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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CỬ NHÂN CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN, 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 Sinh viên thực NGUYỄN ĐĂNG HÀ CN-CĐT K55 Giáo viên hướng dẫn TS ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt HÀ NỘI, 6/2015 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Viện: Ngành: Lớp: NGUYỄN ĐĂNG HÀ CƠ KHÍ CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ CỬ NHÂN CƠ ĐIỆN TỬ – K55 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Nghiên cứu, cải tiến ứng dụng công nghệ tự động xác định vùng cực đại 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 hộ gia đình ngày: 700W Sử dụng pin công suất 200W NỘI DUNG THUYẾT MINH LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thiết kế hệ thống khí Chương 3: Thiết kế hệ thống điện tử Chương 4: Lập trình điều khiển giao diện người dùng KẾT LUẬN Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢN VẼ Tên vẽ Bản vẽ lắp ghép khí Bản vẽ chi tiết khí Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn Bản vẽ sơ đồ mạch điện hệ thống Tổng số vẽ TRƯỞNG BỘ MÔN (ký, ghi rõ họ tên) Số lượng 01 01 01 01 01 Kích thước A0 A0 A0 A0 A0 05 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 SINH VIÊN THỰC HIỆN (ký, ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH MỤC LỤC BẢNG 11 LỜI NÓI ĐẦU 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Mục tiêu 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 phương pháp bám mặt trời theo tọa độ địa lí 17 1.6 Tổng quan hệ thống 24 1.7 Nguyên lý hoạt động hệ thống 25 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 26 2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu hệ thống khí 26 2.2 Tính toán lựa chọn công suất pin 26 2.3 Thiết kế, chế tạo kết cấu khí 28 2.4 Tính toán tỉ số truyền 30 2.5 Thiết kế trục 30 2.6 Các chi tiết 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 3.4 Mạch công suất cho động bước 54 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.5 Động 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 chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 72 4.5 Code chương trình 75 4.6 Hoạt động hệ thống 77 4.7 Giao diện người dùng 78 4.8 Vận hành hệ thống 78 KẾT LUẬN 80 Ý nghĩa khoa học ứng dụng thực tiễn: 80 Định hướng phát triển: 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất phương pháp lắp đặt 15 Hình 1.2: Chuyển động quay theo trục tọa độ 16 Hình 1.3: Sự chuyển động mặt trời 17 Hình 1.4: Sự thay đổi góc nghiêng 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 độ lên đỉnh đầu vào trưa 20 Hình 1.8: Minh họa góc sử dụng 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 31 Hình 2.2: Biểu đồ momen trục 32 Hình 2.3: Biểu đồ lực tác dụng lên trục 33 Hình 2.4: Biểu đồ momen tác dụng lên trục 33 Hình 2.5: Đế 35 Hình 2.6: Ốp 35 Hình 2.7: Giá đỡ 36 Hình 2.8: Trục đỡ khâu 36 Hình 2.9: Tấm ốp khâu 36 Hình 2.10: Bộ truyền trục vít - bánh vít 37 Hình 2.11: Bộ truyền bánh 37 Hình 2.12: Mô hình thiết kế 38 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 39 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện 40 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 40 Hình 3.4: Hình dạng thực tế kí hiệu quang điện trở 41 Hình 3.5: Nguyên lý xác định hướng mặt trời 41 Hình 3.6: cảm biến đặt cạnh khối lăng trụ 41 Hình 3.7: Bóng khối trụ theo góc nghiêng mặt trời 42 Hình 3.8: Cấp điện cho cặp cảm biến 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 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 kí hiệu transistor lưỡng cực 55 Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 55 Hình 3.26: Cấu tạo động bước 56 Hình 3.27: Stepper Motor KH42JM2-912 57 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.28: Đồ thị quan hệ tốc độ - momen 58 Hình 3.29: Sơ đồ cuộn dây 58 Hình 3.30: Nguồn 12V - 2A 59 Hình 3.31: Mạch ổn áp chiều 5V 59 Hình 4.1: Phần mềm Keil C Uvision 67 Hình 4.2: Tạo project Keil C 68 Hình 4.3: Chọn chip 68 Hình 4.4: Cửa sổ project 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 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 ST Vitual Programmer 74 Hình 4.13: Giao diện 74 Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP } Giải thích: Thực lặp câu lệnh điều kiện đúng, câu lệnh sai thi thoát khỏi vòng lặp • Bộ tiền xử lý: #define : Dùng để định nghĩa Ví dụ: #define dung #define sai có nghĩa dung có giá trị Trong chương trình có đoạn code sau: bit kiemtra if (bit==dung) { // Các câu lệnh} if (bit==sai) { // Các câu lệnh} 4.3 Phần mềm lập trình Keil uVision5 a Giới thiệu phần mềm Keil C hay gọi Keil 8051 công cụ phần mềm hỗ trợ đầy đủ để người dùng soạn thảo biên dịch chương trình dành cho vi điều khiển thuộc họ 8051 ngôn ngữ C Assembly Hình 4.2: Phần mềm Keil C Uvision Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP b Tạo Project Keil C Sau cài đặt Keil C, desktop xuất icon phần mềm, mở lên tiến hành làm theo bước sau đây: - Tạo Project Chọn menu Project chọn New Project… Hình 4.3: Tạo project Keil C - Chọn đường dẫn lưu Project, gõ tên Project vào khung File name, chọn Save - Chọn đến tên chip cần lập trình, ví dụ chip STM32F103RC hãng ST, chọn OK Hình 4.4: Chọn chip Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Màn sau xuất hiện, chọn OK - Project tạo sau: Hình 4.5: Cửa sổ project Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thực add file viết code tạo thư viện vào Project Chọn chuột phải vào Source Group chọn Add File to Group ‘Source Group 1’, chọn đến file Add Hình 4.6: Thêm file vào project - Cấu hình để tạo file Hex, chọn menu Project chọn Option for Target Hình 4.7: Cấu hình cho project Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Màn hình sau xuất hiện, nhập tần số hoạt động thạch anh Hình 4.8: Nhập tần số thạch anh - Chọn tab C/C++, chọn đường dẫn thư mục chứa file thư viện Hình 4.9: Chọn đường dẫn thư viện Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thực viết code cho Project vào vùng soạn thảo tiến hành biên dịch chúng Hình 4.10: Viết chương trình phần mềm 4.4 Mạch chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 Sau lập trình cho hệ thống, phần mềm tự động sửa lỗi cú pháp, lỗi xuất hiện, phần mềm dịch chương trình ngôn ngữ máy lưu dạng file đuôi hex Công việc lại nạp file vào chíp phần mềm mạch nạp phù hợp Hình 4.11: Mạch nạp ST-LINK V2 Nạp chíp phần mềm ST Visual Programmer Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.12: Giao diện phần mềm Chọn loại mạch nạp, cổng nạp máy tính (USB), mode nạp (SWD) tên chip sử dụng Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.13: Giao diện cấu hình nạp chíp ST Vitual Programmer Tiếp theo ta chọn đường dẫn tới file hex cần nạp thẻ “Load Flash” Load file Nạp chíp Hình 4.14: Load file hex cần nạp Sau chọn file hex, nhấn auto để nạp chương trình Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.5 Code chương trình Code chương trình đầy đủ phụ lục: Code chương trình Một số đoạn code quan trọng chương trình: - Hàm GPIO_Configuration() cấu hình chân vào vi điều khiển: - Hàm rotate_U(angle) điều khiển động bước quay thuận góc định: Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Các hàm tính toán giá trị góc quay trục chế độ tự động Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.6 Hoạt động hệ thống Hệ thống có chế độ hoạt động: • CHẾ ĐỘ 1: Chế độ bám tự động theo chuyển dịch mặt trời (Tracking mode): Khi hệ thống chế độ này, pin tự động di chuyển đến vị trí thẳng góc với tia sáng mặt trời nhờ cảm biến Mặt trời chuyển động theo phương Đông – Tây, Nam – Bắc gây thay đổi bóng khối lập phương đặt cảm biến phương, khiến điện trở cảm biến thay đổi, làm biến thiên điện áp đầu mạch cảm biến Điện áp dao động khoảng – 5V tùy theo vị trí mặt trời Tín hiệu từ mạch cảm biến chuyển sang mạch so sánh, opamp (trong IC LM358) so sánh điện áp với điện áp chuẩn, chuyển đổi tín hiệu tương tự từ mạch cảm biến sang tín hiệu số đưa vào mạch xử lý trung tâm Mạch xử lý trung tâm sau xác định chế độ hoat động thời định chế độ hoạt động hệ thống Khi chế độ bám, nhận cặp tín hiệu từ mạch so sánh (mỗi phương có tín hiệu ra), xử lý để tìm phương di chuyển mặt trời Sau mạch so sánh xác định hướng di chuyển, vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển động đến mạch công suất Mạch công suất sử dụng transistor công suất, khuếch đại công suất đủ lớn cung cấp cho động làm việc Hai động quay theo phương vuông góc, tạo chuyển động cho pin mạch cảm biến hướng theo mặt trời Qua pin nhận lượng quang lớn lượng điện thu nhiều • CHẾ ĐỘ 2: Chế độ dịch chuyển tự động theo góc đặt sẵn (Auto mode): Khi mặt trời bị mây che, vào ngày mưa… cường độ sáng xuống mức thấp, cảm biến không nhận đủ độ sáng cần thiết để xác định hướng di chuyển cần thiết, hệ thống chuyển sang chế độ tự động Mạch xử lý trung tâm dựa vào giá trị thời gian thực ngày, giờ, vị trí địa lý tại, dựa vào hàm lập trình sẵn vi điều khiển, tính toán xuất giá trị góc quay điều khiển trục quay hệ thống, đảm bảo cho hệ thống hoạt động tốt điều kiện xấu mà đạt hiệu suất cao • CHẾ ĐỘ 3: Chế độ điều khiển tay (Manual mode) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ở chế độ này, hệ thống đượcđiều chỉnh góc cố định từ thao tác nút bấm người sử dụng Hệ thống điều khiển thông qua nút bấm để quay góc mong muốn phục vụ cho trình bảo trì tránh gió bão 4.7 Giao diện người dùng Hộp điều khiển có hình text LCD 8x2 khối nút bấm • Chức LCD: thành phần quan trọng hệ thống hiển thị nội dung sau: - Các thông số cấu hình hệ thống ngày, giờ, vị trí địa lý - Thông số trạng thái hệ thống: mode, góc quay trong, trạng thái hoạt động động cơ… - Các chức tùy chọn hệ thống chế độ điều khiển tay • Chức nút bấm - Nút MODE: Dùng để chọn chế độ hoạt động bao gồm chế độ bám, chế độ tự động chế độ tay - Nút UP: Dùng để tăng giá trị tham số chế độ cài đặt - Nút DOWN/ENTER: Dùng để giảm giá trị tham số chế độ cài đặt thực thi lựa chọn (trong mode điều khiển tay) - Nút NEXT: Chuyển đến tham số, lựa chọn tiếp theo, tùy vào trạng thái hệ thống - Nút RESET: Khởi động lại hệ thống để nhập lại tham số đầu vào: thời gian, vị trí địa lý… 4.8 Vận hành hệ thống Khi bắt đầu cấp nguồn cho hệ thống, LCD sáng, hệ thống tự động nhảy vào chế độ cài đặt ban đầu, người dùng sử dụng nút bấm để chỉnh thông số thời gian( giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm), vị trí địa lý (tỉnh thành) Tiếp theo, hệ thống tự động đưa trục vị trí cài đặt trước (nếu trục vị trí khác vị trí 0) Sau vị trí hệ thống trạng thái chờ (STANDBY), đợi người dùng lựa chọn mode hoạt động Màn hình lúc hiển thị thông tin ngày, Người dùng dụng nút MODE để chuyển chọn sang chế độ: Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 78 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • AUTO: Chế độ dịch chuyển tự động theo góc tính toán sẵn dựa vào tham số đầu vào Hệ thống tự động tính toán, quay trục hiển thị góc quay theo hàm lập trình, hình đan xen hiển thị thời gian, góc quay, trạng thái hoạt động động • TRACKING: Khi chế độ hệ thống tự động bám theo hướng sáng tối ưu, hình hiển thị thông số trạng thái hệ thống (đang quay hướng nào) • MANUAL: Ở chế độ này, pin xoay theo góc cố định theo mùa vùng miền xoay góc định để tránh mưa, bão tuyết, bảo trì hệ thống Người dùng sử dụng nút NEXT ENTER để điều khiển thực thi lựa chọn Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KẾT LUẬN Ý nghĩa khoa học ứng dụng thực tiễn: Nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời Đây hệ thống điện tử hoàn chỉnh kết hợp khí - điện tử - tin học, áp dụng vào thực tế, cung cấp nguồn lượng cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo, trạm biên phòng, chốt tiền tiêu… Hệ thống làm việc ổn định, linh hoạt với ba chế độ: chế độ bám tự động theo chuyển dịch mặt trời, chế độ dịch chuyển tự động theo góc đặt sẵn chế độ điều khiển tay, dễ dàng thay đổi thông số đầu vào nhờ lập trình điều khiển Hệ thống tính toán, chế tạo với kết cấu khí đảm bảo độ bền điều kiện thời tiết khắc nghiệt bên ngoài, hệ thống cảm biến xác định phương hướng xác, hoạt động bỉ, mạch điều khiển đơn giản, dễ chế tạo, chương trình chạy thay đổi linh hoạt theo yêu cầu sử dụng, nên sản phẩm có tính ứng dụng thực tế cao Đề tài tài liệu tham khảo, phục vụ tốt cho công tác đào tạo, nghiên cứu, ứng dụng phát triển sử dụng lượng xanh, lượng tái tạo Việt Nam Định hướng phát triển: • Sử dụng pin lượng mặt trời kết hợp với hệ thống đun nước sử dụng xạ nhiệt mặt trời, phục vụ cho hệ thống làm nóng nước sinh hoạt sấy khô • Nâng cấp hệ thống với lưu điện năng, kết nối với pin, ắc quy, hoạt động độc lập (offline); sử dụng inverter, hòa vào lưới điện (online grid) Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 80 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] – Hossein Mousazadeh, Alireza Keyhani, Arzhang Javadi, Hossein Mobli, Karen Abrinia, Ahmad Sharifi, A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output, tạp chí Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, 2009 [2] – Christiana Honsberg and Stuart Bowden, Sách điện tử trực tuyến pveducation.org [3] – Roger A Messenger, Jerry Ventre, Photovoltaic systems engineering [4] – Đinh Hồng Bộ, Nguyễn Nhật Dương, Nguyễn Hồng Long, Đỗ Văn Sơn, Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời [5] – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí tập 1,2 [6] – Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 1,2, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2006 [7] – Huỳnh Đắc Thắng, Kỹ thuật số thực hành, NXB KH-KT, Hà Nội, 2006 [8] – Trang web codientu.org [9] – Trang web dientuvietnam.net [10] – Trang web webdien.com Nguyễn Đăng Hà CN CĐT – K55 81