Điều hướng pin mặt trời sử dụng ARDUINO và động cơ bước

Điều hướng pin mặt trời sử dụng ARDUINO và động cơ bước, điều hướng pin mặt trời theo 2 phương thẳng đứng và nằm ngang, khi trời tối sử dụng cảm biến ánh sáng làm động cơ quay về từ hướng tây sang hướng đông để chuẩn bị cho ngày làm việc hôm sau tốt nhấtDANH MỤC HÌNH ẢNH6DANH MỤC BẢNG BIỂU9DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT10LỜI NÓI ĐẦU11CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU121.1. Đặt vấn đề121.2. Giải quyết vấn đề141.3. Giới hạn đề tài14CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI162.1. Giới thiệu pin năng lượng mặt trời162.2. Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời182.3. Hệ thống pin năng lượng mặt trời202.4. Phương pháp điều khiển MPPT232.5. Bộ lưu giữ năng lượng242.6. Một số phương thức sử dụng trong điều hướng pin mặt trời26CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN313.1. Giới thiệu Arduino313.2. Động cơ bước443.3. Module driver A4988493.4. Quang trở533.5. Công tắc hành trình và rờ le55CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG584.1. Giới thiệu mô hình584.2. Lưu đồ thuật toán594.3. Sơ đồ khối hệ thống604.4. Lắp đặt hệ thống614.5. Sơ đồ nguyên lí hệ thống614.6. Mã chương trình624.7. Sản phẩm thực tế69

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn



Ngày Tháng Năm Giáo viên hướng dẫn

Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện



Ngày Tháng Năm Giáo viên phản biện

Mục lục

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 10

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 12

1.1 Đặt vấn đề 12

1.2 Giải quyết vấn đề 14

1.3 Giới hạn đề tài 14

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16

2.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời 16

2.2 Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời 18

2.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời 20

2.4 Phương pháp điều khiển MPPT 23

2.5 Bộ lưu giữ năng lượng 24

2.6 Một số phương thức sử dụng trong điều hướng pin mặt trời 26

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN 31

3.1 Giới thiệu Arduino 31

3.2 Động cơ bước 44

3.3 Module driver A4988 49

3.4 Quang trở 53

3.5 Công tắc hành trình và rờ le 55

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 58

4.1 Giới thiệu mô hình 58

4.2 Lưu đồ thuật toán 59

4.3 Sơ đồ khối hệ thống 60

4.4 Lắp đặt hệ thống 61

4.5 Sơ đồ nguyên lí hệ thống 61

4.6 Mã chương trình 62

4.7 Sản phẩm thực tế 69

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

5.1 Kết luận 70

5.2 Hướng phát triển đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC A 73

PHỤ LỤC B 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Thế kỷ XXI – Thời đại của khoa học công nghệ 12

Hình 1.2: Sơ đồ chung một hệ thống pin mặt trời độc lập 13

Hình 1.3: Các lĩnh vực nghiên cứu của mô hình điều hướng pin mặt trời 15

Hình 2.1: Pin mặt trời đơn tinh thể (a) và pin mặt trời đa tinh thể (b) 16

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời Silic 17

Hình 2.3: Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời 18

Hình 2.4: Ghép song song hai module pin mặt trời 19

Hình 2.5: Diode nối song song với module để bảo vệ dàn pin mặt trời 20

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập 21

Hình 2.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 24

Hình 2.8: Hướng và góc mặt trời để điều khiển 27

Hình 2.9: Phương pháp sử dụng quang trở trong điều hướng pin mặt trời 28

Hình 2.10: (a): Dàn xoay 1 trục, (b): Dàn xoay 2 trục 29

Hình 3.1: Board mạch Arduino 31

Hình 3.2: Một số loại Arduino thông dụng 32

Hình 3.3: Nhóm thành viên sáng lập Arduino 33

Hình 3.4: Arduino - compatible 35

Hình 3.5: Sơ đồ chức năng chân của Arduino 35

Hình 3.6: Mô hình hoạt động của IDE 37

Hình 3.7: Arduino IDE 38

Hình 3.8: Arduino toolbar 38

Hình 3.9: IDE menu 39

Hình 3.10: File menu 39

Hình 3.11: Examples menu 40

Hình 3.12: Sketch menu 41

Hình 3.13: Hiển thị Board và Serial Port 41

Hình 3.14: Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino 42

Hình 3.15: Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino 42

Hình 3.16: Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino 43

Hình 3.17: Mô hình xe robot dò đường sử dụng Arduino 44

Hình 3.18: Mô hình cánh tay robot sử dụng Arduino uno 44

Hình 3.19: STEP có từ trở thay đổi 45

Hình 3.20: STEP loại đơn cực 46

Hình 3.21: STEP loại lưỡng cực 48

Hình 3.22: STEP loại hai dây song song 49

Hình 3.23: STEP loại lai 49

Hình 3.24: Sơ đồ chân module driver A4988 50

Hình 3.25: Sơ đồ kết nối với vi điều khiển của module driver A4988 51

Hình 3.26: Đo điện áp biến trở của A4988 52

Hình 3.27: Điện trở RS của A4988 52

Hình 3.28: Quang trở - điện trở ánh sáng 54

Hình 3.29: Xử lý tín hiệu dùng quang trở 54

Hình 3.30: Một số hình ảnh về công tắc hành trình 55

Hình 3.31: Một số hình ảnh về rờ le 56

Hình 4.1: Mô hình hoạt động của hệ thống điều hướng pin mặt trời 58

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán cơ bản của hệ thống điều hướng pin mặt trời 59

Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều hướng pin mặt trời 60

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hướng pin mặt trời 61

Hình 4.5: Sản phẩm thực tế mô hình điều hướng pin mặt trời 69

Hình A.1: Arduino IDE 73

Hình A.2: Update driver 74

Hình A.3: Chế độ update 74

Hình A.4: Chọn đường dẫn tới foder driver 75

Hình A.5: Driver Arduino board 75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh mức nâng hiệu suất hoạt động có điều khiển 30 Bảng 3.1: Bảng chế độ hoạt động của module driver A4988 50

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating current Dòng điện xoay chiều

CPU central processor unit Bộ xử lý trung tâm

LDR Light dependent resistor Điện trở ánh sáng

MPPT Maximum power point tracking Phương pháp dò tìm điểm công suất

cực đại trong hệ pin mặt trời

PV Photovoltaic system Hệ pin năng lượng mặt trời

PWM Pulse width modulation Phương pháp điều chỉnh độ rộng

xung

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một đổi mới, văn minh và hiện đại hơn Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về nguồn năng lượng ngày càng cao và trở thành vấn đề vô cùng quan trọng đối với các quốc gia trên thế giới Năng lượng hóa thạch, nguyên tử, thủy điện,… đang ngày càng gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Vấn đề quan trọng đặt ra là tìm ra nguồn năng lượng mới để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, một trong những vấn đề tối ưu đó chính là sử dụng năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận

Tuy nhiên, pin mặt trời luôn hoạt động với thời tiết khắc nghiệt nên đạt hiệu suất rất thấp Vậy làm sao để nâng cao hiệu suất pin mặt trời? Vận dụng những kiến thức

đã học và khảo sát thực tế, em quyết định chọn đề tài: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG ARDUINO UNO

Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Hoàng Đắc Huy cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành bài báo cáo đúng thời hạn cho phép Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến thức rất lớn nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu xót Vì vậy em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của quý thầy cô giáo và các bạn sinh viên để có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Bình Khiêm

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Thế kỉ XXI - Thời đại của khoa học công nghệ, thời đại của những con chip, vi mạch, những thiết bị đột phá của tương lai Kéo theo đó là nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng và trở thành vấn đề vô cùng quan trọng ở tất cả các quốc gia trên thế giới Năng lượng điện là thước đo phản ánh trình độ phát triển công nghiệp ở mỗi quốc gia Tuy nhiên nguồn năng lượng đang ngày càng khan hiếm và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng như năng lượng nguyên tử, thủy điện, nhiệt điện,…

Hình 1.1: Thế kỷ XXI – Thời đại của khoa học công nghệ

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng sinh học,… năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường Nguồn năng lượng mới này đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, không gây tiếng ồn,… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống, cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường dùng để cấp nhiệt và điện

Mỗi một thành phần trong hệ pin mặt trời mang những nhiệm vụ cụ thể riêng biệt, mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện đó Bộ điều khiển sạc pin mặt trời sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối ưu để làm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện Ắc quy giúp dự trữ điện năng để duy trì hoạt động cho cả hệ thống vào ban đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa, lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu không đủ phát ra điện năng Bộ biến đổi điện nghịch

lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều (110V, 220V) để cung cấp cho các thiết bị điện xoay chiều

Hình 1.2: Sơ đồ chung một hệ thống pin mặt trời độc lập

Đối với loài người, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và quý báu Chúng ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này dựa trên các tấm pin mặt trời

để tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân (hệ thống nước nóng, phương tiện đi lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện trong dân dụng,…) Tuy nhiên hiệu suất của tấm pin quang điện hiện nay chỉ đạt được tối đa là 17,6% so với lượng nhiệt

mà nó nhận được từ mặt trời Do giá thành đắt đỏ (khoảng 2000 USD cho một hệ thống có công suất 1kWh) và hiệu suất không cao nên pin quang điện chưa được sự quan tâm nhiều ở các nước đang phát triển Vì vậy, vấn đề là làm sao để nâng cao công suất tối ưu của pin mặt trời là một việc làm thiết yếu nhất

 Tìm hiểu về pin mặt trời:

 Tìm hiểu về cấu tạo pin mặt trời

 Tìm hiểu về chủng loại pin mặt trời

 Tìm hiểu về hệ thống pin mặt trời độc lập

 Tìm hiểu về linh kiện:

 Tìm hiểu về board mạch ARDUINO UNO

 Tìm hiểu về module driver A4988

 Tìm hiểu về động cơ bước (stepper motor)

 Tìm hiểu về quang trở, cảm biến góc nghiêng, công tắc hành trình,…

 Tìm hiểu về sơ đồ khối hệ thống và nguyên lí hoạt động của mạch:

 Tìm hiểu sơ đồ khối hệ thống

 Sơ đồ nguyên lí và chương trình thực thi

 Thi công thiết kế mô hình điều hướng pin mặt trời:

 Thiết kế bộ khung và mạch shield

 Hoàn thiện sản phẩm

1.3 Giới hạn đề tài

Để thực thi một hệ thống điều hướng pin mặt trời với công suất lớn cho một hệ thống hoàn chỉnh là rất phức tạp và tốn kém Để đáp ứng việc nâng cao hiệu suất tốt nhất cho pin mặt trời công suất lớn cần có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó là vấn đề tài chính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này em chỉ thực thi một hệ thống hoàn chỉnh công suất nhỏ, điều hướng pin mặt trời công suất 10W

Hệ thống điều hướng pin mặt trời nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của các tấm pin được nghiên cứu ứng dụng chủ yếu trong dân dụng và trong công nghiệp Tìm hiểu các vấn đề về thiết bị điều khiển như board mạch ARDUINO, cảm biến quang trở, cảm biến góc nghiêng, động cơ bước… thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật cơ bản

Hình 1.3: Các lĩnh vực nghiên cứu của mô hình điều hướng pin mặt trời

Tìm hiểu về linh kiện,

nguyên lí hoạt động Ứng dụng thiết kế

ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI

Lĩnh vực khoa học kỹ thuật cơ

bản

Lĩnh vực dân dụng, công nghiệp

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu về pin mặt trời

2.1.1 Định nghĩa

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại

sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện

tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó

 Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

a) b)

Hình 2.1: Pin mặt trời đơn tinh thể (a) và pin mặt trời đa tinh thể (b)

Về bản chất pin quang điện là một diode bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P

và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng

bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời Silic 2.1.2 Tấm pin năng lượng mặt trời

Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến

72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 20Wp, 22Wp, 50Wp, 55Wp, 80Wp, 140Wp, 190Wp, 280Wp Điện áp của các tấm pin thường là 12V DC Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày

là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào các yếu tố:

 Chất liệu bán dẫn làm pin

 Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

 Thời tiết khí hậu, mùa trong năm

 Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển,

sự oxi hoá,… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm

2.2 Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời

Như ta đã biết các mô đun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định

từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

 Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

 Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

2.2.1 Ghép nối tiếp các module mặt trời

Giả sử các module đều giống nhau, có đường đặc tính V-A cũng giống nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm module này ta sẽ có:

Hình 2.3: Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời

 I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

 Ii, Vi là dòng điện, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ

2.2.2 Ghép song song các module mặt trời

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A cũng giống nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

Hình 2.4: Ghép song song hai module pin mặt trời

Khi đó ta có:

P =

2.2.3 Hiện tượng “điểm nóng”

Xảy ra khi ta ghép nối các module không giống nhau, tức là khi các thông số ISC,

VOC, của các module pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do

các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm giảm công suất điện mạch ngoài Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin và có thể sử dụng các diode bảo vệ

Hình 2.5: Diode nối song song với module để bảo vệ dàn pin mặt trời

Nhìn trên hình vẽ 2.6 giả sử pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng diode phân cực ngược chiều với dòng điện trong mạch mắc song song Trong trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòng trong mạch không qua diode nên không có tổn hao năng lượng Khi có sự cố xảy ra, vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Ci tăng lên, lúc này dòng điện sẽ rẽ qua diode để tránh gây hư hỏng cho Ci Thậm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc

2.3 Hệ thống pin mặt trời

Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung được chia thành 2 loại

cơ bản: hệ PV làm việc độc lập và hệ PV làm việc với lưới

2.3.1 Hệ quang điện làm việc độc lập

Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến được Sơ đồ khối của hệ này như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

Trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp Ta có các thành phần chính trong hệ PV làm việc với lưới như sau:

 Thành phần lưu giữ năng lượng

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV

Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi một chiều DC/DC và bộ biến đổi DC/AC Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả ba loại DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích hợp

Khóa điện tử trong mạch DC/DC được điều khiển đóng cắt từng chu kỳ Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc tối ưu (MPPT– maximum power point tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện được làm việc hiệu quả nhất Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn một chiều sang xoay

MPPT

Tải Một Chiều

chiều (110 hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều Có nhiều kiểu biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả hai chế độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một chiều Nhìn chung, bộ biến đổi DC/ AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc ở mức điện áp một chiều là 5V, 12V, 24V, 45V, 96V Bộ biến đổi dùng trong hệ PV độc lập có những đặc điểm sau:

 Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép

 Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào

 Điều chỉnh điện áp ra

 Hiệu quả cao đối với tải nhẹ

 Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi, tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị

 Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trường hợp dòng khởi động lớn như của máy bơm…

 Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch,…

 Tiện lợi, dễ lắp đặt

 Tổn hao không tải thấp

Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET, IGBT MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5kVA và điện áp là 96V DC Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao Do có điện áp rơi là 2V DC Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên 96V DC

Hệ PV độc lập thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha

Bộ biến đổi DC/AC có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra Có 3 dạng sóng chính là: dạng sóng sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang,… Dạng sóng vuông, sóng bậc thang ngày nay không còn thông dụng nữa, không còn phù hợp với các thiết bị hiện đại trong khi giá thành bộ biến tần loại sóng giả sin và sóng sin ngày càng giảm Bộ biến tần cho dạng sóng giả sin thường phục vụ cho các thiết bị trong nhà như tivi, radio, lò vi sóng,…

Các thiết bị điều khiển phức tạp khác như bộ sạc pin, phụ tùng trong động cơ thay đổi tốc độ, máy in laser và bộ điều khiển nhiệt độ,… vốn làm việc không ổn định

Bộ biến đổi DC/AC dạng sóng giả sin là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệt phù hợp với hệ quang điện

Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình sin giống như dạng sóng của điện lưới nên tương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải Bộ biến đổi dạng sóng sin có giá thành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổi loại này là một ưu điểm lớn, thậm chí bộ biến đổi loại này còn phù hợp với cả các thiết bị điều

khiển phức tạp và có làm việc không ổn định như bộ sạc pin, phụ tùng trong động cơ thay đổi tốc độ, máy in laser và bộ điều khiển nhiệt độ,…

Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được đầu ra

có dạng sin Các loại bộ biến đổi DC/AC trong hệ pin mặt trời độc lập tùy từng trường hợp có thể có sơ đồ dạng nửa cầu và dạng cầu 1 pha

2.3.2 Hệ quang điện làm việc với lưới

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện Hệ thống này cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khi nguồn pin mặt trời (hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều năng lượng thì nguồn năng lượng dư thừa này sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mây mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ năng lượng

Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ quang điện phải đồng bộ với lưới Hệ quang điện mặt trời có thể trở thành một phần của lưới điện lớn Cấu trúc của

hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng Khi hệ quang điện được mắc với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi mà hệ PV không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc ban đêm Đây là hình thức đang được khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới

2.4 Phương pháp điều khiển MPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng

mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển

Hình 2.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn

bộ điều khiển tương tự Thứ nhất là bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Nó dễ dàng mã hoá biểu thức, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự để thực hiện cùng một biểu thức đó Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính

Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm

bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ

2.5 Bộ lưu giữ năng lượng

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy là thiết bị điện hoá, tồn trữ dưới dạng hoá năng và khi có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hoá năng được giải phóng dưới dạng điện năng Bộ

ắc quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây mưa không cung cấp đủ ánh sáng Bộ ắc quy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một chiều cho các thiết bị sử dụng điện một chiều Cấu tạo của ắc quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện Có hai loại ắc quy thông dụng là ắc quy chì - axit và ắc quy kiềm

2.5.1 Các loại ắc quy

a) Ắc quy chì - axit

Ắc quy chì - axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng là axit sulfuric H2SO4 Khi nối cực ắc quy với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4 Trong quá trình làm việc của ắc quy, có nhiều phản ứng hoá học xảy ra Trong quá trình nạp, sunfat chì ở cực dương biến đổi thành chì điôxit Còn khi ắc quy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO2

và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, Còn axit sunfuric H2SO4 biến hết thành nước, Trong một ắc quy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa khoảng 36% tỉ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước

Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của ắc quy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi ắc quy phóng hết Điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của ắc quy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau, ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của ắc quy phải cao Tỷ trọng đặc trưng khi ắc quy nạp đầy thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ

27oC, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần Khi ắc quy phóng hết điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần về 1 Điện áp định mức của một ngăn

ắc quy chì là khoảng 2,1 V Loại ắc quy này có tuổi thọ cao, dung lượng lớn Ắc quy chì - axit được sử dụng phổ biến trong hệ quang điện làm việc độc lập vì nó có giá thành hợp lý, tính tiện dụng và khả năng lưu giữ điện năng từ vài tiếng đồng hồ đến vài ngày

b) Ắc quy kiềm

Ví dụ loại nikel – cadmium, sử dụng dung dịch là KOH, điện cực dương là hyđroxit nikel và cực âm là cadmium Cd Khi phóng điện hyđroxit nikel chuyển thành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2 Mật độ chất điện ly không thay đổi, vì vậy điểm hoá rắn rất thấp Tuy nhiên loại ắc quy này có giá thành cao hơn loại ắc quy chì - axit Điện áp định mức của một ngăn ắc quy kiềm là 1,2 V Điện áp trên các ngăn ắc quy

kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áp trên ngăn

sẽ giảm đột ngột Ắc quy nikel – cadmium có thể chấp nhận dòng nạp lớn có giá trị bằng dung lượng của ắc quy và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp có giá trị đến 1/15 giá trị dung lượng của ắc quy

2.5.3 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axit

a) Nạp quá dòng (áp)

Nếu điện áp nạp của ắc quy quá cao sẽ dẫn đến dòng vào ắc quy tăng mạnh sau khi ắc quy được nạp đầy Sự cố này làm nước bị phân ly thành các electron và làm giảm tuổi thọ của pin Nếu ắc quy thường xuyên trong tình trạng bị nạp quá đầy, nhiệt

độ trong ắc quy sẽ tăng lên Đến một mức độ nào đó, dòng điện vào ắc quy sẽ nhiều hơn và làm nhiệt độ trong ắc quy tiếp tục tăng lên có thể phá hỏng ắc quy chỉ sau vài giờ đồng hồ

b) Nạp thiếu

Hiện tượng nạp thiếu thường xuyên xảy ra với ắc quy làm việc với hệ thống pin mặt trời do thời gian ánh sáng yếu thường diễn ra trong thời gian dài Nếu điện áp nạp của ắc quy ở mức quá thấp, dòng điện vào ắc quy không đạt giá trị cần thiết trước khi

ắc quy được nạp đầy sẽ làm dư lại một số sunfat chì ở các cực ắc quy, làm giảm dung lượng của ắc quy, làm giảm tuổi thọ của ắc quy

c) Sunfat hoá

Do các tinh thể chì sunfat được biến đổi thành chì trong thời gian ắc quy nạp, nên nếu sau khi phóng hết, ắc quy lâu ngày không được nạp lại, một số các tinh thể chì sẽ còn bám lại trên các tấm bản cực Những tinh thể này như những lớp cách ly gây trở ngại cho ắc quy khi nạp Đây gọi là hiện tượng sunfat hoá Hiện tượng này làm dung lượng của ắc quy giảm và có thể làm hỏng ắc quy Để tránh hiện tượng này, có thể áp dụng chế độ nạp cân bằng để có thể làm tươi lại ắc quy, tạo sự đồng đều của dung dịch trong các ngăn của ắc quy

2.6 Một số phương thức sử dụng trong điều hướng pin mặt trời

2.6.1 Giới thiệu

Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời nhận được đầy đủ ánh sáng mặt trời khi

nó chiếu tia sáng mặt trời vuông góc với tấm pin năng lượng, nhưng ánh sáng mặt trời

có hướng thay đổi thường xuyên theo giờ và với các mùa thay đổi thời tiết Hiện nay, hầu hết các tấm pin mặt trời được cố định, tức là các mảng năng lượng mặt trời có một hướng cố định trên bầu trời và không chuyển theo hướng ánh nắng mặt trời Để tăng

đơn vị diện tích chiếu sáng của ánh sáng mặt trời trên các tấm pin mặt trời, chúng ta thiết kế một hệ thống định hướng theo mặt trời Cơ chế thiết kế giữ bảng điều khiển năng lượng mặt trời và cho phép bảng điều khiển thực hiện theo dõi sự chuyển động của mặt trời vào ban ngày và cải thiện thế hệ điện tổng thể Hệ thống này có thể đạt được sự tập trung năng lượng chiếu sáng tối đa nhằm đạt hiệu suất cao nhất

2.6.2 Đặc điểm

Do hệ thống pin mặt trời tập trung chỉ có khả năng hấp thụ các tia sáng trực tiếp, nên đòi hỏi phải có bộ phận hướng nắng (solar tracker) đi kèm để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời Có hai hình thức cơ bản để hệ thống định hướng theo mặt trời

đó là hướng chủ động và hướng bị động:

 Hướng đi của mặt trời là di chuyển từ hướng đông sang hướng tây luôn cố định

do đó hệ thống hoạt động theo hướng bị động được áp dụng bằng cách tính toán khoảng thời gian trong ngày mà điều khiển hệ thống sao cho vị trí đó là góc hướng mặt trời chiếu vào tấm pin năng lượng là tốt nhất

 Hình thức hướng chủ động của một hệ thống là nó có khả năng dò được vị trí ánh sáng đâu là mạnh nhất, bất kể ngày hay đêm mà hệ thống có thể xác định được

 Ngoài ra có thể áp dụng cả hai hình thức vào cùng một hệ thống sao cho hiệu suất hoạt động ổn định hiệu quả nhất

Hình 2.8: Hướng và góc mặt trời để điều khiển 2.6.3 Phương pháp thiết kế

Mặt trời di chuyển từ hướng đông sang hướng tây Để thu nhận được năng lượng điện tối đa từ tấm pin năng lượng mặt trời ta phải tập trung tối đa cường độ ánh sáng chiếu trên bề mặt tấm pin năng lượng Việc hấp thụ ánh sáng của một tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí góc của nó so với ánh nắng mặt trời Một tấm pin

mặt trời phải luôn vuông góc 90 độ so với ánh nắng mặt trời để được mức năng lượng tối đa, được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống theo dõi Có nhiều phương pháp để thiết kế hệ thống theo dõi đang tồn tại nhưng khác nhau về độ tin cậy của hệ thống, chi phí và độ chính xác Một hệ thống theo dõi thông minh cần phải được lựa chọn khôn khéo để đảm bảo rằng phương pháp lựa chọn là làm tăng sản lượng điện nhận được thay vì giảm nó Có vài loại hệ thống điều khiển theo hướng năng lượng mặt trời, nhưng mỗi loại sử dụng những cơ chế chuyển động theo hướng khác nhau:

 Hình thức định hướng bị động: Những hệ thống định hướng này không sử dụng

động cơ, thay vào đó lựa chọn cho hệ thống này có thể sử dụng hệ thống hóa học hay

cơ khí Một ý tưởng cổ điển hiện nay ít được sử dụng là áp dụng nguyên lý giản nở nhiệt của vật liệu như là một phương pháp để định hướng Một tấm hợp kim sẽ được đặt hai bên của hệ thống, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vuông góc với tấm pin năng lượng thì 2 bên của tấm hợp kim sẽ cân bằng Khi mặt trời di chuyển, một trong hai bên của vật liệu sẽ được làm nóng và gây ra giản nở về mặt cơ khí Hệ thống sẽ xoay sao cho ánh sáng cân bằng trên 2 tấm hợp kim Ngoài ra có thể dùng phương pháp mất cân bằng áp suất khí nén bên trong bình chất lỏng làm nghiêng bảng điều khiển từ bên này sang bên kia dựa vào sức nóng của mặt trời Những hệ thống định hướng bị động này thông thường sử dụng ít năng lượng hoạt động hơn Chi phí thiết kế ít tốn kém, yêu cầu bảo trì bảo dưỡng ít hơn và hiệu suất hoạt động cũng tương đối

 Hình thức theo dõi chủ động: Có hai loại chính cho hệ thống theo dõi là hệ

thống quang điện và hệ thống bộ vi điều khiển hay hệ thống máy tính Hệ thống vi điều khiển hay hệ thống máy tính là một sự kết hợp của điện trở, tụ điện, bộ khuếch đại, cổng logic, diode và bóng bán dẫn được sử dụng để tạo thành một mạch so sánh

và mạch điều khiển Ngõ ra của mạch so sánh sẽ được đưa vào mạch điều khiển để mở nguồn cấp cho động cơ quay và thay đổi hướng sao cho nhận được nhiều ánh sáng nhất làm cho bảng điều khiển tấm pin năng lượng được vuông góc với mặt trời

Hình 2.9: Phương pháp sử dụng quang trở trong điều hướng pin mặt trời

 Hình thức theo dõi thời gian: Hình thức theo dõi độc đáo này hoạt động theo

hướng mặt trời nhưng không được chính xác hoàn toàn Bộ theo dõi này chứa một bộ đếm thời gian và một động cơ tương tự như bộ theo dõi chủ động bằng cách lập trình sẵn khoảng thời gian trong ngày, góc quay và các yếu tố khác Với hệ thống này, hoạt động chưa thật sự tối ưu khi mà khoảng thời gian theo từng mùa trong năm và các năm không giống nhau chính vì vậy việc tính toán các khoảng thời gian để điều khiển góc quay sẽ thêm phức tạp và độ chính xác chưa cao Những bộ theo dõi này thường chi phí thấp, hoạt động một cách máy móc đã được định sẵn và cần phải được kiểm tra định kì vào các mùa mỗi năm Hình thức chung của hệ thống điều hướng pin mặt trời:

xoay 1 trục và xoay 2 trục

Với hệ thống dàn xoay 1 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm trong đường xích đạo của trái đất Tức là mặt trời di chuyển từ hướng đông sang hướng tây thẳng đứng so với mặt đất, vì vậy các tấm pin năng lượng được đặt sẽ được chiếu vuông góc đạt hiệu quả tối đa hơn Việc bố trí những dàn xoay này cần phải xem xét để tránh những dàn xoay khác bị khuất bóng giảm hiệu suất làm tổn thất năng lượng thất thoát và không gian mặt đất bố trí tránh bị lãng phí Hệ thống dàn xoay 2 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm ở gần phía 2 cực của trái đất Như vậy góc quay của mặt trời sẽ không thẳng đứng nữa mà sẽ di chuyển theo một hình vòng cung Hệ thống dàn xoay 2 trục với hai bậc tự do hoạt động như trục quay Trên trục được cố định đối với mặt đất coi như là trục chính, trục được tham chiếu với trục chính được gọi là trục thứ cấp Bố trí thường phải xem xét góc che để tránh tổn thất không cần thiết và tiết kiệm không gian bố trí mặt đất

Hình 2.10: (a): Dàn xoay 1 trục, (b): Dàn xoay 2 trục

Có hai phương pháp để thiết kế hệ thống điều khiển dàn năng lượng mặt trời, nhưng việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào điều kiện thời tiết vùng miền Trong

bài báo cáo này sử dụng phương pháp thay đổi chủ động dùng vi điều khiển xoay 2 trục, trục ngang xoay từ 0 đến 180 độ, trục đứng xoay từ 35 đến 155 độ

2.6.4 Hiệu suất của hệ thống

Hệ thống định hướng pin năng lượng theo hướng mặt trời là một trong những cách đơn giản nhất để cải thiện hiệu suất và kinh tế pin năng lượng mặt trời So với các tấm pin năng lượng mặt trời gắn cố định, những tấm pin năng lượng được gắn trên hệ thống định hướng sẽ làm tăng mức năng lượng nhận được thêm khoảng 30% Ngoài ra các ước tính khác lại nói rằng hệ thống theo dõi của pin năng lượng mặt trời có thể thêm từ 25% đến 45% hiệu suất hoạt động của pin năng lượng mặt trời Điều này rất quan trọng vì những hệ thống này sẽ cần ít tấm pin năng lượng hơn, làm giảm chi phí đầu tư tấm pin năng lượng mà vẫn đảm bảo nhận đủ mức năng lượng so với hệ thống gắn cố định

Bảng 2.1: So sánh mức nâng hiệu suất hoạt động có điều khiển

Những bộ định hướng này rất dễ lắp đặt, dễ vận hành và ít tốn kém trong việc bảo trì Những bộ định hướng cho phép người sử dụng có thể di chuyển các hệ thống này theo địa điểm mà người sử dụng mong muốn, phù hợp với yêu cầu địa hình của từng vùng khác nhau

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN 3.1 Giới thiệu Arduino

3.1.1 Arduino là gì?

Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với các thiết bị ngoại vi đuợc thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng, hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác?

Hình 3.1: Board mạch Arduino

Arduino thật ra là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $20, người dùng đã

có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng

ấy thiết bị

Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Hình 3.2: Một số loại Arduino thông dụng 3.1.2 Lịch sử hình thành

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea - Italy Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem cơ bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này

ARDUINO MEGA2560

ARDUINO UNO R3 ARDUINO ETHERNET SHIELD

có được lấy tên là Arduino - Bá tước của Ivrea và là vua của Italy từ năm 1002 đến năm 1014

Hình 3.3: Nhóm thành viên sáng lập Arduino

Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn

mở Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles đã phổ biến ý tưởng này

Giá hiện tại của board mạch này giao động xung quanh $30 và được làm giả đến mức chỉ còn $5 Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát

từ Trung Quốc có giá rẻ hơn $5, đã trả phí bưu điện

3.1.3 Khái quát cấu tạo của Arduino

a) Phần cứng

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I2C-nhiều shield có thể được xếp

chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip mega AVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 và ATmega2560

Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh giao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip,

so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc

sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như

là một bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi

sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove và bây giờ là UNO đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vài trong số

đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

Hình 3.4: Arduino - compatible

b) Các thành phần chức năng của Arduino uno

Hình 3.5: Sơ đồ chức năng chân của Arduino uno

 USB plug:

Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USB chúng

ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn cho Arduino

 Power supply:

Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân VIN và GND để cấp nguồn cho Arduino

Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 12 V Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 V Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 V thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng board mạch Khuyết cáo các nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 V

 Power pin:

Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino

GND: chân mass

 Chip ATmega328:

Chip ATmega328 có 32KB bộ nhớ flash trong đó 1KB sử dụng cho bootloader

 Digital I/O pins:

Arduino Uno có 14 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân Cũng trên 14 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Serial 0 và 1 Dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp

PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 trên bo mạch Các chân PWM giúp chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của

đèn,…

 Reset button: dùng để reset Arduino

c) Thông số kỹ thuật

 Vi xử lý: Atmega328

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp đầu vào: 7-12V

 Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)

 Chân vào tương tự: 6

 Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

 Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/ra phổ biến trở nên dễ dàng hơn nhiều Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm

để thực hiện một chương trình điều hành theo chu kỳ Khi các chúng ta bật điện bảng

mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm setup() sẽ được gọi đến đầu tiên Sau khi xử lý xong hàm setup(), Arduino sẽ nhảy đến hàm loop() và lặp vô hạn hàm

này cho đến khi tắt điện board mạch Arduino Chu trình đó có thể mô tả trong hình dưới đây:

Hình 3.6: Mô hình hoạt động phần mềm IDE

Hình 3.7: Arduino IDE

Arduino IDE sử dụng GNU toolchain và AVR libc để biên dịch chương trình và

sử dụng avrdude để tải lên các chương trình vào board mạch chủ Do nền tảng Arduino

sử dụng vi điều khiển Atmel, môi trường phát triển của Atmel, AVR Studio hoặc Atmel Studio mới hơn, cũng có thể được sử dụng để phát triển phần mềm cho các Arduino

 Verify: kiểm tra code có lỗi hay không (1) Upload: nạp code đang soạn thảo vào Arduino (2)

 New, Open, Save: tạo mới, mở và lưu sketch (3)

 Serial Monitor: đây là màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gửi lên máy tính (4)

b) Arduino IDE Menu

Hình 3.9: IDE menu

 File menu:

Hình 3.10: File menu

Trong file menu chúng ta quan tâm tới mục Examples đây là nơi chứa code mẫu

ví dụ như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor,…

Hình 3.11: Examples menu

 Sketch menu:

 Verify/ Compile: chức năng kiểm tra lỗi code

 Show Sketch Folder: hiển thị nơi code được lưu

 Add File: thêm vào một Tap code mới

 Import Library: thêm thư viện cho IDE

Hình 3.12: Sketch menu

Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port

Mục Board: cần phải lựa chọn board mạch cho phù hợp, với loại board sử dụng nếu là Arduino Mega 2560 thì phải chọn Mega 2560

Hình 3.13: Hiển thị Board và Serial Port