Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động = the tracking system for solar car

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHAN ANH QUỐC HỆ TRACKING NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG = THE TRACKING SYSTEM FOR SOLA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHAN ANH QUỐC

HỆ TRACKING NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG

= THE TRACKING SYSTEM FOR SOLAR CAR

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 3 0 9 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHAN ANH QUỐC

LÝ LỊCH CÁ NHÂN

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: NGUYỄN PHAN ANH QUỐC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1979 Nơi sinh: Ninh Thuận

Quê quán: Phan Rang – Ninh Thuận Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 04 Mai Xuân Thưởng – KP4 – phường Tấn Tài – Tp Phan Rang – Tháp Chàm – Ninh Thuận

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 2002 đến 2004

Thời gian đào tạo: từ năm 2001 đến năm 2004

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử

Tên luận văn tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY Nơi bảo vệ : Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Người hướng dẫn: TS Trần Thu Hà

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công tác đảm nhiệm

Từ tháng

9/2004 đến nay

Trường Trung cấp nghề Ninh Thuận

+ Phó trưởng khoa KHCB + Giáo viên giảng dạy điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15tháng05 năm 2011

Nguyễn Phan Anh Quốc

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Hiếu, Trưởng Bộ môn Vật

lý Điện tử (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHKHTN), người trực tiếp hướng dẫn, đôn đốc và tận tình hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài Tôi đã học được nhiều điều từ thầy như tinh thần hăng say làm việc, những đam mê nghiên cứu khoa học và kỹ năng quản lý Cảm ơn quý thầy,cô của Bộ môn Vật lý điện tử, nơi tôi đã thực hành và đo các kết quả của mô hình

Tôi cũng chân thành cảm ơn quý thầy,cô đã giảng dạy cho tôi trong chương trình cao học Xin trân trọng cảm ơn BGH Trường và giáo viên Khoa Điện – Điện

tử, Khoa Khoa học cơ bản của Trường Trung cấp nghề Tỉnh Ninh Thuận đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đi học

Tôi cảm ơn đến ông Diệp Bảo Cánh, TGĐ Công ty REDSUN, ông Nguyễn Thanh Hùng, GĐ công ty Điện tử Hai Sao đã giúp đỡ tôi trong việc tìm hiểu về quy trình sản xuất tấm pin mặt trời, hỗ trợ các trang thiết bị cho tôi hoàn thành đề tài Xin cảm ơn anh,chị học viên lớp Kỹ thuật Điện tử khóa 2009 – 2011 đã chia sẽ, cung cấp tài liệu, góp ý quý báu trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn thạc sỹ

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi cả về tinh thần và vật chất trong thời gian học tập

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học

Nguyễn Phan Anh Quốc

TÓM TẮT LUẬN VĂN



Luận văn này thực hiện các nội dung nghiên cứu cho việc thiết kế hệ thống Solar Tracking hướng tới các ứng dụng cho những tấm pano pin năng lượng mặt trời cố định hoặc các xe tự hành có hệ tracking năng lượng mặt trời

Hệ thống solar tracking là hệ thống điều khiển tấm pin mặt trời xoay theo hướng ánh sáng, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang – điện so với tấm pin đặt cố định

Một hệ tracking 2 trục được thực hiện bởi 2 động cơ bước kiểu lưỡng cực thông qua cơ cấu truyền lực trục vít, bánh răng Linh kiện IC L297 và L298 được

sử dụng điều khiển động cơ Tín hiệu điều khiển được thực hiện bởi vi điều khiển PIC 18F4550 nhằm xử lý các dữ liệu điện áp được gửi từ các cảm biến ánh sáng (LDR) và từ tấm pin

Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện hệ tracking được ứng dụng trong hai trường hợp, đặt cố định và di động Với ứng dụng tracking động, hệ tracking cần phải gắn trên một xe để có thể di chuyển đến nơi có nắng to

Đề tài này đã được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Bộ môn Vật lý điện tử, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM trong suốt thời gian 6 tháng Chúng tôi đã hoàn thành thiết kế, chế tạo và khảo sát thực nghiệm Các kết quả cho thấy khả năng nạp điện cho accu của tấm pin có tracking cao hơn tấp pin cố định Chúng tôi cũng so sánh với các hệ tracking đã công bố để khẳng định tính khả thi của kết quả nghiên cứu

Tác giả Nguyễn Phan Anh Quốc

ABSTRACT



This master thesis were studied about the research topic on the design of solar tracking system toward the application of solar panels and solar cars with tracking solar panel

Tracking solar equipment is an Electro Mechanic System that drives the solar panel to be directed toward the sun It can be reduced the minimum of angle between the light ray and the normal of solar panel Consequently, the effective of photo-electric transformation of tracking solar system will be higher that static solar panel

The two-axes solar tracking system was operated by the two bipolar step motor with the mechanism of transfer force of screws and begel gears The electronic devices of IC L297 and L298 were applied to drive the motors

The control signals were done by the micro processor of PIC 18F4550 to process the voltage levels which obtained from light dependent resistors (LDR) and solar cell panels

In this work, we studied and made the tracking solar equipment with the both applications of static and dynamic solar devices For the dynamic solar tracking device, a toy car or remote car must be used to move to the sunlight

This work was done in some laboratories of Faculty of Electric and Electronic Engineering, Ho Chi Minh City University of Technical Education and department

of physics and Electronic Engineering, University of Science in during 6-months

We already finished in the research, design, manufacture and measurement for our solar tracking system The measurement data demonstrated the capacity of charge for accu from solar tracking panel was better than the normal solar panel The comparison with other solar tracking system was done to affirm the feasible of our studies in this solar tracking work

Author Nguyen Phan Anh Quoc

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Abtract vi

Mục lục viii

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay 1

1.2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 7

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 7

1.3.2 Giới hạn đề tài 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu 7

1.5 Dự kiến kết quả đạt được 8

1.6 Kế hoạch thực hiện đề tài 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam 9

2.2 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời 13

2.2.1 Cấu tạo của pin mặt trời: 13

2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời: 15

2.3 Nguyên lý tracking và điều khiển 16

2.4 Các hệ solar tracking đã công bố 17

2.5 Nguyên lý nạp điện accu 17

2.5.1 Nguyên lý nạp điện cho accu từ tấm pin mặt trời 18

2.5.2 Phương pháp nạp accu 19

2.5.3 Tốc độ nạp 20

2.6 Solar car và các ứng dụng 20

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLAR TRACKING 3.1.Giới thiệu và sơ đồ khối 26

3.2 Hệ thống cơ khí 27

3.3 Hệ solar tracking 29

3.3.1 Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng 29

3.3.2 Điều khiển động cơ 31

3.3.3 Mạch điều khiển trung tâm 32

3.4 Giải thuật và chương trình điều khiển 33

3.4.1 Giải thuật chương trình chính 35

3.4.2 Giải thuật chương manual 36

3.4.3 Giải thuật chương trình quét phím 37

3.4.4 Giải thuật chương trình dò vị trí ban đầu 38

3.4.5 Giải thuật chương trình check sensor 39

3.4.6 Chương trình điều khiển 40

3.5 Mô hình xe chở hệ tracking 40

3.5.1 Phần khung xe 41

3.5.2 Bộ thu phát RF 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Khảo sát chuyển động và hoạt động tracking 42

4.1.1 Chế độ hoạt động bằng tay (manual) 42

4.1.2 Đo điện áp tấm pin với vị trí khác nhau 42

4.1.3 Chế độ tự động (automatic) 46

4.2 Nạp điện từ solar cell 51

4.2.1 Nạp điện từ tấm pin cố định (chưa tracking) 51

4.2.2 Nạp điện từ tấm pin có tracking 57

4.2.3 Phân tích kết quả 61

4.3 So sánh với các hệ tracking khác 62

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận về hệ tracking 64

5.1.1 Những công việc đã thực hiện 64

5.1.2 Những tồn đọng 65

5.2 Hướng phát triển 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

DANH SÁCH CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Sơ đồ khối Hệ thống điện mặt trời 5

Hình 1.2 Góc đặt tấm pin mặt trời 6

Hình 2.1 Cấu tạo của pin mặt trời 14

Hình 2.2 Nguyên lý của pin mặt trời 16

Hình 2.3 Mạch tương đương quá trình nạp 18

Hình 2.4 Xe năng lượng mặt trời 20

Hình 2.5 Xe chạy trong sân golf 23

Hình 2.6 Xe scooter chạy bằng điện nạp từ năng lượng mặt trời 24

Hình 2.7. Xe điện mặt trời hybrid Astrolab 25

Hình 3.1 Sơ đồ khối Hệ pin mặt trời tự xoay (solar tracking system) 27

Hình 3.2 Động cơ 1 27

Hình 3.3 Động cơ 2 28

Hình 3.4 Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh 28

Hình 3.5 Quang trở 29

Hình 3.6 Vị trí cảm biến khi hướng ánh sáng thay đổi 29

Hình 3.7 Mạch quang trở dùng transistor ổn dòng 30

Hình 3.8 Bộ cảm biến hoàn chỉnh 30

Hình 3.9 Động cơ lưỡng cực 31

Hình 3.10 Mạch cầu H với transistor 31

Hình 3.11 Sơ đồ chân IC L298 32

Hình 3.12 Mạch hệ tracking hoàn chỉnh 33

Hình 3.13 Động cơ 1 điều khiển hai bánh sau 40

Hình 3.14 Hộp số 41

Hình 3.15 Mô hình xe – hệ tracking hoàn thiện 41

Hình 4.1 Bộ nút nhấn 42

Hình 4.2 Mạch đo điện áp pin 43

Hình 4.3 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 44

Hình 4.4 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 45

Hình 4.5 Hiệu chỉnh điện áp cảm biến 46

Hình 4.6 Chọn chế độ tự động 46

Hình 4.7 Bốn cảm biến 47

Hình 4.8 Đo điện áp pin, accu 47

Hình 4.9 Kết nối máy tính qua cổng COM 48

Hình 4.10 Đọc dữ liệu bằng CodeVisionAVR 48

Hình 4.11 Vị trí tấm pin lúc 9h00 49

Hình 4.12 Vị trí tấm pin lúc 11h50 49

Hình 4.13 Vị trí tấm pin lúc 14h00 50

Hình 4.14 Các vị trí tấm pin khi xe di chuyển 50

Hình 4.15 Mạch nạp cho accu từ solar cell 51

Hình 4.16 Đo dòng điện, điện áp 52

Hình 4.17 Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 07:00 đến 14:20 tại Quận 2 Tp.HCM 54

Hình 4.18 Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 07:00 đến 14:20 tại Quận 2 Tp.HCM 54

Hình 4.19 Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 08:05 đến 15:35

DANH SÁCH CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1 Giá trị điện áp, dòng điện phụ thuộc góc lệch 7 Bảng 2.1 Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 10 Bảng 2.2 Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 11

Bảng 2.3 Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 12 Bảng 4.1 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 43 Bảng 4.2 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 2 44 Bảng 4.3 Độ nhạy của tấm pin 45 Bảng 4.4 Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày

Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Trong thời đại khoa học phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên và ngay cả thủy điện cũng có hạn khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa Do đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng

Năng lượng mặt trời (Solar Energy) là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, đang được loài người thật sự quan tâm Do đó việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề mang tính thời sự.Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được sử dụng ở dạng nhiệt năng, người ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng dùng

vào các mục đích khác nhau như: Nhà máy nhiệt điện, thiết bị xấy khô, bếp nấu,

thiết bị chưng cất nước, động cơ Stirling, thiết bị đun nước nóng, thiết bị làm lạnh

và điều hòa không khí

Thứ hai, năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào

quang điện bán dẫn, còn gọi là Pin mặt trời (Soalr Cell), các Pin mặt trời sản xuất điện năng một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới Pin mặt trời có ưu điểm là gon nhẹ, có thể lắp bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, giao thông (Solar Car) và trong sinh hoạt nhằm

Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system

thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Thế giới sử dụng năng lượng mặt trời:

Khi mà các quốc gia trên thế giới quan tâm đến việc bảo vệ môi trường và ngăn chặn hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng dần lên của vỏ Trái đất thì các quốc gia bắt dầu nghiên cứu các phương pháp khác nhau để ngăn chặn hiện tượng trên và năng lượng chính là ngành được quan tâm và phát triển Trong đó phải kể đến ngành năng lượng mặt trời, bởi năng lượng mặt trời là khá lớn và không gây ra hiệu ứng nhà kính nên đang được đầu tư và phát triển Do đó, ngành công nghiệp pin mặt trời rất được quan tâm phát triển ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có thể

kể đến Nhật Bản, Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Trung Quốc là những nước đứng đầu về sản lượng cells và modules

Pin mặt trời được phát triển trong khá nhiều lĩnh vực: máy tính (thiết bị sạc

đa năng sử dụng năng lượng mặt trời có thể dùng để sạc pin cho nhiều loại di động

và máy tính khác nhau), đồng hồ (PRW-1500 của Casio…), đồ dùng cá nhân (túi,

ba lô có gắn pin mặt trời, điện thoại di động tích hợp bộ sạc pin năng lượng mặt trời…), đồ dung hàng ngày (LCD cảm ứng tích hợp các tấm pin mặt trời trên bề mặt, thiết bị chiếu sáng sử dụng pin mặt trời…) Pin mặt trời còn được dùng trong một số hệ thống khác ví dụ để chạy ô tô thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, làm nguồn năng lượng cho cá vệ tinh hoạt động, [1]

Trong công nghiệp, người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời với công suất lớn, hiện tại các hệ thống này đang cung cấp 0,5% nhu cầu điện của thế giới và sẽ tăng lên 2,5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào năm 2040

Nhật Bản là quốc gia đứng đầu về sản lượng cell và modules pin mặt trời Tính đến năm 2010, Nhật Bản đã sản xuất được 4,82G W điện mặt trời, chiếm 50% thị phần quốc tế

Đức, một trong các nước đi tiên phong trong lĩnh vực phát triển nguồn năng lượng sạch, đã theo đuổi mục tiêu cắt giảm mạnh lượng khí thải CO2 nhằm thực