Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

XÁC ĐỊNH VÙNG CỰC ĐẠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA

Sinh viên th ực hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin mặt trời

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Hệ thống dùng cho một hộ gia đình trong một ngày: 700W Sử dụng tấm pin công suất 200W

NỘI DUNG THUYẾT MINH

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 3: Thiết kế hệ thống điện tử

Chương 4: Lập trình điều khiển và giao diện người dùng

KẾT LUẬN

BẢN VẼ

Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn 01 A0

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

(ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Ngày tháng năm 201

Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

Ngày tháng năm 201

Giáo viên duyệt (ký tên)

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 6

MỤC LỤC HÌNH 8

MỤC LỤC BẢNG 11

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Đặt vấn đề 13

1.2 Mục tiêu của đề tài 13

1.3 Phạm vi nghiên cứu 14

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 14

1.5 Cơ sở lí thuyết của phương pháp bám mặt trời theo tọa độ địa lí 17

1.6 Tổng quan hệ thống 24

1.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 25

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 26

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí 26

2.2 Tính toán và lựa chọn công suất tấm pin 26

2.3 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí 28

2.4 Tính toán tỉ số truyền 30

2.5 Thiết kế trục 30

2.6 Các chi tiết cơ khí 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 39

3.1 Mạch cảm biến 40

3.2 Mạch so sánh 44

3.3 Mạch xử lý trung tâm 50

3.5 Động cơ 56

3.6 Mạch nguồn 59

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG 60

4.1 Nhiệm vụ công việc lập trình 60

4.2 Ngôn ngữ lập trình C cho STM32F103 62

4.3 Phần mềm lập trình Keil uVision5 67

4.4 Mạch và chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 72

4.5 Code chương trình 75

4.6 Hoạt động của hệ thống 77

4.7 Giao diện người dùng 78

4.8 Vận hành hệ thống 78

KẾT LUẬN 80

1 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn: 80

2 Định hướng phát triển: 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

M ỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt 15

Hình 1.2: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ 16

Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời 17

Hình 1.4: Sự thay đổi góc nghiêng trong năm 18

Hình 1.5: Góc nghiêng vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí 18

Hình 1.6: Góc nhập xạ 19

Hình 1.7: Góc nhập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa 20

Hình 1.8: Minh họa các góc được sử dụng trong công thức 21

Hình 1.9: Góc phương vị 23

Hình 1.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống 24

Hình 2.1: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 1 31

Hình 2.2: Biểu đồ momen trục 1 32

Hình 2.3: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 2 33

Hình 2.4: Biểu đồ momen tác dụng lên trục 2 33

Hình 2.5: Đế 35

Hình 2.6: Ốp trên 35

Hình 2.7: Giá đỡ 36

Hình 2.8: Trục đỡ khâu 2 36

Hình 2.9: Tấm ốp khâu 2 36

Hình 2.10: Bộ truyền trục vít - bánh vít 37

Hình 2.11: Bộ truyền bánh răng 37

Hình 2.12: Mô hình thiết kế 38

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 39

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 40

Hình 3.4: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở 41

Hình 3.5: Nguyên lý xác định hướng mặt trời 41

Hình 3.6: 4 cảm biến đặt tại 4 cạnh của khối lăng trụ 41

Hình 3.7: Bóng của khối trụ theo góc nghiêng của mặt trời 42

Hình 3.8: Cấp điện cho cặp cảm biến trong mạch so sánh 42

Hình 3.9: Sơ đồ mạch cảm biến hoàn chỉnh 43

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 44

Hình 3.11: Các khoảng điện áp đầu vào 46

Hình 3.12: Mạch so sánh dùng 2 opamp 47

Hình 3.13: Cầu phân áp 47

Hình 3.14: Sơ đồ mạch nguyên lý 49

Hình 3.15: Mạch in mạch so sánh 49

Hình 3.16: Hình 3D mạch so sánh 50

Hình 3.17: Vi điều khiển STM32F103 51

Hình 3.18: Cấu hình STM32F103 52

Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch xử lý trung tâm 52

Hình 3.20: Buttons 52

Hình 3.21: Text LCD 53

Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 53

Hình 3.23: Bản vẽ mạch in mạch xử lý trung tâm 54

Hình 3.24: Cấu tạo và kí hiệu transistor lưỡng cực 55

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 55

Hình 3.26: Cấu tạo động cơ bước 56

Hình 3.27: Stepper Motor KH42JM2-912 57

Hình 3.28: Đồ thị quan hệ tốc độ - momen 58

Hình 3.29: Sơ đồ các cuộn dây 58

Hình 3.30: Nguồn 12V - 2A 59

Hình 3.31: Mạch ổn áp một chiều 5V 59

Hình 4.1: Phần mềm Keil C Uvision 5 67

Hình 4.2: Tạo project trong Keil C 68

Hình 4.3: Chọn chip 68

Hình 4.4: Cửa sổ project mới 69

Hình 4.5: Thêm file vào project 70

Hình 4.6: Cấu hình cho project 70

Hình 4.7: Nhập tần số thạch anh 71

Hình 4.8: Chọn đường dẫn thư viện 71

Hình 4.9: Viết chương trình trong phần mềm 72

Hình 4.10: Mạch nạp ST-LINK V2 72

Hình 4.11: Giao diện phần mềm 73

Hình 4.12: Giao diện cấu hình nạp chíp của ST Vitual Programmer 74

Hình 4.13: Giao diện 74

M ỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời 14

Bảng 2.1: Nhu cầu sử dụng điện mức trung bình của 1 hộ gia đình 26

Bảng 2.2: Thông số tấm pin mặt trời 28

Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật quan điện trở Cds NORP12 43

Bảng 3.2: Opamps lý tưởng và opamps thực tế 45

Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật IC LM358 46

Bảng 3.4: Xác định hướng từ cặp cảm biến đưa về 48

Bảng 3.5: Cấu hình STM32F103RCT6: 51

Bảng 3.6: Cấu hình động cơ bước 57

L ỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam là thủy điện và nhiệt điện Bên cạnh đó nguồn năng lượng hóa thạch đang bị cạn kiệt, việc sử dụng chúng cũng gây ra sự ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính Bởi vậy, việc tìm ra và sử

dụng các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng sạch là rất cần thiết

Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt

trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng bức xạ mặt

trời thuộc loại cao nhất trên thế giới (vào khoảng 4.5 – 6 KWh/m2

) Do đó, sử

dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất khả thi

Với mong muốn đưa năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến và phát triển hơn nữa ở Việt Nam, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế

sản xuất và đời sống Vì vậy, nhóm sinh viên em đã thực hiện đề tài: “Nghiên

c ứu, cải tiến và ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại năng lượng mặt trời dựa theo vị trí địa lí lắp đặt hệ thống pin mặt trời”

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

Em xin chân thành cảm ơn:

Thầy hướng dẫn: TS Đặng Thái Việt

Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn máy và ma sát học đã tận tình chỉ bảo

để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Hà nội, ngày 4 tháng 6 năm 2015

Sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Hà

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn năng lượng tái tạo được và nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan tâm Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai

Năng lượng Mặt Trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay

thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi

trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin

mặt trời Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng

Tại Việt Nam, với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt

trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, tính chất phân vùng theo vĩ

độ, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao, do đó sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong lĩnh vực đời sống và sản xuất

Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng Pin năng lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng

mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu suất thu năng lượng của tấm pin

Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất giải pháp đưa ra là thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời theo hệ vĩ độ của

từng địa phương, từ hệ thống vĩ độ của từng địa phương, ta có được góc nhập xạ

của mặt trời theo từng ngày, từ đó có thể đảm bảo tấm pin mặt trời luôn vuông góc với tia sáng, nhằm đạt được hiệu suất là lớn nhất

1.2 M ục tiêu của đề tài

• Giải quyết vấn đề của hệ thống cũ, phát triển thêm tính năng để nâng cao

ệu suất hoạt động của tấm pin mặt trời

• Nhiệm vụ:

- Giải quyết nhược điểm của hệ thống bám mặt trời bằng cảm biến

- Bổ sung khả năng chuyển chế độ linh hoạt theo từng điều kiện thời tiết

- Kiểm nhiệm độ chính xác của hệ thống

1.3 Ph ạm vi nghiên cứu

Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định hướng pin mặt trời nhưng do điều

kiện thời gian, kinh phí có hạn, đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:

• Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời để có thể phát triển, áp

dụng rộng rãi vào thực tiễn

• Sử dụng hệ thống cảm biến trong nhận biết phương hướng mặt trời, bám theo vùng cực đại năng lượng mặt trời

• Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ

thống

• Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước

1.4 L ựa chọn phương án thiết kế

Theo [1], em đưa ra các đặc điểm sau đây để xem xét lựa chọn hệ thống:

• Một trục chuyển động hoặc hai trục chuyển động

• Có/Không sử dụng thiết bị cảm biến quang

• Tự cung cấp năng lượng hoặc dùng nguồn ngoài

• Bám theo vùng cực đại năng lượng mặt trời hay là di chuyển theo lịch trình đặt trước

• Điều khiển liên tục hay ngắt quãng

• Hoạt động cả năm hay loại trừ mùa đông

Đặt cố định Xoay theo 1 trục Xoay theo 2 trục

B ảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời

• Hiệu suất: Do tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt

trời nên lượng ánh sáng mà tấm pin thu được là nhiều nhất đồng nghĩa với

Hình 1.1: Bi ểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt

• Độ tin cậy: hệ thống định hướng nhờ các cảm biến đặt tại bốn phương Đông – Tây, Nam – Bắc, liên tục xác định vị trí, hướng di chuyển của mặt

trời, điều khiển tấm pin luôn vuông góc với các tia nắng Các cảm biến được phủ 1 lớp plastic trong suốt, bền với điều kiện môi trường bên ngoài

Do vậy, hệ thống làm việc rất tin cây

• Chi phí: giá thành của một hệ thống pin mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt Hệ thống định hướng mặt trời có hiệu

suất cao nên sẽ giảm số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt so với các hệ

thống khác nếu cùng công suất Do đó, chi phí hệ thống giảm

• Từ những phân tích trên, ta thấy rằng một hệ thống định hướng mặt trời xoay theo hai trục ưu việt hơn so với các phương pháp khác về hiệu suất,

độ tin cậy và chi phí lắp đặt

Hình 1.2: Chuy ển động quay theo 2 trục tọa độ

• Sau khi tìm hiểu kĩ hai phương pháp theo [4], em thấy rằng phương pháp

thứ hai xoay và nghiêng theo hai trục ít phức tạp hơn Từ đó, nhóm đã xây

dựng hệ thống cơ khí theo phương pháp này

c Các phương án bám mặt trời

• Thụ động

Nguyên lí lợi dụng sự chuyển vị của dãn nở vì nhiệt hoặc hợp kim nhớ hình, thông thường gồm hai thiết bị truyền động ngược nhau và được thiết

kế cân bằng, qua tác động của ánh sáng và các thiết bị khuếch đại gây ra sự

mất cân bằng Sau khi chuyển vị đến vị trí cân bằng thì hệ thống sẽ dừng

Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm: Hiệu suất thấp, ngừng hoạt động ở nhiệt độ thấp

• Hoạt động (bám mặt trời)

- Dùng vi xử lí và cảm biến quang

- Dùng camera

- Dùng tấm cảm quang phụ BIFACIAL

- Dựa trên địa lí, ngày giờ

- Kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ

• Dựa trên quan điểm kế thừa và cải tiến hệ thống cũ em lựa chọn phương án

kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ

1.5 Cơ sở lí thuyết của phương pháp chuyển động bám mặt trời theo tọa độ địa lí

Dựa trên nguyên lý được trình bày trong [2] để áp dụng và thiết kế hệ

thống trong đồ án tốt nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất phát điện của hệ thống pin

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 1.3: S ự chuyển động 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

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

b Xích vĩ độ (declination angle)

Xích vĩ độ 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 1.4: S ự thay đổi xích vĩ độ trong năm

Sự thay đổi xích vĩ độ đòi hỏi một công thức tính cho một ngày bất kỳ trong năm nhằm tính toán được góc nhập xạ của mặt trời trong ngày tương ứng

đó

Xích vĩ độ có thể được tính theo công thức sau (theo [1]):

trong mùa hè ở bán cầu bắc và giảm dần trong mùa đông của bán

cầu nam Giá trị lớn nhất đạt 23,450

vào ngày 22 tháng 6 (mùa hè tại bán cầu bắc)

và nhỏ nhất đạt (– 23,450

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

Góc nhập xạ (α) 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

00 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

Hình 1.6: Góc nh ập xạ

Hình 1.7: Góc nh ập xạ bằng 0 độ và lên đỉnh đầu vào giữa trưa

Một điểm quan trọng của góc nhập xạ đã nói ở trên trong việc thiết kế hệ

thống thu nhận năng lượng mặt trời là góc nhập xạ tối đa lớn nhất trong ngày, đó

là lúc mặt trời lên đỉnh vào giữa trưa và góc này phụ thuộc vào vĩ độ từng địa điểm, cũng như phụ thuộc vào xích vĩ độ đã nói ở mục b Sự hình thành góc nhập

xạ được biểu diễn như sau

Hình 1.8: C ác góc được sử dụng trong công thức

Hình 1.8a: X ích vĩ độ lớn nhất (δ) của trái đất, xảy ra tại ngày hạ chí ở bắc bán cầu và ngày

đông chí tại nam bán cầu

Hình 1.8b: φ là vĩ độ của địa điểm đang cần tính góc nhập xạ, δ là xích vĩ độ, còn ζ là

góc đỉnh, có giá trị là ζ = φ – δ

• φ > 0 khi vĩ độ cần tính góc nhập xạ ở Bắc bán cầu, φ < 0 tại Nam bán cầu

• δ là xích vĩ độ, tại đó mặt trời chiếu vuông góc xuống mặt đất

Tuy nhiên góc nhập xạ không cố định mọi giờ trong ngày, mà luôn thay đổi, tăng từ 00

lên thiên đỉnh rồi lại trở về 00

, vì vậy ta cần dùng công thức sau để tính góc nhập xạ cho từng giờ trong ngày:

( )1

Với HRA là Góc giờ (hour angle), Góc giờ chuyển đổi thời gian mặt trời ở địa phương (local solar time) ra số độ mà mặt trời di chuyển trên bầu trời Về cơ

bản, góc giờ là 00

tại giữa trưa Trái đất xoay 150

mỗi giờ, mỗi giờ càng xa giữa trưa, góc giờ sẽ chuyển động tương ứng với 150

mỗi giờ trên bầu trời Với mỗi

giờ trước 12h trưa, góc giờ mang dấu âm, vào buổi chiều, góc giờ mang dấu dương

HRA=  LST −

(1.4) Trong đó:

• HRA: góc giờ

• LST: giờ mặt trời tại địa phương

d Góc phương vị (azimuth angle)

Góc phương vị (β) 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 900

lúc mọc và 2700

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

Hình 1.9: Góc phương vị (β)

Góc phương vị giống vị trí góc ở la bàn với 00

tại chính Bắc và 1800 ở chính Nam

Góc phương vị được tính như sau:

góc nhập xạ và góc phương vị phải được tính toán trong cả ngày Các khu vực trên trái đất được chia thành những múi giờ nhất định Tại một vị trí nhất định trên trái đất, ta thấy mặt trời thực hiện chuyển động từ đông sang tây, từ thấp lên thiên đỉnh vào giữa trưa, vì vậy để xác định vị trí của mặt trời, ta đi xác định hai góc: góc nhập xạ và góc phương vị

1.7 Nguyên lý ho ạt động của hệ thống

Hệ thống có 3 chế độ hoạt động:

Khi hệ thống ở chế độ này, tấm pin sẽ tự động di chuyển đến vị trí thẳng

với hướng có cường độ ánh sáng mạnh nhất được xác định bởi 4 cảm biến ánh

sáng và mạch so sánh

Khi mặt trời bị mây che, hoặc vào những ngày mưa… cường độ sáng sẽ

xuống mức rất thấp, do đó cảm biến sẽ không nhận đủ độ sáng cần thiết để xác

định hướng di chuyển cần thiết

Hoặc vào những ngày hè cường độ ánh sáng mặt trời lớn, cảm biến sẽ hoạt

động không hiệu quả và có thể bị sai do ánh sáng tán xạ và phản xạ từ vật liệu

hoặc môi trường xung quanh

Khi đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ tự động Tấm pin sẽ tự động xoay

và điều chỉnh góc nhập xạ và góc phương vị theo giờ, với dữ liệu được tính toán

Chế độ này cho phép người dùng điều khiển hệ thống theo các góc phương

vị , nhập xạ cố định thông qua giao diện nút bấm trên bảng điều khiển Góc quay

cố định tối ưu có thể dễ dàng tra cứu trong bảng số liệu (thường là góc lúc mặt

trời lên thiên đỉnh)

Chế độ được sử dụng trong trường hợp hệ thống cần bảo trì, thay thế cần

phải tháo rời bộ điều khiển hay trong trường hợp thời tiết khắc nhiệt: bão hoặc có

tuyết

Khuyến cáo quay góc nhập xạ xuôi theo hướng gió góc 45o trong trường

hợp gió bão to, và góc nhập xạ quay 15otrong trường hợp tuyết rơi

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí

• Nhiệm vụ:

Cơ cấu cơ khí bao gồm các chi tiết nâng đỡ, điều chỉnh tấm pin chuyển

động hướng theo mặt trời

• Yêu cầu:

- Kết cấu đơn giản

- Độ cứng vững và độ bền cao

- Chuyển động êm, độ chính xác cao

2.2 Tính toán và l ựa chọn công suất tấm pin

Theo Cơ sở dữ liệu về bức xạ mặt trời của đài khí tượng NASA thường được dùng trong tính toán lắp đặt tấm điện mặt trời Thì tại miền Bắc, bức xạ

mặt trời dao động trong khoảng 3,8-4,3 KWh/m2/ngày; tại miền Trung khoảng

từ 4,5-5,21 KWh/m2/ngày; tại miền Nam khoảng 4,8-5,23 KWh/m2/ngày

Theo [4], tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau: Thiết bị Số lượng Công suất (W) Thời gian (h)

Bảng 2.1: Nhu cầu sử dụng điện mức trung bình của 1 hộ gia đình

• Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày

Chọn inverter 250W trở lên

• Tính toán Battery:

Dung lượng Battery(Ah) = hiệu suất battery ×mức DOD × điện thế batterytổng Wh tiêu thụ mỗi ngày

Dung lượng Battery(Ah) = 0.85×0.6×12698 = 114

Với 3 ngày dự phòng, dung lượng bình = 145 x 3 = 435Ah

Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/500Ah cho 3 ngày dự phòng

• Tính solar charge controller

Thông số của PV module: Pm = 200 Wp, 35V, Im = 5.71 A, Isc = 6.37 A Như vậy solar charge controller = 5.71(A)

Chọn solar charge controller có dòng 6A/12 V hay lớn hơn

Sử dụng tấm pin mặt trời 180W (Giá bán: 4.920.000Đ) của công ty VIMETCO SOLAR ENERGY.,JSC, với các thông số sau:

Bảng 2.2: Thông số tấm pin mặt trời

2.3 Thi ết kế, chế tạo kết cấu cơ khí

Theo [5] và [6], chọn chuyển động quay quanh 2 trục thông qua việc truyền động giữa các cặp bánh răng trụ và các cặp bánh vít - trục vít

• Ưu điểm

- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

- Tỷ số truyền không thay đổi

- Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0,99

• Nhược điểm sau:

- Chế tạo tương đối phức tạp

- Đòi hỏi độ chính xác cao

- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

• Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta

chọn trục là loại trục bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm

bảo các điều kiện lắp ghép

- Giới hạn chảy: σ =ch 360 MPa

- Ứng suất xoắn cho phép: [ ]τ =15 30 MPa÷

• Trục 1:

Các thông số đầu vào:

1 w1 ' w1

1

51352141

òn / út14

34.5

x

y z

2000

x

y

y x t

446.596630.665376.47

772.778

2.4090.1

x y

y x t

td

l

M M T

1118.851766.1472000

1356.027

3.3220.1

x y

y x t

td

l

M M T

⇒Thỏa mãn điều kiện bền

• Một số chi tiết điển hình:

Hình 2.5: Đế

Hình 2.6: Ốp trên

Hình 2.7: Giá đỡ

Hình 2.8: Tr ục đỡ khâu 2

Hình 2.9: T ấm ốp khâu 2

Hình 2.10: B ộ truyền trục vít - bánh vít

Hình 2.11: B ộ truyền bánh răng

Hình 2.12: Mô hình thi ết kế

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Góc quay tấm pin Động cơ Công suất

Xử lý trung tâm

Xử lý tín hiệu cảm biến

Dữ liệu địa lý

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện

Hệ thống bao gồm 6 khối:

• Mạch cảm biến: cung cấp tín hiệu về hướng cho mạch so sánh

• Mạch so sánh: xử lý tín hiệu từ cảm biến đưa về, rồi đưa tín hiệu vào vi điểu khiển

• Mạch xử lý trung tâm: nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển, đồng thời lưu dữ liệu cho chế độ điều khiển tự động theo thời gian, hiển thị báo hiệu nguồn, chế độ hoạt động, hướng quay…

• Mạch công suất: nhận tín hiệu điều khiển từ mạch xử lý trung tâm để điều khiển đóng kích từng pha của động cơ bước

• Động cơ: là cơ cấu chấp hành, tạo momen quay

• Nguồn: cung cấp nguồn điện cho toàn hệ thống

3.1 Mạch cảm biến

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến

Hệ thống bám mặt trời hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ chiếu sáng

của mặt trời tới cảm biến, từ đó sẽ nhận biết được hướng di chuyển của mặt trời

Cường độ ánh

sáng

(Đầu vào)