Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời bằng PLC S7-1200

Chương 1: TỔNG QUAN GVHD: Nguyễn Văn Trung 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc áp dụng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển và theo dõi hệ thống, T

Tổng quan

Giới thiệu

Trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng năng lượng tăng cao của các nước trên thế giới và Việt Nam, làm ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế và xã hội Các nguồn năng lượng truyền thống đang bị khai thác quá mức và có xu hướng cạn kiệt dẫn tới chi phí nguyên liệu ngày càng tăng Năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô hạn mà nhiều quốc gia đang khai thác để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới Có vĩ độ từ 8°27’-23°23’ Bắc, có tiềm năng rất lớn về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng.Theo Quy hoạch điện VIII giai đoạn 2021-2030, cơ cấu nguồn điện mặt trời 12.836 MW (8,5%, không bao gồm điện mặt trời mái nhà hiện hữu), gồm các nguồn điện mặt trời tập trung 10.236 MW, nguồn điện mặt trời tự sản, tự tiêu khoảng 2.600 MW Nguồn điện mặt trời tự sản, tự tiêu được ưu tiên phát triển không giới hạn công suất Đến năm 2050, công suất và sản lượng điện mặt trời 168.594 -189.294 MW (33,0 - 34,4%) [2]

NLTT đang được chú trọng và phát triển mạnh, nhiều dự án nhà máy điện NLMT lớn đã và đang được triển khai Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp nâng cao năng suất các hệ thống điện mặt trời (ĐMT) nhằm mục đích tiết kiệm chi phí đầu tư và tài nguyên vật liệu, tài nguyên đất đai,… là một vấn đề quan trọng và cấp thiết

Có một số phương pháp để tăng năng suất các hệ thống ĐMT Một trong số đó là việc phủ silic dioxit lên bề mặt pin, silic dioxit tạo ra một lớp phủ giống như một tấm cách nhiệt, giúp giảm nhiệt độ và kéo dài tuổi thọ của pin khi hoạt động ngoài trời Phương pháp này chỉ tăng hiệu suất một cách nhỏ, khoảng 2 - 3% Một phương pháp khác là sử dụng vật liệu composite hybrid, giúp pin hấp thụ các tia hồng ngoại và chuyển đổi chúng thành điện năng Phương pháp này có thể tăng hiệu suất lên đến 30%, tuy nhiên vẫn cần thêm nghiên cứu về độ an toàn và tuổi thọ của vật liệu này

Hệ thống điều khiển pin mặt trời, phương pháp này giúp pin luôn tiếp nhận ánh sáng mạnh nhất từ mặt trời và đạt công suất đỉnh Đây là giải pháp giúp thu được lượng điện tối đa trong ngày được ứng dụng thành công tại nhiều nơi trên thế giới

Chương 1: TỔNG QUAN GVHD: Nguyễn Văn Trung

Hiện nay, trên toàn thế giới có nhiều dự án điện mặt trời sử dụng công nghệ điều hướng pin mặt trời đã đi vào hoạt động Một số dự án đáng chú ý bao gồm Dự án Solar Star tại California, Hoa Kỳ, với tổng công suất hơn 570 MW, Dự án Longyangxia Dam Solar Park ở Trung Quốc, có tổng công suất khoảng 850 MW Dự án Noor Solar Complex ở Maroc Dự án Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park ở Các Tiểu Vương quốc Arab Thống nhất Dự án Kamuthi Solar Power Project ở Ấn Độ Những dự án này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất sản xuất năng lượng mặt trời mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo toàn cầu

Hiện tại, việc triển khai hệ thống điều hướng pin mặt trời tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, chưa được ứng dụng vào các dự án lớn Để hiểu rõ và giúp phương pháp này phổ biến hơn, chúng tôi đã xây dựng một mô hình có khả năng điều hướng pin năng lượng mặt trời với bộ điều khiển chính là PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC

Lý do chọn đề tài

Phương pháp tracking, điều hướng tấm pin năng lượng mặt giúp tăng sản lượng điện Với cùng một diện tích lắp đặt so với các hệ thống pin tĩnh, phương pháp này sẽ thu được lượng điện lớn hơn từ đó giúp các dự án nhanh hoàn vốn và tối ưu hóa về điện tích khi thiết kế hệ thống Hệ thống solar tracking không chỉ giúp khắc phục nhược điểm của việc lắp đặt pin mặt trời truyền thống mà còn tạo ra một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả hơn cho tương lai

Hệ thống này sẽ dùng PLC làm bộ điều khiển chính, đây là một trong những thiết bị điều khiển có độ tin cao Sự ổn định của PLC này trong môi trường khắc nghiệt của các hệ thống năng lượng mặt trời là một điểm mạnh lớn Khả năng tích hợp dễ dàng giữa PLC và các thiết bị linh hoạt và hiệu quả Việc sử dụng PLC Siemens S7-

1200 giúp tạo ra các giải pháp tiêu chuẩn hóa và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống, tối ưu hóa quá trình triển khai

Nội dung nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc áp dụng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển và theo dõi hệ thống, Thiết kế xây dựng mô hình điều hướng pin năng lượng mặt trời, tìm hiểu phương thức giao tiếp của động cơ để điều chỉnh vị trí của tấm pin NLMT Nghiên cứu về cách lập trình và cấu hình PLC để điều khiển hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời

Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu này có thể bao gồm:

Thuật toán điều khiển: Xây dựng thuật toán dựa trên vị trí địa lý của hệ thống và thông tin về thời gian để dự đoán vị trí của mặt trời trong ngày Điều này bao gồm việc sử dụng thông tin như vĩ độ, kinh độ, và thời gian để xác định vị trí của mặt trời Thiết kế hệ thống tracking: Dựa trên các mô hình tính toán, phát triển hệ thống tracking solar thụ động có khả năng tự động điều chỉnh hướng của pin mặt trời để điều hướng pin vị trí của mặt trời trong ngày

Kiểm tra và đánh giá hiệu suất: Tiến hành các thử nghiệm và kiểm tra để đánh giá hiệu suất của hệ thống tracking solar thụ động trong việc tăng cường hiệu suất thu sóng năng lượng mặt trời so với các hệ thống cố định

Bằng cách tập trung vào các mục tiêu này, nghiên cứu về solar tracking thụ động dựa trên vị trí địa lý và thời gian có thể mang lại các giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho việc tăng cường hiệu suất của các hệ thống năng lượng mặt trời.

Giới hạn đề tài

Đối với đề tài này, nhóm tập trung vào việc phát triển một phương pháp tự động điều chỉnh hướng của pin mặt trời mà không đòi hỏi sử dụng cảm biến hoặc hệ thống điều khiển phức tạp Xây dựng một mô hình đơn giản nhất có thể, với mục đích học tập và thí nghiệm, nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cần thiết để thu thập năng lượng mặt trời một cách hiệu quả

Nhóm không nghiên cứu các trường hợp rủi ro trong thực thế như gió bão hay mất điện của hệ thống Không đi sâu vào phần phân tích thị trường và khả năng thương mại

Mục tiêu đạt được

Hệ thống có thể hoạt động chính xác, đáp ứng linh hoạt và nhanh chóng đối với các thay đổi của vị trí của mặt trời Thuật toán cần phải được thiết kế sao cho có khả năng dự đoán và điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin mặt trời một cách chính xác và hiệu quả

Khi thực nghiệm hệ thống có thể giảm thiểu tổn hao năng lượng do ánh sáng mặt trời không chiếu thẳng vào tấm pin, giúp tăng hiệu suất thu năng lượng so với hệ thống cố định.

Cơ sở lý thuyết

Hệ thống điện mặt trời cố định

Hệ thống điện mặt trời cố định, hay còn gọi là hệ thống điện mặt trời tĩnh, là một loại hệ thống điện mặt trời mà các tấm pin năng lượng mặt trời được cố định trên một vị trí nhất định, không thể điều chỉnh hoặc di chuyển theo chuyển động của mặt trời

Hình 2.1: Hệ thống điện mặt trời cố định

Hệ thống điện mặt trời cố định thường có chi phí lắp đặt thấp và không có khả năng theo dõi vị trí mặt trời vì không có thiết bị điều chỉnh hướng Điều này khiến chúng trở thành một lựa chọn thu hút cho các dự án có ngân sách hạn chế Vì không có bộ phận cơ khí để điều chỉnh hướng, hệ thống cố định thường ít gặp sự cố hơn và yêu cầu ít bảo trì hơn so với các hệ thống có khả năng điều hướng pin mặt trời Điều này làm giảm chi phí bảo trì, tăng tính ổn định của hệ thống Hệ thống cố định không phụ thuộc vào cơ khí hoạt động để điều chỉnh hướng, do đó chúng thường ổn định hơn trong môi trường gió mạnh hoặc thời tiết khắc nghiệt Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn phù hợp cho các khu vực có điều kiện thời tiết khắc nghiệt Tại những khu vực có ánh sáng mặt trời ổn định, hệ thống cố định có thể là lựa chọn

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: Nguyễn Văn Trung

6 tối ưu vì không cần phải điều hướng pin năng lượng mặt trời Điều này làm giảm chi phí cũng như đơn giản hóa quy trình lắp đặt và bảo trì

Mặc dù chi phí thấp và dễ bảo trì, hệ thống cố định thường có hiệu suất sản xuất điện thấp hơn so với hệ thống tracking vì không thể điều chỉnh hướng theo di chuyển của mặt trời Hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào hướng mà bảng điện mặt trời được cài đặt Nếu hướng này không phù hợp, hiệu suất có thể giảm đi đáng kể Điều này có thể gây ra tổn thất hiệu suất lớn trong những vị trí mà ánh sáng mặt trời không đủ mạnh hoặc không ổn định Khả năng tối ưu hiệu suất sản xuất điện thấp hơn so với các hệ thống solar tracking Trong những khu vực có nhiều bóng cây hoặc cấu trúc, hệ thống cố định có thể bị che phủ mặt trời và gây giảm hiệu suất sản xuất điện Điều này làm giảm tính khả thi, hiệu quả của hệ thống trong các môi trường này

Hệ thống điện mặt trời cố định có nhiều ứng dụng Chúng được sử dụng trong công nghiệp, thương mại để cung cấp điện Ở mức gia đình, hệ thống này làm giảm chi phí điện, tạo ra nguồn năng lượng sạch Trong nông nghiệp, sử dụng cho hệ thống tưới tiêu và nhà kính Hệ thống điện mặt trời cố định cũng có thể là nguồn điện dự phòng và được tích hợp vào các dự án có quy mô lớn như trang trại mặt trời và cụm công nghiệp điện mặt trời.

Phương pháp tracking

Phương pháp điều hướng pin năng lượng mặt trời, là kỹ thuật sử dụng để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng mặt trời từ các tấm pin quang điện Hệ thống solar tracking bao gồm các tấm pin được gắn trên các khung di động có thể được điều chỉnh được góc nghiêng và hướng của chúng theo chuyển động của mặt trời trong suốt cả ngày

Các hệ thống solar tracking thường được chia thành hai loại chính: một máy trục và hai máy trục Hệ thống này chỉ điều khiển pin mặt trời từ đông sang tây, trong khi hệ thống máy tính có khả năng điều chỉnh cả góc nghiêng theo chiều dọc, giúp tối ưu hóa việc thu năng lượng trong suốt cả ngày và theo mùa

Việc sử dụng phương pháp điều hướng pin năng lượng mặt trời làm tăng hiệu suất của các tấm pin mặt trời lên tới 25-35% so với các hệ thống cố định, nhờ vào việc tối ưu lượng ánh sáng mặt trời tiếp xúc với bề mặt pin Tuy nhiên, hệ thống này cũng

7 đi kèm với chi phí lắp đặt, bảo trì cao hơn, đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa lợi ích mang lại và chi phí đầu tư

Tracking một trục (Single-axis tracking) là phương pháp điều hướng pin năng lượng mặt trời chỉ có một trục Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt trên một trục duy nhất, cho phép chúng xoay từ hướng Đông sang Tây hoặc Nam sang Bắc tùy theo cấu trúc và cách vận hành của từng hệ thống [8]

Hình 2.2: Mô phỏng hệ tracking 2 trục

Hệ thống một trục có chi phí đầu tư thấp hơn so với hệ thống hai trục, do cần ít cơ cấu cơ khí hơn Vì có ít cơ cấu di chuyển hơn, hệ thống một trục thường dễ bảo trì hơn và ít đòi hỏi chi phí bảo dưỡng Mặc dù không thể điều hướng pin mặt trời ở mọi góc độ như hệ thống hai trục, nhưng hệ thống một trục vẫn cải thiện hiệu suất so với các hệ thống tĩnh bằng cách điều chỉnh góc độ của các bảng mặt trời

So với hệ thống hai trục, hệ thống một trục không thể điều chỉnh hướng của bảng mặt trời theo cả hai trục x và y, do đó hiệu suất thu nhận năng lượng có thể hạn chế hơn, đặc biệt là vào các thời điểm và góc độ khác nhau trong ngày Hệ thống một trục chỉ có thể điều hướng pin mặt trời theo một trục duy nhất, do đó có thể bỏ lỡ một phần của năng lượng mặt trời do thay đổi độ nghiêng và hướng của ánh sáng Tuy ít phức tạp hơn hệ thống hai trục, nhưng hệ thống một trục đối mặt với những vấn đề liên quan tới thời tiết, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt như gió mạnh hay tuyết

So sánh với hệ thống cố định, hệ thống Solar Tracking trục đơn có nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu quả, khả năng tạo ra năng lượng Tuy nhiên, hệ thống Solar Tracking hai trục mang lại hiệu quả cao hơn, nhưng đi kèm với chi phí đầu tư cao hơn Do vậy, việc lựa chọn loại hệ thống nào phụ thuộc vào nhu cầu, ngân sách và điều kiện cụ thể của mỗi dự án

Tracking hai trục (Dual-axis tracking) là phương pháp điều hướng pin NLMT có 2 trục, cho phép tấm năng lượng mặt trời xoay cả hai chiều đồng thời Phương pháp này cho phép các tấm năng lượng mặt trời xoay không chỉ theo hành trình của mặt trời qua ngày mà còn theo góc nghiêng tối ưu hóa việc thu năng lượng mặt trời tất cả thời gian trong ngày và trong mùa.[7]

Hình 2.3: Mô phỏng hệ tracking 2 trục

Hệ thống Solar Tracking 2 trục được cấu tạo:

Cơ cấu điều khiển trục ngang (trục x) là cơ cấu cho phép bảng mặt trời xoay theo hướng Đông - Tây Cơ cấu này bao gồm động cơ và bánh răng, hoặc các hệ thống động cơ servo, được kết nối với bảng mặt trời và được điều khiển bởi các cảm biến hoặc hệ thống solar Cơ cấu điều khiển trục dọc (trục y) là cơ cấu cho phép bảng mặt trời nghiêng theo hướng Nam - Bắc Cơ cấu này bao gồm các bộ phận như thanh trượt, ổ trục, hoặc các cơ cấu khác để điều chỉnh độ nghiêng của bảng mặt trời

Hệ thống Solar Tracking 2 trục được xây dựng từ vật liệu kim loại kiên cố như thép và nhôm, đảm bảo khả năng chịu tải trọng cao và chống chọi thời tiết khắc nghiệt

Cấu trúc giá đỡ có thể dạng cố định hoặc di động, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và điều kiện địa hình

Hệ thống gồm các bộ phận như động cơ, bộ truyền động và hệ thống điều khiển Động cơ cung cấp lực cần thiết để xoay tấm pin theo hai trục, trong khi bộ truyền động truyền tải lực từ động cơ đến các trục xoay Hệ thống điều khiển, gồm bộ điều khiển trung tâm, bộ cảm biến và phần mềm điều khiển

Có chức năng điều chỉnh góc nghiêng và hướng của tấm pin mặt trời theo thời gian, tối ưu lượng ánh sáng thu được

Tấm pin mặt trời, loại monocrystalline hoặc polycrystalline, được lắp đặt trên giá đỡ và có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Số lượng và công suất của tấm pin phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, khả năng tài chính của người dùng Ngoài ra, hệ thống Solar Tracking 2 trục có thể bao gồm thêm các thành phần như hệ thống làm mát để giảm nhiệt độ cho tấm pin mặt trời, hệ thống chống sét để bảo vệ hệ thống khỏi các hiện tượng sét đánh, và hệ thống giám sát để theo dõi và cảnh báo khi có sự cố xảy ra

Hệ thống 2 trục có khả năng điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin mặt trời không chỉ theo hướng Đông-Tây (trục x) mà còn theo hướng Nam-Bắc (trục y), nên có thể nhận được ánh sáng mặt trời từ nhiều góc độ khác nhau trong suốt ngày Tối ưu hóa việc thu nhận ánh sáng mặt trời và tăng hiệu suất năng lượng so với hệ thống chỉ điều hướng một trục.Tăng hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, hệ thống 2 trục hoạt động tốt hơn trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như sương mù, mây mù, hoặc ánh sáng yếu, so với hệ thống chỉ điều hướng một trục

Tuy nhiên, với nhiều cấu tạo chuyển động hệ thống tracking solar 2 trục có chi phí đầu tư cao hơn hơn và vật liệu xây dựng cao cấp hơn Đòi hỏi bảo trì định kỳ và chi phí bảo dưỡng cao hơn, đặc biệt trong môi trường thời tiết khắc nghiệt Do có nhiều cơ cấu di chuyển và phức tạp hóa hơn, hệ thống 2 trục có thể phản ứng chậm hơn trong việc điều hướng của pin mặt trời so với hệ thống chỉ điều hướng một trục

Hệ thống tracking solar 2 trục thường được ứng dụng cho các dự án lớn, các công trình có công suất và chi phí đầu tư lớn Các hệ thống tracking solar di động được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự hoặc cứu trợ khẩn cấp, cung cấp nguồn điện tạm thời ở các khu vực khó tiếp cận hoặc trong các tình huống khẩn cấp Các hệ thống tracking

Nguyên lý hoạt động

Hệ thống tracking solar hoạt động bằng cách sử dụng cảm biến để theo dõi vị trí mặt trời Dựa trên thông tin từ cảm biến, hệ thống điều khiển tính toán và quyết định góc nghiêng tối ưu của tấm pin mặt trời nhận được năng lượng cao nhất

Trong nghiên cứu này, nhóm tập trung thiết kế một hệ thống tracking solar thụ động dựa trên các dữ liệu thời gian, vị trí địa lí Hệ thống của chúng tôi dựa trên các nguyên lý vật lý đơn giản và cơ học để tự động thay đổi vị trí của tấm pin mặt trời theo chuyển động của mặt trời trong suốt ngày

Nguyên lý hoạt động gồm ba giai đoạn, mỗi giai đoạn đóng vai trò quan trọng trong quá trình theo dõi và điều chỉnh:

- Tính Toán Vị Trí Mặt Trời: Tính toán vị trí của mặt trời trong thời gian thực Thông qua việc sử dụng các thông tin về địa lý, thời gian, cũng như các thông số về mặt trời như góc độ và độ cao trên bầu trời Dựa trên các dữ liệu này, hệ thống xác định được vị trí của mặt trời tại mỗi khoảnh khắc

- Xác định vị trí trục xoay: Việc xác định vị trí trục xoay, tức là trục mà các tấm pin mặt trời được gắn kết Thông qua các tính toán và định vị, hệ thống xác định được vị trí trục xoay cần điều chỉnh để theo kịp với di chuyển của mặt trời

- Điều khiển động cơ: Hệ thống sử dụng một cơ chế đơn giản hoặc điều khiển động cơ để điều chỉnh vị trí của trục xoay sao cho nó luôn hướng về mặt trời Cơ chế này

11 có thể bao gồm việc điều chỉnh góc nghiêng của trục xoay hoặc điều khiển động cơ để điều chỉnh vị trí của trục

Tổng cộng, hệ thống tracking solar thụ động này tận dụng các nguyên lý đơn giản về cơ học để tự động thay đổi vị trí của pin mặt trời một cách chính xác và hiệu quả, không cần sử dụng các thiết bị điều khiển phức tạp Điều này không chỉ làm giảm chi phí mà còn tạo ra một giải pháp linh hoạt và bền vững trong việc thu thập năng lượng mặt trời

Hình 2.4:Sơ đồ nguyên lý

PLC và ứng dụng trong hệ thống điều khiển

PLC là một thiết bị điện tử lập trình dựa trên thuật toán logic điều khiển ảo PLC nhận tín hiệu từ các sự kiện bên ngoài thông qua các ngõ vào, và thực hiện các thao tác thông qua các ngõ ra PLC thực hiện chế độ quét lặp đi lặp lại các trạng thái đầu vào và đầu ra, thay đổi trạng thái ở các đầu ra tương ứng nếu có bất kỳ thay đổi nào từ các trạng thái đầu vào, dựa trên thuật toán logic của chương trình đã lập trình Ngôn ngữ lập trình phổ biến dành cho PLC hiện nay là Ladder và Step Ladder Tuy nhiên, từng nhà sản xuất bình thường sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình khác nhau.Một số hãng sản xuất PLC phổ biến bao gồm Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT, và Delta

PLC là một loại vi xử lý thường được sử dụng trong ứng dụng tự động hóa công nghiệp để thực hiện nhiệm vụ kiểm soát và giám sát trên các hệ thống vận hành tự động Nhiệm vụ chính của PLC là thực hiện các chức năng kiểm soát, điều khiển và giám sát trong quy trình sản xuất hoặc quy trình tự động khác PLC nhận dữ liệu từ các cảm biến, thực hiện các yếu tố logic hoặc phép toán cần thiết, và sau đó cho ra các tín hiệu điều khiển để động cơ, van, bơm và cảm biến sẽ thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho hệ thống toạ độ

2.4.2 Phần mềm lập trình PLC Đề tài này lấy Siemens S7 1200 làm bộ điều khiển trung tâm nên phần dùng để tập trình là TIA Portal TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là một phần mềm tích hợp của Siemens, được thiết kế để hỗ trợ quá trình lập trình, cấu hình và vận hành các hệ thống tự động hóa công nghiệp của họ Phần mềm này cung cấp môi trường lập trình đồ họa và dễ sử dụng, cho phép người dùng tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp cho PLC, HMI và các thiết bị tự động hóa khác của Siemens Một trong những điểm mạnh của TIA Portal là tính linh hoạt trong lập trình, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như Ladder Diagram (LAD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), và Sequential Function Chart (SFC) Điều này cho phép người lập trình lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp với nhu cầu của dự án

Bên cạnh đó, TIA Portal cung cấp các công cụ mô phỏng, giả lập mạnh mẽ, giúp người lập trình kiểm tra và mô phỏng chương trình của họ trước khi triển khai vào môi trường thực tế Điều này giúp giảm thiểu rủi ro, chi phí liên quan đến việc thử nghiệm và sửa chữa sau này.Với tính năng tích hợp dự án và hỗ trợ công nghệ cloud, TIA Portal cung cấp một giải pháp toàn diện và hiệu quả, từ quá trình phát triển đến vận hành Điều này giúp nâng cao hiệu suất và linh hoạt trong quá trình phát triển và vận hành các hệ thống tự động hóa

2.4.3 Ứng dụng trong hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời

PLC đóng vai trò tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể: Điều khiển hệ thống điều hướng 1 trục: PLC được sử dụng điều khiển động cơ xoay, giúp điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin mặt trời theo hướng Đông - Tây trong ngày Thu thập dữ liệu chủ động theo thời gian để xác định vị trí mặt trời và thay đổi góc nghiêng của tấm pin phù hợp, đảm bảo tối đa lượng ánh sáng mặt trời thu được

PLC có khả năng lập trình linh hoạt, cho phép điều chỉnh các thuật toán điều khiển theo nhu cầu cụ thể của từng hệ thống Điều khiển hệ thống điều hướng 2 trục: PLC được sử dụng điều khiển hai động cơ xoay, giúp điều chỉnh cả góc nghiêng và hướng của tấm pin mặt trời thay đổi theo vị trí mặt trời trong ngày Hệ thống sử dụng thuật toán thụ động theo thời gian và vĩ độ

13 để xác định chính xác vị trí mặt trời và điều chỉnh phương hướng và góc nghiêng của tấm pin một cách chính xác

PLC xử lý dữ liệu nhanh chóng, chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định

Giám sát và điều khiển hệ thống: PLC được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến gió, cảm biến độ ẩm, v.v Dữ liệu thu thập được PLC xử lý và phân tích, sau đó hiển thị trên màn hình HMI hoặc truyền đến hệ thống giám sát trung tâm Người dùng có thể theo dõi tình trạng hoạt động của hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời từ xa, phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố

Ví dụ về PLC Siemens được sử dụng trong hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời:

- S7-1200: Dòng PLC Siemens phổ biến với giá thành hợp lý, phù hợp cho các hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời quy mô nhỏ và vừa

- S7-300: Dòng PLC Siemens cao cấp với hiệu suất mạnh mẽ, phù hợp cho các hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời quy mô lớn

- S7-1500: Dòng PLC Siemens mới nhất với khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và chính xác, phù hợp cho các hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời đòi hỏi độ chính xác cao

Các công thức liên quan

Các phương trình tính góc mặt trời.[5]

- Góc lệch theo ngày thứ N trong năm được tính: δ = 23.45sin [360

Hình 2.5: Các góc mặt trời

- Góc giờ h được tính theo giờ mặt trời AST (apparent solar time) h = (AST-12)15

Hình 2.6: Góc phương vị và góc cao độ

- Góc cao độ (α), góc phương vị (z) được tính với Latitude là vĩ độ tại khu vực Quy ước: chính Nam là 0˚, chính Bắc là 180˚ cho mặt vật đặt ở Bán cầu bắc

• Quy ước: Tây là dương (buổi chiều), Đông là âm (sáng)

• Phụ thuộc: Vị trí quan sát, ngày trong năm và thời điểm trong ngày

15 sin(α)=sin(L)sin(δ)+ cos(L)cos(δ)cos(h) sin(z) =cos(δ)sin(h) cos(α) cos(HRA) ≤ tan(δ) tan(latitude) Suy ra:

Dựa vào giá trị của α (góc phương vị) và z (góc cao độ), chúng ta cần thực hiện xử lý và chuyển đổi thành các giá trị để điều khiển chuyển động của hai động cơ tracking Hướng thay đổi của Mặt Trời trong năm có sự chênh lệch lớn Trong mùa hè, ví dụ, hướng di chuyển của Mặt Trời thường lệch về phía Bắc nhiều hơn Trong khi đó, vào các tháng cuối năm, hành trình của Mặt Trời lệch hoàn toàn về phía Nam so với hướng Đông - Tây Trong mùa xuân và thu,Mặt Trời di chuyển theo trục Đông - Tây.

Thiết kế, chế tạo

Thiết kế mô hình

Đây là một hình nhỏ không yêu cầu về sản lượng điện lớn, nên nhóm đã thiết kế hệ thống điều khiển tấm pin có công suất chỉ 20Wvới mức điện áp 9V và kích thước 30⨉40cm Tấm pin chỉ nặng 1.5kg thích hợp để các động cơ có thể điều khiển và hoạt động một cách dễ dàng

Với đề tài này nhóm có thiết kế mô hình phần cứng qua phần mềm Solidworks để thuận lợi cho việc gia công phần cứng và tránh sai lệch về phần cứng:

Hình 3.2: Hình ảnh thiết kế cơ khí

Chương 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO GVHD:Nguyễn Văn Trung

Hình 3.3: Mặt đế của hệ thống

Hình 3.4: Thanh xoay trục y của hệ thống

Hình 3.5: Thanh xoay trục x của hệ thống

Hình 3.6: Motor điều khiển trục quay của hệ thống

Hệ thống điện và động cơ

Hệ thống điện và động cơ là một phần quan trọng trong nhiều thiết bị, máy móc hiện đại Hệ thống gồm các thành phần chính như nguồn điện, dây dẫn điện,, động cơ, bộ điều khiển,thiết bị bảo vệ và phụ tải Nguồn điện cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động từ các nguồn như điện lưới, pin hoặc máy phát điện Dây dẫn điện chuyển dòng điện từ nguồn điện đến các thiết bị khác trong hệ thống, cần phải có kích thước phù hợp, đảm bảo hiệu suất hoạt động hệ thống Động cơ là thành phần chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, bao gồm nhiều loại như động cơ AC, động cơ DC,động cơ bước và động cơ servo Bộ điều khiển quản lý tốc độ, mô-men xoắn và chiều quay của động cơ, có thể là tự động, thủ công hoặc lập trình

3.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển

Hệ thống điện và động cơ là một phần quan trọng trong nhiều thiết bị, máy móc hiện đại Hệ thống gồm các thành phần chính như nguồn điện, dây dẫn điện,, động cơ, bộ điều khiển,thiết bị bảo vệ và phụ tải Nguồn điện cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động từ các nguồn như điện lưới, pin hoặc máy phát điện Dây dẫn điện chuyển dòng điện từ nguồn điện đến các thiết bị khác trong hệ thống, cần phải có kích thước phù hợp, đảm bảo hiệu suất hoạt động hệ thống Động cơ là thành phần chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, bao gồm nhiều loại như động cơ AC, động cơ DC,động cơ bước và động cơ servo Bộ điều khiển quản lý tốc độ, mô-men xoắn và chiều quay của động cơ, có thể là tự động, thủ công hoặc lập trình

Hình 3.7: Siemens S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC

Bảng 1: Thông số Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Đặc tính CPU 1214C

Tùy chọn DC/DC/DC

Ngõ ra Analog tích hợp

Số lượng 1 Đầu kết nối với CPU Đèn led trên ngõ vào, ngõ ra I/O

3.2.2 Lựa chọn động cơ Để chuyển động các trục, nhóm đã sử dụng một số phương pháp như sử dụng các cơ chế khí nén, chất lỏng thủy lực để tạo ra lực đẩy hoặc kéo Tuy nhiên phương pháp này cần rất nhiều các chi tiết và thiết bị phức tạp, điều này vượt quá kinh phí mà nhóm đề ra nên phương án này đã được bỏ qua

Sử dụng động cơ điện để điều khiển các trục quay là một phương án vừa tối ưu vừa tiết kiếm về mặt chi phí Để điều khiển chính xác các góc, vị trí của tấm pin chung em lựa chọn động cơ PK264_01B là một stepper motor của Baomain Với kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao và trọng lượng nhẹ, nó thích hợp cho các hệ thống đòi hỏi kiểm soát chính xác vị trí và tốc độ

Hình 3.8: Động cơ step PK264_01B

Bảng 2: Thông số động cơ

Dây dẫn 6 Điện áp 5.7V DC

Tuy nhiên, để các động cơ có thể kéo được các trục chúng cần được trang bị thêm các hộ số giúp tăng lực kéo

Ta có công tức tính momen xoắn: τ=F×r×sin(θ) τ là momen xoắn (đơn vị: Newton-met)

F là lực tác động (đơn vị: Newton) r là cực khoảng cách từ trục quay đến điểm tác động của lực (đơn vị: mét ) θ là góc giữa vectơ lực và vectơ khoảng cách (đơn vị: radian)

Với trọng lực của tấm pin và trục trong thiết kế khoảng 2kg và tay đòn dài khoảng 15cm, để đưa tấm pin từ vị trí thấp nhất 0° lên vị trí cao nhất 90° thì ta cần một lực mommen tối thiểu là: τ=(m×g)×r×sin(θ) τ=(2kg×9.81m/s² )×0.15m×sin( 𝜋

2) = 2.943Nm Như vậy để các trục của động được thì tỷ số truyền của bộ giảm tốc tối thiếu phải là 1/10 Trong các điều kiện như gặp gió, tiết diện của tấm pin ảnh hưởng đến khả năng giữ của các động cơ Do đó nhóm quyết định chọn hộp số có tỷ số truyền là 1/36

3.2.3 Lựa chọn các thiết bị điện

Driver TP6600 là một bộ điều khiển động cơ bước (stepper motor driver) Với khả năng điều chỉnh dòng động cơ và bảo vệ chống quá dòng, TP6600 cung cấp hiệu suất cao và độ ổn định tốt Điều khiển dễ dàng qua tín hiệu đầu vào một cách linh hoạt, với giá thấp

Bảng 3: Thông số kỹ thuật Driver TP6600

Dòng cấp tối đa 4A

- Nguồn Để đáp ứng đủ nguồn điện cho các thiết bị nhóm lựa chọn một nguồn cấp 24VDC 5A

Tủ điện Để bố trí tất cả các thiết bị đã lựa chọn chúng ta cần trang bị cho hệ thống một tủ điện có kích thước 40⨉30⨉20cm Đây là một tủ điện nhựa nên trọng lượng không nặng giúp dễ dàng di chuyển hệ thống

Ngoài các thiết bị chính, không chỉ có những thiết bị chính như ổ cắm, công tắc, hay máy biến áp mà còn có nhiều thiết bị khác đóng vai trò quan trọng Các công tắc tủ điện giúp kiểm soát việc cung cấp điện từ nguồn vào các thiết bị Đèn báo được sử dụng theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống như báo lỗi hay stop Dây điện dẫn điện từ nguồn đến các thiết bị, máng cáp giúp bảo vệ và quản lý dây cáp Domino điện, hay kẹp điện, là phương tiện kết nối an toàn giữa các dây điện Các ốc vít không thể thiếu để lắp đặt và gắn kết các thiết bị vào các bề mặt tủ điện và kết nối các chi tiết Tất cả những thiết bị đều đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng đề tài.

Thiết kế, bố trí bên trong tủ điện

Thiết kế, bố trí bên trong tủ điện đóng vai trò quan trọng đảm bảo tính an toàn, hiệu quả và thẩm mỹ của hệ thống điện Đầu tiên, việc lựa chọn kích thước của tủ điện là rất quan trọng, đảm bảo có đủ không gian cho tất cả các thiết bị điện cũng như thuận tiện cho việc thao tác, bảo trì Các thiết bị điện cần được sắp xếp hợp lý dựa trên chức năng và vị trí sử dụng, đồng thời cần đảm bảo khoảng cách an toàn giữa chúng để tránh nguy cơ phóng điện và nhiễu điện

Việc lắp đặt thanh cái và dây dẫn điện cũng đóng vai trò quan trọng để đảm bảo kết nối điện ổn định và an toàn

Quá trình ghi chú và đánh dấu các thiết bị bên trong tủ cũng quan trọng để dễ dàng nhận biết các thao tác trong quá trình vận hành và bảo trì Cuối cùng, việc tuân thủ các quy định về an toàn điện và sử dụng các thiết bị chất lượng cao là yếu tố cốt yếu để đảm bảo hệ thống điện luôn hoạt động và an toàn trong mọi điều kiện

Sơ đồ đấu dây phần cứng là rất quan trọng để tránh bị sai trong quá trình đấu dây của hệ thống điện Sơ đồ này cung cấp một hướng dẫn rõ ràng về cách đấu dây, bao gồm cả vị trí và các chi tiết kỹ thuật như kích thước và loại dây dẫn

Bằng cách sử dụng sơ đồ đấu dây, người lắp đặt có thể dễ dàng nhận biết các dòng điện, các điểm nối và các thiết bị bảo vệ, từ đó giảm thiểu nguy cơ lắp đặt sai Sơ đồ cũng giúp cho việc bảo trì, sửa chữa sau này trở nên đơn giản hơn, vì mọi thông tin về cấu trúc và kết nối ghi chép một cách chi tiết, rõ ràng

Hình 3.14: Sơ đồ nối dây

Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật

Thiết kế tủ điện là một quy trình quan trọng trong việc xây dựng, lắp đặt hệ thống điện Tủ điện là nơi chứa các thiết bị điện, ứng dụng, quy tắc, bộ điều khiển, các thiết bị bảo vệ khác nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả

Quá trình thiết kế tủ bắt đầu từ yêu cầu phân tích của hệ thống điện lựa chọn các thiết bị phù hợp Sau đó, các kỹ sư sẽ lập sơ đồ mạch điện, xác định vị trí lắp đặt các thiết bị trong tủ và tính toán kích thước tủ để đảm bảo các thiết bị được sắp xếp một cách hợp lý và dễ dàng bảo trì Bên cạnh đó, việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo vệ các thiết bị điện khỏi môi trường hoạt động như bụi, ẩm thực và nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế tủ điện

Cuối cùng , tủ điện được phải chắc chắn, có khả năng áp dụng cơ học và khả năng chống cháy, có tuổi thọ, độ tin cậy cao

Hình 3.16: Sơ đồ bố trí bên trong tủ điện

Hình 3.17: Thiết kế tủ điện

Lập trình PLC

Lập trình PLC trong hệ thống điều khiển pin mặt trời thụ động là quá trình quan trọng nhằm điều khiển và điều chỉnh vị trí của các bảng năng lượng mặt trời tối ưu việc tiếp nhận ánh sáng mặt trời Điều khiển động cơ: Trong hệ thống điều khiển pin mặt trời thụ động, PLC chịu trách nhiệm điều khiển các động cơ để thay đổi vị trí của các bảng năng lượng mặt trời Việc này nhằm đảm bảo rằng bảng năng lượng luôn hướng về phía mặt trời một cách hiệu quả Sử dụng các thuật toán điều chỉnh vị trí của các bảng theo vị trí mặt trời hiện tại Điều khiển hệ thống: PLC thực hiện các thuật toán và quyết định điều khiển để điều chỉnh vị trí của các bảng năng lượng Mục đích là để bảng năng lượng có thể điều hướng pin mặt trời và tiếp nhận ánh sáng tối đa

Bảo trì và giám sát: PLC cũng chịu trách nhiệm trong việc giám sát hoạt động của hệ thống, bao gồm các điều kiện hoạt động của động cơ và các cảm biến Nếu có sự cố, PLC gửi tín hiệu cảnh báo để con người có thể can thiệp kịp thời và sửa chữa

Giao tiếp và tích hợp: PLC cần có khả năng kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống như SCADA, để đảm bảo tính liên kết và hoạt động hiệu quả

Lập trình PLC trong hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời thụ động đòi hỏi các kỹ năng về lập trình logic, điều khiển động cơ, các kỹ thuật điện tử Đáp ứng các yêu cầu vận hành của một hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời hiệu quả

3.4.1 Thuật toán tính toán vị trí của mặt trời Để khối PLC biết được hệ thống Solar Tracking thụ động thì nhóm đã viết thuật toán như hình đã chụp dưới đây:

Hình 3.18: Thuật toán vị trí Mặt Trời

Bảng 4: Chi tiết các biến trong khối hàm SPA

Kiểu đầu vào/ra Đợn vị Ghi chú latitude real Đầu vào Độ Vĩ độ

Giờ trong ngày real Đầu vào

Hằng số Tính góc giờ mặt trời

Ngày trong năm real Đầu vào

Hằng số Tính góc phương vị

Thời gian real Đầu ra Hằng số Đọc dữ liệu giờ địa phương

Góc giờ mặt trời real Đầu ra Độ Điều khiển động cơ trục

Góc nghiêng mặt trời real Đầu ra Độ Tính toán góc nghiêng của mặt trời

Góc cao mặt trời real Đầu ra Độ Tính toán góc cao của mặt trời azimuth real Đầu ra Độ Điều khiển động cơ trục

Azimuth sáng real Đầu ra Độ Điều khiển động cơ trục

Azimuth chiều real Đầu ra Độ Điều khiển động cơ trục

Y quay Zenith real Đầu ra Độ Tính toán góc thiên đỉnh

Góc tia tới mặt trời real Đầu ra Độ Tính toán góc tia tới của mặt trời

3.4.2 Thuật toán cấp xung động cơ

Nhóm đã biết được vị trí của Mặt Trời Tiếp theo đó, nhóm em sẽ quy đổi từ độ sang xung để điều khiển động cơ bước quay theo hướng chỉ định của thuật toán vị trí Mặt Trời

Hình 3.19: Thuật toán cấp xung động cơ 1

Bảng 5: khối cấp xung của động cơ trục Y

Biến giá trị Kiểu dữ liệu

Kiểu đầu vào/ra Đợn vị Ghi chú

Xung azimuth sáng real Đầu ra Xung Điều khiển động cơ trục Y quay tới vị trí chỉ định

Xung azimuth chiều real Đầu ra Xung Điều khiển động cơ trục Y quay tới vị trí chỉ định

Xung azimuth real Đầu ra Xung Điều khiển động cơ trục Y quay tới vị trí chỉ định

Hình 3.20: Thuật toán cấp xung động cơ 2

Bảng 6: chi tiết khối cấp xung điều khiển động cơ trục X

Biến giá trị Kiểu dữ liệu

Kiểu đầu vào/ra Đợn vị Ghi chú

Xung góc giờ real Đầu ra xung Điều khiển động cơ trục X quay tới vị trí chỉ định

3.4.3 Thuật toán điều khiển động cơ

Cuối cùng nhóm sẽ điều khiển động cơ quay theo các góc đã tính toán trước đó bằng ngôn ngữ LAD

Hình 3.21: Thuật toán điều khiển động cơ

Hình 3.22: Thuật toán khởi động hệ thống

Hình 3.23: Thuật toán báo lỗi hệ thống

Hình 3.24: thuật toán reset hệ thống

Hình 3.25: thuật toán dừng hệ thống

Hình 3.26: Thuật toán dừng hệ thống

Thiết kế giao diện

Thiết kế giao diện là tạo ra giao diện người dùng (UI) cho một sản phẩm hoặc dịch vụ Giao diện là phần mà người dùng tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm hoặc dịch vụ, bao gồm các yếu tố như bố cục, màu sắc, kiểu chữ, hình ảnh và đồ họa

Mục tiêu của thiết kế giao diện là tạo ra một trải nghiệm người dùng tối ưu Đầu tiên, giao diện cần phải đẹp mắt và thu hút để thu hút Đồng thời, nó cũng phải dễ sử dụng, thực hiện các thao tác một cách tự nhiên

Quan trọng hơn nữa, giao diện cần truyền tải hiệu quả, giúp người dùng dễ dàng hiểu được nội dung và mục đích sản phẩm Cuối cùng, mục tiêu của thiết kế giao diện là tạo ra trải nghiệm người dùng tốt

Quy trình thiết kế giao diện bao gồm các giai đoạn cụ thể Đầu tiên là nghiên cứu nhu cầu và mong muốn của người dùng cũng như các đối thủ cạnh tranh Tiếp theo là lập kế hoạch để xác định mục tiêu thiết kế, đối tượng mục tiêu và các tính năng cần có Sau đó, thiết kế sẽ tạo ra các bản thiết kế sơ bộ và chi tiết, sử dụng các công cụ như Figma, Sketch, hoặc Adobe XD Kiểm tra giao diện với người dùng là bước quan trọng để thu thập phản hồi và điều chỉnh thiết kế Sau khi hoàn thiện, giao diện được triển khai cho người dùng và tiếp tục được bảo trì để cải thiện trải nghiệm người dùng theo thời gian

Thiết kế giao diện bao gồm sự đơn giản, nhất quán về bố cục, màu sắc và kiểu chữ, tính rõ ràng, hiệu quả để người dùng có thể thao tác nhanh chóng, và tính thẩm mỹ để tạo ấn tượng thu hút

3.5.1 Giới thiệu về Win CC

WinCC, viết tắt của Windows Control Center, là một phần mềm của hãng Siemens được sử dụng trong giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất công nghiệp và dân dụng WinCC là công cụ giúp thiết kế các giao diện Người - Máy (HMI) trong các hệ thống SCADA (Kiểm soát Giám sát và Thu thập Dữ liệu), với nhiệm vụ chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quy trình sản xuất

WinCC hỗ trợ người dùng trong việc trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển logic lập trình (PLC) từ nhiều nhà sản xuất khác nhau như Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley, Omron, thông qua các cổng COM với chuẩn RS232 của máy tính và RS485 của PLC Phần mềm này cung cấp nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc, từ thiết kế các hệ thống nhỏ đến các hệ thống quy mô lớn như Hệ thống Thực thi Sản xuất (MES)

WinCC có khả năng mô phỏng các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng hình ảnh, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và xử lý Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghệ, WinCC cung cấp nhiều chức năng phục vụ cho việc hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, và quản lý các tham số công thức

Chính nhờ những tính năng này, WinCC đã trở thành một trong những giao diện HMI được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

3.5.2 Yêu cầu giám sát hệ thống

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giám sát các hệ thống tự động hóa Để tối ưu hóa quá trình này, thiết kế một giao diện người dùng HMI (Human-Machine Interface) thông qua phần mềm WinCC là bước không thể thiếu Giao diện này giúp cải thiện hiệu quả làm việc và tiết kiệm thời gian cho nhóm vận hành

Yêu cầu cơ bản của hệ thống SCADA là tạo ra một giao diện HMI bao gồm các màn hình giám sát hoạt động của thiết bị và thu thập dữ liệu Nhờ giao diện này, nhân viên quản lý có thể trực quan theo dõi và kiểm soát các thông số hoạt động của hệ thống

Các màn hình giám sát cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái của thiết bị, giúp nhanh chóng xác định và giải quyết sự cố

Hơn nữa, giao diện HMI còn cung cấp khả năng điều khiển vận hành hệ thống trực tiếp trên màn hình, loại bỏ nhu cầu nhấn nút trên tủ điện Điều này giúp giảm khối lượng công việc cho đội ngũ vận hành, đồng thời nâng cao hiệu quả và an toàn Nhân viên có thể thực hiện các thao tác điều khiển qua giao diện HMI mà không cần tiếp xúc trực tiếp với thiết bị điện và các bộ điều khiển, giảm thiểu rủi ro và tăng độ chính xác

Nhờ sự tích hợp các chức năng giám sát và điều khiển trong một giao diện trực quan và dễ sử dụng, hệ thống SCADA tạo ra một môi trường làm việc an toàn và hiệu quả Khả năng quản lý và kiểm soát được nâng cao, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống, đồng thời tiết kiệm thời gian cho nhóm vận hành

3.5.3 Thiết kế giao diện SCADA

Giao diện SCADA của nhóm trong đề tài này có màn hình:

Hình 3.27: Giao diện HMI điều khiển qua màn hình

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM GVHD:Nguyễn Văn Trung

Kết quả và thực nghiệm

Mô hình

Qua quá trình thiết kế phần cứng của hệ thống, lựa chọn thiết bị cho hệ thống solar tracking 2 trục thì nhóm đã tiến hành lắp ghép các linh kiện cơ khí, các thiết bị điện có liên quan và đạt được kết quả như hình bên dưới:

Hình 4.1: Mô hình thực tế

Thực nghiệm

Để tính được hiệu quả của hệ thống, nhóm đã thiết lập 2 hệ thống với phương pháp khác nhau nhưng có cấu hình giống nhau, đo và so sánh trong cùng vị trí và thời gian trong một số điều kiện thời tiết khác nhau Tuy nhiên để tiết kiệm chi phí, hệ cố định sẽ được giả lập bằng cách điều khiển mô hình về hướng nam và nghiêng một góc 15° + Hệ 1: lắp cố định tấm panel góc nghiêng 15° theo hướng chính nam

+ Hệ 2: lắp trên hệ tracking thụ động Địa điểm khảo sát: khu dân cư ở số 144 Man Thiện, Tăng Nhơ Phú A, TP HCM Cấu hình mỗi hệ gồm 1 Solar panel 9V- 20W

Hình 4.2: Vị trí tấm pin hệ tracking lúc 9:00

Hình 4.3: Vị trí tấm pin hệ cố định

Bảng 7: Kết quả đo khảo sát về năng lượng

Thời Gian Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V) Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V)

47 Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V) Điện áp hệ cố định (V)

Ng y 19 6 2024 Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V)

Hình 4.4:Đồ thị thể hiện chênh lệch điện năng thu được giữa hai hệ ngày

19/6/2024 Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V) Điện áp hệ cố định (V)

Ng y 20 6 2024 Điện áp hệ cố định (V) Điện áp hệ tracking (V)

Hình 4.5:Đồ thị thể hiện chênh lệch điện năng thu được giữa hai hệ ngày 20/6/2024

Phân tích đánh giá

So sánh điện áp trung bình thu được vào ngày 1 và ngày 2 cho thấy một chênh lệch đáng kể giữa hai hệ thống, hệ cố định và hệ tracking Trên ngày thứ nhất, điện áp trung bình thu được trong hệ thống tracking cao hơn khoảng 7.54% so với hệ cố định Tương tự, vào ngày thứ hai, chênh lệch này còn lớn hơn, với hệ tracking đạt được điện áp trung bình cao hơn khoảng 9.27% so với hệ cố định

Sự khác biệt lớn này có thể được giải thích bởi cách mà hệ tracking hoạt động Hệ tracking, bằng cách điều chỉnh vị trí của các bảng pin mặt trời theo hướng di chuyển của mặt trời trong suốt ngày, có khả năng tối ưu hóa việc thu thập ánh sáng mặt trời hơn so với hệ cố định Trong khi đó, hệ cố định có vị trí cố định và không thể thay đổi, do đó, nó không thể hấp thu được toàn bộ năng lượng mặt trời theo cách mà hệ tracking có thể

Sự chênh lệch đáng kể này trong lượng điện thu được giữa hai hệ thống có thể có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và hiệu quả của hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời Việc lựa chọn hệ thống phù hợp có thể dẫn đến sự tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng đáng kể trong dài hạn

Năng lượng tiêu thụ của hệ khá lớn so với mức năng lượng được tạo ra Tuy nhiên hệ thống này đang dừng lại ở công suất nhỏ, chưa đạt được hiệu quả cao Trong thực tế, khi áp dụng các hệ thống điện mặt trời lớn lượng điện tiêu thụ của hệ thống điện này là không đáng kể

Nhóm đã đạt được thành công triển khai thuật toán để điều khiển tấm pin xoay theo hướng mặt trời Hệ thống có khả năng tối ưu lượng điện năng thu được Tuy nhiên, như bất kỳ dự án nào khác, vẫn có những hạn chế cần được xem xét, giải quyết Một trong những hạn chế quan trọng của hệ thống điều khiển pin năng lượng mặt trời theo thời gian là việc sử dụng điều khiển hoạt động của động cơ thụ động Điều này dẫn đến việc hệ thống không thể chủ động thay đổi các góc tùy ý và dễ dàng bắt điểm chủ động như cảm biến quang Cảm biến quang có thể phản ánh chính xác vị trí của Mặt Trời và điều chỉnh tấm pin mặt trời một cách chính xác và linh hoạt hơn, đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của ánh sáng mặt trời trong suốt ngày

Mặc dù điều này là một hạn chế, nhưng vẫn có những giải pháp để hệ thống hoàn thiện hơn Một trong những cách tiếp cận có thể là tích hợp các cảm biến thông minh và hệ thống điều khiển tự động vào hệ thống, để tạo ra một hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời linh hoạt hơn và có khả năng điều chỉnh đáng tin cậy hơn.

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời bằng PLC S7-1200
Tác giả	Nguyễn Hoàng Cầm, Phan Trọng Đức
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Trung
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Năng lượng tái tạo
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	7,84 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh	Khác
[2] Quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050(Quy hoạch điện VIII), Quyết định 500/QĐ-TTg ngày 15/5/2023	Khác
[3] Nguyễn Phan Anh Quốc, Luận văn Thạc sỹ: Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động (Trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2011, CBHD: TS. Nguyễn Văn Hiếu)	Khác
[4] Luận án cử nhân Kỹ thuật điện và tự động hóa, Nedim Ates Karadadas, Valkeakosk, năm 2021	Khác
[5] Giáo trình môn do lường năng lượng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh	Khác
[6] Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một số 4(47)-2020, đánh giá hiệu suất của hệ thống solar tracking trục đơn sử dụng quang trở,Nguyễn Bá Thành,Văn Hoàng Phương	Khác