Thiết kế và thi công hệ thống solar tracker

NỘI DUNG ĐỒ ÁN Đề tài “Thiết kế thi công hệ thống Solar tracker” gồm nội dung sau: - Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, phần mềm Arduino IDE - Tìm hiểu pin lượng mặt trời - Tìm hiểu động Servo MG996, Arduino Uno R3 - Tìm hiểu mạch sạc tự động cho Ắc quy, mạch Inverter 12V DC – 220V AC - Thiết kế thi công hệ thống pin lượng mặt trời Solar tracker LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ Điện tử, Khoa Công nghệ Điện tử Truyền thông tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình làm báo cáo tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho em trình học công tác sau Sau xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ trình học tâp, nghiên cứu hoàn thành báo cáo Đồ án tốt nghiệp Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Văn Vững LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung đồ án thực hướng dẫn thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng nghiên cứu Internet, sách báo, tài liệu nước có liên quan, không chép hay sử dụng làm khác Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan trước Quý thầy cô nhà trường Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Văn Vững MỤC LỤC NỘI DUNG ĐỒ ÁN LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH ẢNH .6 LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.2 Tính cấp thiết đề tài 15 1.3 Phạm vi nghiên cứu 15 1.4 Mục tiêu đề tài 15 CHƯƠNG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER .16 2.1 Yêu cầu toán 16 2.2 Giải pháp thiết kế 16 2.3 Sơ đồ khối chức khối 17 2.3.1 Sơ đồ khối 17 2.3.2 Chức khối 18 2.3.3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống 19 2.4 Lựa chọn linh kiện 19 2.4.1 Lựa chọn pin mặt trời Solar 19 2.4.2 Thông số bản: 20 2.4.3 Cấu tạo pin lượng mặt trời 20 2.5 Lựa chọn linh kiện khối vi điều khiển 24 2.5.1 Giới thiệu vi điều khiển Atemega 328 .24 2.5.2 Ứng dụng Arduino .26 2.6 Lựa chọn linh kiện khối cảm biến .26 2.6.1 Cấu tạo quang trở 26 2.6.2 Một số ứng dụng quang trở 27 2.7 Lựa chọn linh kiện khối Inverter 28 2.8 Bộ điều khiển sạc .34 2.9 Lựa chọn nguồn dự trữ Ắc quy 34 CHƯƠNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 44 3.1 Ngôn ngữ lập trình 44 3.2 Phần mềm phụ trợ .44 3.2.1 Phần mềm Proteus .44 3.2.2 Phầm mềm Arduino .45 CHƯƠNG THỰC THI THIẾT KẾ 50 4.1 Thiết kế phần cứng .50 4.1.1 Phần kết cấu khí 50 4.1.2 Thiết kế thi công phần vi xử lý cảm biến 52 4.1.3 Thiết kế thi công phần mạch sạc tự động cho Ắc quy 55 4.2 Thiết kế phần mềm .59 4.2.1.Lưu đồ thuật toán 59 4.2.2 Một số hình ảnh sản phẩm 60 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 PHỤ LỤC 64 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời Hình 1.2 Hệ thống pin mặt trời quy mô lớn 10 Hình 1.3 Bếp lượng mặt trời cho người nghèo .12 Hình 2.1 Solar Tracker 16 Hình 2.2 Hướng ánh sáng mặt trời 17 Hình 2.3 Sơ đồ khối 17 Hình 2.4 Pin mặt trời 19 Hình 2.5 Tinh thể Silic 20 Hình 2.6 Tinh thể bán dẫn loại N 21 Hình 2.7 Tinh thể bán dẫn loại P 22 Hình 2.8 Lớp tiếp giáp P-N 22 Hình 2.9 Vi điều khiển Atemega 328 24 Hình 2.10 Cấu tạo quang trở .26 Hình 2.11 Quang trở 27 Hình 2.12 Mạch cầu transistor 29 Hình 2.13 Tín hiệu sóng Sine wave 30 Hình 2.14 Ắc quy 34 Hình 2.15 Cấu tao điện phân bình Ắc quy 35 Hình 2.16 Mô cực ắc quy a-xít 36 Hình 2.17 Mô cực ắc quy a-xít 37 Hình 2.18 Các cực ắc quy gắn song song .38 Hình 2.19 Các ngăn Ắc quy 38 Hình 2.20 Biểu đồ điện áp 39 Hình 3.1 Giao diện Proteus khởi động 44 Hình 3.2 Giao diện phần mềm Arduino .47 Hình 3.3 Ví dụ điều khiển Led truyền thông nối tiếp 49 Hình 4.1.Khung giá đỡ nhôm 50 Hình 4.2 Tấm Aluminium 51 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 52 Hình 4.4 Mạch in khối vi điều khiển Arduino .53 Hình 4.5 Mạch vi xử lý Atemega 328 53 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển cảm biến 54 Hình 4.7 Hình ảnh servo MG996 mặt cắt 55 Hình 4.8 Hình ảnh khối mạch sạc tự động cho Ắc quy 56 Hình 4.9 Sơ đồ mạch in 56 Hình 4.10 Mạch sạc hoàn thành 57 Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý Inverter 57 Hình 4.12 Mạch Inverter .58 Hình 4.13 Tín hiệu điện áp 220V AC đo Osilo 58 Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán 59 Hình 4.16 Hình ảnh sản phẩm .60 Hình 4.17 Hình ảnh sản phẩm .61 LỜI NÓI ĐẦU Trong tiến trình phát triển loài người, việc sử dụng lượng đánh dấu cột mốc quan trọng Từ đến nay, loài người sử dụng lượng ngày nhiều ,nhất vài kỷ gần Trong cấu lượng nay,chiếm phần chủ yếu lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên Kế lượng nước thủy điện, lượng hạt nhân, lượng sinh khối (bio.gas, …) lượng mặt trời, lượng gió chiếm phần khiêm tốn Xã hội loài người không phát triển lượng Ngày nay, lượng tàn dư sinh học, lượng không tái sinh, ngày kiệt, giá dầu mỏ tăng ngày, ảnh hưởng xấu đến phát triển kinh tế xã hội môi trường sống Tìm kiếm nguồn lượng thay nhiệm vụ cấp bách nhà khoa học ,kinh tế, trị gia,… người Nguồn lượng thay phải sạch, than thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), dễ sử dụng Từ lâu, loài người mơ ước sử dụng lượng mặt trời Nguồn lượng vô tận, đáp ứng hầu hết tiêu chí nêu Nhiều công trình nghiêng cứu thực hiện, lượng mặt trời không lượng tương lai mà lượng Bạn không nên nghĩ ứng dụng lượng mặt trời công việc riêng nhà khoa học, nơi bạn phát huy óc sáng tạo, khéo tay, tính kiên nhẫn bạn Còn thú vị bạn tự thực ứng dụng lượng mặt trời nhà Sau thời gian học tập nghiên cứu với nỗ lực, em hoàn thành nhiệm vụ “Thiết kế thi công hệ thống Solar tracker”.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng giúp đỡ hướng dẫn tận tình Đề tài không tránh khỏi thiếu xót, em mong bảo thầy để sản phẩm hoàn thiện ứng dụng vào thực tế Em xin chân thành cảm ơn ! CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), phần tử bán dẫn quang có chứa bề mặt số lượng lớn linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện Các pin lượng mặt trời có nhiều ứng dụng thực tế, chúng đặc biệt thích hợp cho vùng mà điện lưới chưa tới núi cao, đảo xa.Các pin lượng mặt trời thiết kế modul thành phần, ghép lại với tạo thành lượng mặt trời có diện tích lớn, thường đặt tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất, kết nối với chuyển đổi mạng lưới điện tạo điện phục vụ Pin lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý: Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng biến đổi thành điện năng, tạo dòng điện chiều (DC Power) Dòng điện dẫn tới điều khiển (charge controller) thiết bị có chức có chức tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời dòng điện nạp cho acquy (Battery) Thông qua đổi điện DC/AC (Inverter) tạo dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy thiết bị điện Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời Việc sử dụng pin lượng mặt trời nguồn lượng chỗ thay cho dạng lượng truyền thống, góp phần tiết kiệm điện, giảm tải nhu cầu ngày tăng lên lượng cho quốc gia.Hệ thống pin lượng mặt trời cung cấp điện cho thiết bị điện, góp phần giảm phụ thuộc nhiều vào lưới điện quốc gia, đồng thời tạo lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập bảo vệ môi trường Diện tích lắp pin mặt trời lớn tạo nhiều điện sử dụng Hình 1.2 Hệ thống pin mặt trời quy mô lớn Cấu hình tiêu biểu hệ thống Solar Tracker bao gồm: - Tấm pin mặt trời Solar cells - Hệ thống điều khiển Solar cells - Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc - quy - Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC - Ắc - quy lưu trữ điện - Khung, giá đỡ - Dây cáp nối Những ưu điểm pin lượng mặt trời mang lại: - Pin lượng mặt trời không đòi hỏi nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí thiết thực - Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng - Tạo nguồn điện độc lập, xanh, bảo vệ môi trường - Cung cấp nguồn điện liên tục kể điện lưới bị cắt 10 4.1.2 Thiết kế thi công phần vi xử lý cảm biến Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển Thiết kế khối vi xử lý dựa module Aduino UNO, gồm khối bản: khối nguồn DC 5V, khối RESET, khối LED báo, khối dao động, khối nạp Sử dụng vi xử lý Atemega 328.Để lập trình, làm việc với khối vi xử lý phần mềm Arduino Atemega 328 cần nạp Bootloader Bootloader chương trình nhỏ nạp sẵn vào chip vi điều (VĐK) khiển Arduino Việc lập trình cho Arduino cách dễ dàng nhờ chương trình nhỏ bootloader Nếu bootloader, upload chương trình lên vi điều khiển Arduino theo cách thông thường Mạch in vẽ phần mềm Proteus 52 Hình 4.4 Mạch in khối vi điều khiển Arduino Hình 4.5 Mạch vi xử lý Atemega 328 53 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển cảm biến Sử dụng cảm biến quang trở đơn giản, hoạt động dựa nguyên lý giá trị điện trở thay đổi ánh sáng chiếu vào thay đổi Giá trị điện trở quang trở khác từ vi điều khiển điều khiển động servo Sử dụng động servo RC MG996 Động RC Servo MG996 phiên nâng cấp MG995, dòng RC Servo MG996, 995 thiên tốc độ phản ứng nhanh, loại thường sử dụng nhiều thiết kế Robot dẫn hướng xe Động RC Servo MG996 có lực kéo mạnh, khớp bánh làm hoàn toàn kim loại nên có bền cao, động tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên theo chế phát xung – quay góc nên dễ sử dụng - Chủng loại: Analog RC Servo; - Điện áp hoạt động: 4.8 – 6.6V DC; - Kích thước: 40mm x 19mm x 43mm; Trọng lượng: 55g; - Lực kéo: 9.4kg-cm at 4.8V; 11kg-cm at 6V; - Tốc độ quay: 0.19sec/60 degrees (4.8V no load); 0.15sec/60 degrees (6.0 no load); - Phạm vi quay: 180° 54 Hình 4.7 Hình ảnh servo MG996 mặt cắt 4.1.3 Thiết kế thi công phần mạch sạc tự động cho Ắc quy Mạch sử dụng IC so sánh LM324, dựa sở so sánh điện áp IC khuếch đại thuật toán đối chiếu với lưu lượng điện bình mà mạch có khả nạp tự động điều chỉnh lượng điện áp nạp cho bình 55 Hình 4.8 Hình ảnh khối mạch sạc tự động cho Ắc quy Biến trở điện trở phân áp vào chân số lấy điện áp thực tế bình so sánh với điện áp tham chiếu chân số Khi điện áp bình chứa đầy điện áp chân số nhỏ điện áp chân đầu khuếch đại thuật toán mức , rơle chưa có điện áp kích mở , dòng điện nạp vào bình Khi bình đầy chân số điện áp lớn điện áp so sánh , lúc chân cấp dòng kích mở transitor đóng điện cho rơle, cách ly bình với dòng nạp, đèn led báo sáng , ta ngắt bình Bình ắc quy đầy điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh điện áp cho rơle tự ngắt điện áp này, IC Lm324 thay loại khác Lm358, 324 Cần xác định chân trước dùng Hình 4.9 Sơ đồ mạch in 56 Hình 4.10 Mạch sạc hoàn thành 4.14 Thiết kế thi công phần Inverter Mạch sử dụng IC dao động chuyên dụng TL494 cho sóng sin có điện áp đỉnh đỉnh 12V, sau kích FET IRF3205 dao động cho biến áp kích điện áp từ 12V AC lên 220V AC IRF3205 loại MOSFET ngược kênh N Dòng DS cực đại 110A, công suất cực đại 200W Khác với loại “kích điện” mà người ta dùng để đánh bắt cá hàng loạt trước (mà từ loại mà có lẽ có tên kích điện), loại kích điện dùng dân dụng sử dụng ắc quy 12V Điện áp đầu có đặc tính giống điện áp lưới điện quốc gia: 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý Inverter 57 Các đặc tính xuất phát từ yêu cầu thông thường nguồn điện thiết bị sử dụng điện dân dụng hàng ngày Tuy tất thiết bị dùng điện có yêu cầu trên, để tương thích với phần lớn thiết bị điện nên chúng bắt buộc phải có thông số Hình 4.12 Mạch Inverter Hình 4.13 Tín hiệu điện áp 220V AC đo Osilo 58 4.2 Thiết kế phần mềm 4.2.1.Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Khởi tạo thư viện Arduino Uno, servo S Có tín hiệu từ quang trở Đ Điều chỉnh góc quay Servo( Tấm solar cell) Nạp vào Ắc quy Biến đổi DC – AC (Inverter) Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán 59 Bắt đầu chương trình ta cần phải khởi tạo thư viện cho Arduino, Servo Sau cảm biến ánh sáng quang trở hoạt động, dựa vào quang trở để so sáng độ sáng hướng, giá trị điện trở quang trở khác nhau, arduino lệnh điều khiển servo thay đổi góc quay pin đến giá trị điện trở quang trở nhau, tức pin solar quay hướng sáng cần điều khiển Trong trình hoạt động, hướng sáng mặt trời không thay đổi giá trị điện trở quang trở không thay đổi, vi điều khiển không điều khiển servo pin solar giữ nguyên phương hướng ban đầu 4.2.2 Một số hình ảnh sản phẩm Hình 4.16 Hình ảnh sản phẩm 60 Hình 4.17 Hình ảnh sản phẩm 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau hệ thống hoàn thiện chạy thử nghiệm, đạt số kết sau: Ưu điểm: • Hệ thống cảm biến phương hướng ánh sáng tới xác, điều khiển pin mặt trời theo hướng ánh sáng tới • Bộ phận sạc tự động sạc Ắc quy yếu • Inverter cho điện áp 220V AC ổn định, chạy thiết bị tải gia đình có cống suất vừa nhỏ • Tín hiệu điện áp dạng sine wave Nhược điểm: • Bộ phận Inverter công suất chưa cao, đáp ứng thiết bị tải nhẹ • Tấm pin solar công suất nhỏ nên thời gian sạc cho bình Ắc quy lâu Việt Nam vốn vùng có cường độ xạ mặt trời tương đối cao giới Hơn nữa, nước ta quốc gia phát triển, người dân nghèo nhiều, có khả sử dụng điện sinh hoạt với mức Vì thế, lượng mặt trời coi giải pháp hoàn toàn phù hợp ứng dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Sản phẩm góp phần vào giảm thiểu phụ thuộc gia đình, nhà máy,…vào nguồn lượng điện quốc gia, hay nguồn lượng không tái chế Đồng thời sản phẩm áp dụng vào học tập, thực hành, nghiên cứu giảng dạy Với tình trạng tốc độ sử dụng lượng hóa thạch tương lai có nhiều hệ thống pin lượng mặt trời đưa vào sử dụng Việt Nam mà toàn giới Hệ thống Solar Tracker cần nâng cấp công suất sản sinh điện cách mở rộng kích thước, mật độ tế bào quang điện solar cell, đồng thời nâng cấp chất lượng hệ thống Inverter đảm bảo công suất cao, chuẩn Sin Bên cạnh nguồn lượng dự trữ Ắc quy cần phát triển để lưu trữ lượng nhiều 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiều Xuân Thực, Vũ Thị Thu Hương Vũ Trung Kiên, 2008 Vi điều khiển cấu trúc lập trình ứng dụng Nhà xuất Giáo dục Hà Nội 199 trang [2] Nguyễn Ngọc Cương, Nguyễn Đình Nghĩa, Đỗ Quốc Huy, trần nghi Phú Phạm Thành Công, 2011 Giáo trình Ngôn ngữ lập trình C/C++ Nhà xuất Thông Tin Và Truyền Thông Hà Nội 191 trang [3] Trần Thế San, Cơ sở nghiên cứu & sáng tạo robot, Nhà xuất Thống kê, 2003 [4] http://www.arduino.cc/ 63 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình: #include Servo horizontal; int servoh = 45; int servohLimitHigh = 80; int servohLimitLow = 15; Servo vertical; int servov = 45; int servovLimitHigh = 80; int servovLimitLow = 15; int ldrlt = 0; int ldrrt = 1; int ldrld = 2; int ldrrd = 3; void setup() { Serial.begin(9600); horizontal.attach(9); vertical.attach(10); horizontal.write(180); vertical.write(45); delay(3000); } void loop() { int lt = analogRead(ldrlt); int rt = analogRead(ldrrt); int ld = analogRead(ldrld); int rd = analogRead(ldrrd); 64 int dtime = 10; int tol = 50; int avt = (lt + rt) / 2; int avd = (ld + rd) / 2; int avl = (lt + ld) / 2; int avr = (rt + rd) / 2; int dvert = avt - avd; int dhoriz = avl - avr; if (-1*tol > dvert || dvert > tol) { if (avt > avd) { servov = ++servov; if (servov > servovLimitHigh) { servov = servovLimitHigh; } } else if (avt < avd) { servov= servov; if (servov < servovLimitLow) { servov = servovLimitLow; }} vertical.write(servov); } if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol) { if (avl > avr) { servoh = servoh; if (servoh < servohLimitLow) 65 { servoh = servohLimitLow; }} else if (avl < avr) { servoh = ++servoh; if (servoh > servohLimitHigh) { servoh = servohLimitHigh; }} else if (avl = avr) {} horizontal.write(servoh); } delay(dtime); } 66 ... cứu Đề tài Thi t kế thi công hệ thống Solar Tracker thực vi xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng solar cell 10W - 18V Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn đưa vào hoạt động... Thi t kế phần cứng .50 4.1.1 Phần kết cấu khí 50 4.1.2 Thi t kế thi công phần vi xử lý cảm biến 52 4.1.3 Thi t kế thi công phần mạch sạc tự động cho Ắc quy 55 4.2 Thi t. .. Hệ thống pin mặt trời quy mô lớn Cấu hình tiêu biểu hệ thống Solar Tracker bao gồm: - Tấm pin mặt trời Solar cells - Hệ thống điều khiển Solar cells - Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc - quy - Hệ