc biệt là không bao giờ bị cạn kiệt, NLMT đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang dần bị cạn kiệt trên Trái Đất Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng BXMT hàng năm thuộc top những nước có BXMT hàng năm cao nhất trên thế giới (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 và sử dụng NLMT tại Việt Nam là rất khả thi [1]

Hình 1.1 Bức xạ NLMT ở Việt Nam

1.2 Các phương pháp để tối ưu hiệu suất PV

Để tối ưu được hiệu suất chuyển đổi quang điện của tấm pin NLMT, ta có các phương pháp sau:

• Sử dụng bộ MPPT để bắt điểm công suất cực đại • Giảm nhiệt độ làm việc của tấm pin NLMT

• Kiểm tra và vệ sinh bề mặt của tấm pin NLMT định kỳ • Sử dụng hệ thống điều hướng pin NLMT

Với phương pháp điều hướng pin NLMT, pin NLMT chỉ đạt được hiệu suất cao nhất khi ánh sáng Mặt Trời hợp với bề mặt tấm pin NLMT một góc 90o Tuy nhiên, các hệ thống pin NLMT hiện nay thường được lắp cố định khiến cho hiệu suất chuyển đổi PV không cao Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin NLMT ở mức cao nhất, giảipháp được đưa ra là thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động thay đổi hướng nhận BXMT theo hệ kinh độ, vĩ độ của từng địa phương, cộng với thời gian UTC của từng địa phương ta tính được vị trí của Mặt Trời theo thời gian UTC của địa phương đó, từ đó tính toán được góc quay của hệ thống điều hướng để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi PV của các tấm pin NLMT là lớn nhất

Hình 1 2 So sánh sơ lược về hiệu quả của hệ thống điều hướng pin NLMT so với phương

pháp lắp đặt truyền thống

Dựa vào Hình 1.2, ta thấy rằng để cùng thu được một lượng BXMT, hệ thống pin NLMT không được điều hướng phải cần một diện tích tấm pin lớn hơn so với hệ thống pin NLMT được điều hướng

1.3 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài tập trung vào 2 vấn đề chính sau:

• Trên cơ sở kết quả tấm pin mặt trời đã được thiết lập trước đó, đề tài của nhóm đưa ra so sánh tính hiệu quả giữa hệ thống điều hướng 1 trục pin NLMT và hệ thống lắp đặt cố định pin NLMT theo phương pháp truyền thống

• Đề tài thực phát triển thêm tính năng giám sát và quản lý năng lượng từ xa thông qua internet

1.4 Nội dung nghiên cứu

• Tìm hiểu, xây dựng công thức để tính toán vị trí của Mặt Trời theo thời gian thực trong từng ngày Từ đó tính toán góc quay của hệ thống điều hướng sao cho phù hợp

• Tìm hiểu các phương pháp để điều hướng tấm pin NLMT, từ đó lựa chọn phương án tối ưu…

• Chế tạo hệ thống khung giàn, giá đỡ, cơ cấu quay cho hệ thống

• Chế tạo hệ thống điều hướng theo các lý thuyết đã tìm hiếu Sử dụng vi xử lý để tính toán, giám sát góc quay của hệ thống

• Sử dụng xy lanh điện để truyền động cho hệ thống

• Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IOT để thu thập số liệu điện áp, dòng, công suất…của tấm pin NLMT

• Lưu trữ kết quả thí nghiệm vào Excel

• Vẽ đồ thị, so sánh sự khác nhau giữa phương pháp điều hướng 1 trục và phương pháp lắp đặt kiểu truyền thống pin NLMT

- Chương 3: THIẾT KẾ ,THI CÔNG HỆ THỐNG

Trình bày tổng quan các yêu cầu của đề tài bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hai hệ thống NLMT, tính chọn các thiết bị với thông số phù hợp, lập trình trên

các phần mềm

- Chương 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT , ĐÁNH GIÁ

Trình bày kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh trên màng hình, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu

- Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu Hướng phát triển của đề tài sau này trong quá trình nghiên cứu

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG NLMT

Giới thiệu khái quát cấu trúc chung của hệ thống NLMT

Cấu trúc chung hệ thống NLMT bao gồm các khối phần tử cơ bản như sau: Pin

mặt trời, bộ điều khiển sạc, hệ dự trữ, Nhằm mục đích chuyển hóa nguồn năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sử dụng của con người

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống NLMT

Từ sơ đồ cấu trúc trên, phần nội dung chúng em sẽ thực hiện bao gồm: Hệ thống điều hướng, Hệ thống giám soát thông số, quản lý năng lượng từ xa thông qua internet và các phần tử trong đề tài sẽ được trình bày ở phần 3.3

2.1 Chọn số trục điều hướng và phương pháp bám Mặt Trời

Phần quan trọng nhất trong việc điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời là điều hướng trục tấm pin Trước khi thực hiện điều hướng chúng ta tìm hiểu về số trục của hệ thống, được biết đến có thể là 1 trục hoặc 2 trục (một số công nghệ mới có thể là 1,5 trục)

2.1.1 Hệ thống điều hướng 1 trục

Phân loại các loại điều hướng 1 trục: [2]

• Điều hướng theo trục ngang (HSAT – Horizontal single axis trackers): Trục quay của hệ thống điều khiển sẽ nằm song song mặt đất Thích hợp cho những vùng có vĩ độ thấp (Hình 2.1)

Hình 2.2 Hệ thống HSAT 4MW ở Vellakoil, Tamil Nadu, Ấn Độ

• Điều hướng theo trục ngang với module nghiêng (HTSAT – Horizontal single axis trackers with tilted modules (Hình 2.2)

Hình 2 3 Hệ tống HTSAT ở Xitieshan, Trung Quốc

• Điều hướng theo trục dọc (VSAT – Vertical single axis trackers): Trục quay của hệ thống sẽ nằm vuông góc với mặt đất Thích hợp cho những vùng có vĩ độ cao

• Điều hướng theo trục xiên (TSAT – Tilted single axis trackers): Trục quay của hệ thống sẽ nằm xiên 1 góc so với mặt đất (Hình 2.3)

Hình 2.4 Hệ thống TSAT ở Siziwangqi, Trung Quốc

• Điều hướng theo trục Trái Đất (PSAT – Polar single axis tracker) Trục quay của hệ thống điều hướng sẽ nằm song song với trục quay của Trái Đất, đây là phương pháp điều khiển cho các kính viễn vọng

• Đối với các phương pháp VSAT, TSAT, PSAT, trục xoay có thể trục Bắc – Nam, Đông – Tây, thậm chí là trục xoay của Trái Đất

2.1.2 Hệ thống điều hướng 2 trục

Có 2 phương pháp điều hướng 2 trục phổ biến: [2]

• Hệ thống điều hướng Tip - Tilt (TTDAT – Tip – Tilt dual axis trackers): Hệ thống có 1 trục quay nằm song song với trục Bắc – Nam của thực địa, tại đỉnh của hệ thống gắn tấm pin có một cơ cấu chữ T hoặc chữ H, cơ cấu này giúp thay đổi góc nhập xạ của tấm pin (Hình 2.4)

Hình 2.5 Hệ thống TTDAT ở Siziwangqi, Trung Quốc

• Hệ thống điều hướng Azimuth - Altitude (AADAT – Azimuth - Altitude dual axis trackers): Hệ thống có 2 trục quay theo 2 góc Azimuth và Altitude (Hình 2.5)

• Hệ thống điều hướng Azimuth - Altitude (AADAT – Azimuth - Altitude dual axis trackers): Hệ thống có 2 trục quay theo 2 góc Azimuth và Altitude (Hình 2.5)

Hình 2 6 Hệ thống AADAT ở Toledo, Tây Ban Nha

2.1.3 Đánh giá hiệu quả của 2 phương pháp điều hướng, lựa chọn phương án thích hợp

Phương pháp điều hướng 1 trục thường có trục xoay trùng với trục Bắc – Nam của thực địa, phương pháp này có những ưu điểm sau:

• Độ tin cậy cao • Tuổi thọ cao

• Có giá thành lắp đặt và vận hành ít hơn so với phương pháp điều hướng 2 trục do có ít cơ cấu cơ khí và điều khiển

• Có hiệu quả lớn hơn phương pháp lắp đặt truyền thống lên đến 32,17% • Hệ thống lắp đặt theo phương pháp này bám Mặt Trời từ lúc Mặt Trời

mọc (ở phía Đông) đến lúc Mặt Trời lặn (ở phía Tây), cung cấp sản lượng điện một cách ổn định cả ngày

• Tạo ra thêm 15 – 16% lượng điện năng hằng năm so với phương pháp truyền thống nếu xét 1 hệ thống pin NLMT có cùng dung lượng

• Tỷ lệ mật độ tấm pin NLMT trên từng km2

của phương pháp là cao nhất • Thời gian hoàn vốn ngắn cho các khoản đầu tư vào hệ thống NLMT và

lợi nhuận ròng hằng năm tang đáng kể

Tuy nhiên phương pháp điều hướng 1 trục cũng có những nhược điểm sau: • Sản lượng điện năng thu được ít hơn so với phương pháp điều hướng 2

trục

• Sự giới hạn trong nâng cấp công nghệ

Phương pháp điều hướng 2 trục TTDAT hay AADAT có những ưu điểm sau đây:

• Cung cấp sản lượng điện liên tục và ổn định trong ngày

• Cung cấp giải pháp hợp lý trong trường hợp dung lượng nguồn phát của lưới bị hạn chế

• Không gian lắp đặt nhỏ, cung cấp không gian cho các mục đích khác • Cung cấp điện năng hàng năm nhiều hơn 45 – 50% so với phương pháp

lắp đặt truyền thống nếu xét 1 hệ thống pin NLMT có cùng dung lượng Mặc khác phương pháp điều hướng 2 trục cũng có những nhược điểm:

• Hệ thống có độ phức tạp về kĩ thuật cao hơn, khiến chúng có khả năng dễ bị trục trặc

• Hệ thống có tuổi thọ và độ tin cậy thấp

• Hiệu suất làm việc trong điều kiện thời tiết nhiều mây thấp

• Thời gian hoàn vốn ngắn nhưng sẽ dài hơn phương pháp điều hướng 1 trục

Từ những ưu nhược điểm của 2 phương pháp điều hướng, chúng em sử dụng phương pháp điều hướng 1 trục cho thiết kế của mình

2.1.4 Chọn phương pháp bám Mặt Trời

Các phương pháp thường được sử dụng để bám Mặt Trời là: • Dùng cảm biến quang

• Dùng camera

• Dùng tấm cảm quang phụ BIFACIAL • Dựa trên địa lí, thời gian thực

• Kết hợp giữa nhiều phương pháp

Chúng em sử dụng phương pháp dựa trên địa lí, thời gian thực để có độ tin cậy cao

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều hướng tấm pin NLMT 1 trục theo thời gian thực [3]

2.2.1 Sự chuyển động của Mặt Trời

Chuyển động biểu kiến của Mặt Trời được tạo nên bởi Trái Đất tự quay quanh mình nó và nghiêng trục Trái Đất, làm thay đổi góc tới của các tia sáng Mặt Trời Từ một vị trí cố định trên Trái Đất, Mặt Trời xuất hiện và di chuyển khắp bầu trời Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời phụ thuộc vào điểm ta nhìn trên Trái Đất, thời gian trong ngày, ngày trong năm Chuyển động biểu kiến này được thể hiện ở hình dưới đây

Hình 2.7 Hoạt động biểu kiến của Mặt Trời

Chuyển động biểu kiến này có tác động lớn đến lượng điện năng ta thu được vào pin năng lượng Mặt Trời Khi tia sáng Mặt Trời chiếu vuông góc với bề mặt hấp thụ, hiệu suất hấp thu trên bề mặt pin là lớn nhất Tuy nhiên, khi góc giữa tia sáng và bề mặt hấp thụ giảm xuống thì hiệu suất hấp thu cũng giảm xuống Khi bề mặt hấp thụ song song với tia sáng thì hiệu suất gần như bằng 0 Với những góc trung gian còn lại, thì hiệu suất được phụ thuộc vào cos (θ), với θ là góc tới của tia sáng

Góc tới của tia sáng tới một vị trí cố định trên Trái Đất phụ thuộc vào từng địa điểm cụ thể (vĩ độ của điểm đó), thời gian trong ngày, thời gian trong năm Ngoài ra thời điểm Mặt Trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ của điểm đó Vì vậy, để xác định góc tới của Mặt Trời tới một vị trí cố định trên Trái Đất đòi hỏi có vĩ độ, kinh độ, thời gian trong ngày và ngày trong năm

2.2.2 Hệ tọa độ để xác định 1 thiên thể trong không gian

Để xác định 1 thiên thể trong không gian, ta sử dụng hệ tọa độ gồm 2 góc: góc nhập xạ (α) (altitude) và góc phương vị (azimuth) (β)

Hình 2.8 Hệ tọa độ Altitude – Azimuth để xác định vị trí một thiên thể trong không gian

2.2.3 Vĩ độ (Latitude) (Φ)

Vĩ độ (Hình 2.8) là góc tạo bởi mặt phẳng xích đạo và đoạn thẳng nối liền tâm Trái Đất và vị trí đang cần xác

định kinh độ

Vĩ độ sẽ có giá trị dương khi vị trí đang cần xác định ở bán cầu Bắc và sẽ có giá trị dương nếu vị trí đang cần xác định ở bán cầu Nam

Hình 2.9 Cách xác định vĩ độ

2.3.4 Kinh độ (Longtitude) (λ)

Kinh độ (Hình 2.9) là góc tạo bởi đoạn thẳng nối liền tâm Trái Đất và địa điểm cần xác định với mặt phẳng tạo bởi tâm Trái Đất và đường kinh tuyến gốc (00) Kinh độ sẽ có giá trị nằm trong khoảng 00 – 1800 ở phía Đông và có giá trị nằm trong khoảng 00 – (-1800) ở phía Tây

Hình 2.10 Cách xác định kinh độ

2.2.5 Xích vĩ độ (Declination angle) (δ)

Xích vĩ độ (Hình 2.10) là vĩ độ mà tại đó Mặt Trời chiếu xuống vuông góc với mặt đất Xích vĩ độ được kí hiệu là δ, góc này thay đổi theo mùa do độ nghiêng của trục Trái Đất và do sự quay quanh Mặt Trời của nó Nếu trục quay của Trái Đất không nghiêng thì góc này luôn bằng 00, tuy nhiên do Trái Đất nghiêng 23,450, xích vĩ độ này thay đổi trong năm, cộng hoặc trừ đi giá trị này Chỉ có vào ngày xuân phân và thu phân, xích vĩ độ này mới bằng 00 Vào ngày hạ chí, Mặt Trời chiếu vuông góc tại chí tuyến bắc (23.450) và ngày đông chí, Mặt Trời chiếu vuông góc tại chí tuyến nam (-23.450) Vòng

quay của Trái Đất quanh Mặt Trời và sự thay đổi của góc nghiêng này được thể hiện ở hình dưới đây

Hình 2.11 Sự thay đổi xích vĩ độ trong năm

• d là số thứ tự ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1, d = 1

Xích vĩ độ này bằng 0o tại các ngày xuân phân và thu phân (22.3 và 23.9), tăng dần từ 0o trong mùa hè ở bán cầu bắc và giảm dần trong mùa đông của bán cầu nam Giá trị lớn nhất đạt 23,45o vào ngày 22 tháng 6 (mùa hè tại bán cầu bắc) và nhỏ nhất đạt (– 23,45o

) vào ngày 22 tháng 12 (mùa hè tại bán cầu nam)

Zay theo trục Bắc – Nam của Trái Đất để đưa vị trí cần xác định đến lúc vào giữa

trưa (lúc Mặt Trời lên cao nhất) Với mỗi giờ trước lúc Mặt Trời ở vị trí cao nhất, góc này mang trị âm 15o; với mỗi giờ sau lúc Mặt Trời ở vị trí cao nhất và mang giá trị dương 15o Góc giờ được tính theo công thức (2.2)

ω = 15o (Thời gian hiện tại theo UTC- Thời gian Mặt Trời ở vị trí cao nhất theo UTC) (2.2)

Để giải quyết vấn đề tôi sử dụng giải thuật sau đây của Nautical Almanac Office United States Naval Observatory Washington [4] để tính ra thời gian Mặt

Trời mọc và thời gian Mặt Trời lặn trong ngày, sau đó lấy thời gian Mặt Trời lặn trừ cho thời gian Mặt Trời mọc tôi sẽ thu được độ dày ngày hiện tại, lấy độ dài ngày này chia đôi, tôi sẽ được thời gian Mặt Trời ở vị trí cao nhất, sau đó tính toán giờ thời gian theo định nghĩa của nó

2.2.7 Góc nhập xạ (α) (Altitude)

Góc nhập xạ (α) (Hình 2.11) tại một điểm A trên Trái Đất là góc được tạo ra bởi các tia tới của ánh sáng Mặt Trời hợp với mặt phẳng chân trời của điểm A Ta còn có thể hiểu đơn giản: góc nhập xạ tại một điểm là góc tạo bởi tia sáng Mặt Trời với tiếp tuyến của Trái Đất tại điểm đó, xét trong cùng mặt phẳng Góc nhập xạ này bằng 0o lúc Mặt Trời mọc và đạt tối đa khi Mặt Trời lên đỉnh đầu vào giữa trưa Góc nhập xạ này thay đổi liên tục trong ngày, nó phụ thuộc vào vĩ độ của địa điểm cụ thể và các ngày trong năm

2.2.8 Góc phương vị (Azimuth) (β)

Góc phương vị (β) (Hình 2.12) là hướng la bàn mà từ đó ánh nắng Mặt Trời chiếu tới Vào giữa trưa, Mặt Trời luôn ở chính nam tại Bắc bán cầu và chính bắc tại

Nam bán cầu Góc phương vị luôn thay đổi trong ngày, vào ngày xuân phân và thu phân, Mặt Trời luôn mọc chính đông và lặn chính tây tại bất kì vị trí nào trên Trái Đất, do đó góc phương vị là 90o lúc mọc và 270o lúc lặn Tuy nhiên do Trái Đất nghiêng trục quay quanh nó nên, góc phương vị này thay đổi theo từng vĩ độ trên Trái Đất và vào từng thời điểm khác nhau trong năm

với

2.2.9 Góc điều khiền của hệ thống

Giả sử góc nghiêng cần điều khiển (μ) là góc như hình dưới đây Từ các công thức (2.1), (2.2), (2.3), (2.4), góc nghiêng μ sẽ được tính toán theo công thức (2.5):

Hình 2.14 Góc điều khiển của hệ thống

2.3 Ứng dụng IoT cho hệ thống pin NLMT

Hiện nay các ứng dụng IoT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực,trong đó có có ngành sản xuất năng lƣợng điện NLMT Ứng dụng IoT cho hệ thống NLMT trong việc giám soát và quản lý dữ liệu góp phần mang lại hiệu quả cao,nâng cao tính chuyên nghiệp trong kiểm tra đánh giá chất lƣợng hệ thống

Hình 2.15 Minh họa về ứng dụng IoT cho hệ thống pin NLMT

2.4 Giới thiệu về phần cứng

Chúng em sẽ sử dụng các linh kiện, module chức năng để thực hiện đề tài Nội dung bao gồm các phần: Pin NLMT, ắc quy, node MCU esp8266, mạch cầu H (H bridge), xy lanh điện, cảm biến góc MPU 6050, module thời gian thực RTC DS1307, mạch MPPT và giao thức truyền tín hiệu không dây wifi Tất cả đƣợc trình bày trong

phần chức năng và tính chọn của các phần tử trong hệ thống (phần 3.3)

2.5 Giới thiệu về phần mềm

2.5.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE

Để lập trình được cho các board Arduino, cần phải có một công cụ gọi là Intergrated Development Environment (IDE) Công cụ này được đội ngũ kỹ sư của Arduino phát triển và có thể chạy trên Windows, MacOS và Linux

a Cài đặt phần mềm

Bước 1: Truy cập địa chỉ http://arduino.cc/en/Main/Software/ Đây là nơi lưu trữ

cũng như cập nhật các bản IDE của Arduino Bấm vào mục Windows ZIP file như hình minh họa

Bạn sẽ được chuyển đến một trang mời quyền góp tiền để phát triển phần mềm cho Arduino, tiếp tục bấm JUST DOWNLOAD để bắt đầu tải

Bước 2: Sau khi dowload xong, chúng ta tiến hành giải nén

Bước 3: Copy thư mục arduino-ide_2.1.0 vừa giải nén đến nơi lưu trữ

Bước 4: Chạy file Arduino IDE.exe trong thư mục arduino-ide_2.1.0 để khởi động

Arduino IDE

- Cài đặt Drive

Để máy tính của bạn và board Arduino giao tiếp được với nhau, chúng ta cần phải cài đặt driver trước tiên

Đầu tiên, chúng ta chạy file: arduino-2.1.0\drivers\dpinst-x86.exe (Windows x86) hoặc arduino-2.1.0\drivers\dpinst-amd64.exe (Windows x64)

Cửa sổ “Device Driver Installation Wizard” hiện ra, chúng ta chọn Next để tiếp tục

Khi có yêu cầu xác nhận cài đặt driver, chọn “Install”

Khi quá trình cài đặt đã hoàn tất Bấm “Finish” để thoát

- Giao diện cơ bản

 Vùng lệnh

Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help) Phía dưới là các

icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE được miêu tả như sau:

 Vùng viết chương trình

Bạn sẽ viết các đoạn mã của mình tại đây Tên chương trình của bạn được hiển

thị ngay dưới dãy các Icon, ở đây nó tên là “sketch_jun23b” Để ý rằng phía sau tên chương trình có chữ “ino” Điều đó có nghĩa là đoạn chương trình của bạn chưa được

lưu lại

 Vùng thông báo (debug)

Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây Để ý rằng góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổng COM được sử dụng Luôn chú ý tới mục này bởi nếu chọn sai loại board hoặc cổng COM, bạn sẽ không thể upload được code của mình

- Cấu hình chương trình khi nạp vào board Arduino

Bước 1: Vào menu Tools-> Board -> chọn Board Arduino mà chúng ta lập trình

Bước 2: Vào menu Tools-> Serial Port -> chọn cổng Arduino đang kết nối với máy tính

Sau khi cấu hình xong các bước cơ bản thì chúng ta có thể nạp code vào board arduino

2.5.2 Phần mềm trang tính Google Sheet

Các bước tiến hành :

Bước 1: Truy cập vào Drive, đăng nhập tài khoản (Google) và click chọn tạo google trang tính mới

Bước 2: Tạo tên mới cho Google Sheet tùy ý, như mình tạo tên esp32

Bước 3: Chọn tiện ích mở rộng -> Apps script

Sau khi thực hiện các câu lệnh trên thì trên màn hình sẽ hiện như sau:

Ta tiếp tục đặt tên cho dự án và viết code chương trình

Bước 4: Tiếp đến ta triển khai chương trình

- Sau khi triển khai ta đƣợc các mã lệnh code để gán arduino

Bước 5: Cuối cùng ta gán dòng lệnh code đó vào arduino ide và ta chạy chương trình