Thiết kế, chế tạo bộ định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời

i MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH SÁCH HÌNH VẼ .iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU .v LỜI CẢM ƠN vi MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG CHO PIN MẶT TRỜI .4 2.1.1 Pin mặt trời 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời 2.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 14 2.2.1 Giới thiệu chung động bước (step motor) 14 2.2.2 Phân loại, cấu tạo nguyên lý hoạt động 15 2.3 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 21 2.3.1 Chức VDK ATmega16 23 2.3.2 Sơ đồ cấu trúc VDK ATmega16 24 2.4 ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC DS1307 .27 2.5 GIỚI THIỆU LCD1602 VÀ IC L298 30 2.5.1 LCD1602 .30 2.5.2 Sơ đồ khối HD44780 31 2.5.3 IC L298 33 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35 GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An ii 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 35 3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG 39 3.2.1 Thiết kế mạch điều khiển 39 3.2.3 Thiết kế mơ hình 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤC LỤC 45 GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An iii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1 Một tế bào quang điện Hình 2.2 Công nghệ nano ứng dụng pin mặt trời Hình 2.3 Cơng nghệ tế bào nhiều lớp pin mặt trời .6 Hình 2.4 Cấu tạo pin mặt trời .7 Hình 2.5 Cấu trúc tinh thể pin mặt trời Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 2.7 Trạng thái mức lượng Electron Hình 2.8 Các vùng lượng phần tử bán dẫn 11 Hình 2.9 Các phương pháp định hướng cho dàn pin mặt trời 12 Hình 2.10 Sơ đồ đấu dây mặt cắt ngang động biến từ trở ba cuộn dây .16 Hình 2.11 Cấu tạo động nam châm vĩnh cửu 17 Hình 2.12 Sơ đồ đấu dâu mặt cắt ngang động đơn cực rơto có cực 17 Hình 2.13 Sơ đồ đấu dâu mặt cắt ngang động đơn cực rôto có cực 18 Hình 2.14 Sơ đồ đấu dây mặt cắt ngang động lưỡng cực 19 Hình 2.15 Sơ đồ đấu dây mặt cắt ngang động hai dây song song 20 Hình 2.16 Sơ đồ đấu dây động pha .20 Hình 2.17 Vi điều khiển ATmega16 22 Hình 2.18 Sơ đồ chân VDK Atmega16 24 Hình 2.19 Sơ đồ khối VDK ATmega16 25 Hình 2.20 CPU ATmega16 26 Hình 2.21 Sơ đồ chân DS1307 27 GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An iv Hình 2.22 Tổ chức nhớ DS1307 28 Hình 2.23 Cấu trúc DS1307 .29 Hình 2.24 Sơ đồ chân LCD1602 30 Hình 2.25 Sơ đồ khối HD44780 32 Hình 2.26 Sơ đồ chân IC L298 33 Hình 2.27 Sơ đồ khối IC L298 34 Hinh 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 35 Hình 3.2 Các hướng quay pin mặt trời .36 Hình 3.3 Cách bố trí cảm biến quang cho trường hợp quay theo trục 36 Hình 3.4 Bố trí cảm biến quang thực tế 37 Hình 3.5 Sơ đồ thuật tốn hệ thống 38 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 39 Hình 3.7 Mạch in điều khiển .40 Hình 3.8 Mạch điều khiển 40 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất .40 Hình 3.10 Mạch in khối cơng suất 41 Hình 3.11 Mạch công suất 41 Hình 3.10 Động bước đơn cực rôto pha dây 42 Hình 3.11 Thép chữ V lỗ 42 GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An v DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Số liệu xạ mặt trời VN Bảng 2.1 Chức chân LCD1602 30 Bảng 2.2 Chức chân RS R/W theo mục đích sử dụng 32 GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An vi LỜI CẢM ƠN Được phân công Khoa Điện điện tử Trường Đại Học Nha Trang, đồng ý thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Hân em thực đề tài “Thiết kế, chế tạo định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời” Để hoàn thành chuyên đề em xin chân thành cảm ơn thầy cố giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại Học Nha Trang Xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Văn Hân tận tình, chu đáo hướng dẫn em hồn thành chuyên đề Cũng xin cảm ơn tới bạn sinh viên lớp 53DDT giúp đỡ trình thực chuyên đề Mặc dù có nhiều cố gắng để thực chuyên đề cách hoàn chỉnh Tuy nhiên, kiến thức hạn chế thiếu kinh nghiệm nên trình thực chuyên đề cịn thiếu sót chưa giải Em mong nhận ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô bạn để chuyên đề hoàn thiện Trân trọng cảm ơn! Khánh Hòa, ngày 16 tháng năm 2015 Sinh viên Đặng Văn An GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An vii MỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời coi nguồn lượng vô tận, với nhiều lợi ích mà mang lại Và cần phải có thiết bị biến nguồn lượng thành thứ mà sử dụng tùy ý Do mà pin lượng mặt trời tìm phát triển khơng ngừng Tuy nhiên, việc cố định dàn pin đem lại hiệu suất không cao mà pin không hấp thu triệt để lượng mặt trời Vì vậy, cần phải có thiết bị định hướng theo mặt trời nhằm nâng cao tối đa hiệu suất Từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài “Thiết kế, chế tạo định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời” chọn tiến hành thực quy mơ phịng thí nghiệm  Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống tự động điều chỉnh góc quay theo hướng mặt trời để thu nhiều lượng - Thiết kế, chế tạo điều khiển khung khí cho mơ hình đề tài  Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động ứng dụng vi điều khiển, pin mặt trời, phương án tự động điều chỉnh bề mặt pin vng góc với góc chiếu tia sáng mặt trời - Đo đạc, đánh giá kết đạt  Ý nghĩa khoa khọc ý nghĩa thực tiễn Thông qua đề tài giúp hệ thống pin mặt trời nâng cao hiệu suất Giúp pin mặt trời trở thành nguồn lượng quan trọng tương lai nhiều lĩnh vực chiếu sáng, nông – lâm – ngư nghiệp, công nghiệp phục vụ sinh hoạt đời sống GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Hiện nay, việc khai thác sử dụng lượng mặt trời khơng cịn vấn đề xa lạ người Năng lượng mặt trời loại lượng xanh hứa hẹn áp dụng rộng rãi sống người tương lai Đây nguồn lượng dường vô tận, dễ dàng khai thác sử dụng giúp bảo vệ môi trường sống người Và dĩ nhiên, pin lượng mặt trời phận quan trọng việc sử dụng nguồn lượng tương lai Năng lượng mặt trời có ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời góp phần thay nguồn lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường Vì thế, coi nguồn lượng quý giá, thay dạng lượng cũ ngày cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi giới sử dụng lượng mặt trời giải pháp thay nguồn tài nguyên truyền thống Tại Đan Mạch, năm 2000, 30% hộ dân sử dụng thu lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước Ở Brazil, vùng xa xôi hiểm trở Amazon, điện lượng mặt trời ln chiếm vị trí hàng đầu Ngay Đông Nam Á, điện mặt trời Philipines đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân[6] Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm coi hướng phát triển lượng tái tạo quốc sách lượng mặt trời có tăng trưởng mạnh chiếm tỷ lệ đáng kể cấu phân bổ điện Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm tăng nhanh tốc độ xây dựng nhà máy sản xuất pin mặt trời, chủ yếu xây dựng nhà máy sản xuất pin màng mỏng vơ định hình Hiện nay, giới sử dụng ba dạng pin mặt trời pin mặt trời tinh thể, đa tinh thể màng mỏng vơ định hình Trong đó, pin màng mỏng vơ định hình (Amorphous Silicon (a-Si)) GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An đặc biệt quan tâm qua thời gian vận hành loại pin thể tính ổn định cho hiệu suất cao Bằng thí nghiệm khác, nhà khoa học xác định pin a-Si làm việc điều kiện trời có mây mù mơi trường khơng khí có nhiệt độ cao mà pin khác không làm việc Điều làm sáng tỏ bảng kết thí nghiệm pin a-Si cho sản lượng điện nhiều hai loại pin tinh thể Vị trí địa lý ưu cho Việt Nam nguồn lượng tái tạo vô lớn, đặc biệt lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến vùng Nam Trung Bộ vùng Bắc Trung Bộ (xem bảng 1.1) Bảng 1.1 : Số liệu xạ mặt trời VN Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày) Vùng Giờ nắng năm Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên Nam 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Trung Bộ Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình nước 1700 – 2500 4,6 Tốt Ứng dụng lượng mặt trời Việt Nam phong phú với đa dạng sản phẩm như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn chiếu sáng, Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng lượng mặt trời nhiều Với bờ biển dài 3.000km, có hàng nghìn đảo có cư dân sinh sống nhiều nơi đưa điện lưới đến Hiện khai thác khoảng 25% nguồn lượng Theo nhà khoa học, Chương trình điện khí hóa nông thôn Việt Nam đẩy nhanh phát triển tốt việc sử dụng điện mặt trời[6] GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An Hệ thống định hướng pin mặt trời nghiên cứu phát triển mạnh mẽ quốc gia lớn Đức, Nhật Bản, Australia, Mỹ… Ở Việt Nam, hệ thống định hướng pin mặt trời phát triển Tuy nhiên, hệ thống chưa phổ biến chủ yếu quy mơ phịng thí nghiệm Vì vậy, việc nghiên cứu lượng mặt trời Việt Nam triển khai ứng dụng phương pháp định hướng mặt trời điều cần thiết Dựa vào điều kiện thực tiễn mà hệ thống cố định pin lượng mặt trời chưa đáp ứng tối đa hiệu suất chuyển đổi lượng Vì vậy, đề tài “Thiết kế, chế tạo định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời.” hướng giải pháp cho vấn đề hiệu hệ thống Những nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu pin mặt trời, nguyên lý hoạt động phương pháp điều khiển định hướng pin mặt trời để nâng cao hiệu suất - Thiết kế khung khí, điều khiển định hướng tâm pin mặt trời - Chế tạo, thử nghiệm hồn thiện khung khí, điều khiển định hướng pin mặt trời - Đánh giá kết đạt Nội dung cụ thể đề tài trình bày chương: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân SVTH: Đặng Văn An ... nhiên, việc cố định dàn pin đem lại hiệu suất không cao mà pin không hấp thu triệt để lượng mặt trời Vì vậy, cần phải có thiết bị định hướng theo mặt trời nhằm nâng cao tối đa hiệu suất Từ yêu... mặt trời điều cần thiết Dựa vào điều kiện thực tiễn mà hệ thống cố định pin lượng mặt trời chưa đáp ứng tối đa hiệu suất chuyển đổi lượng Vì vậy, đề tài ? ?Thiết kế, chế tạo định hướng nâng cao. .. cao hiệu suất cho pin mặt trời. ” hướng giải pháp cho vấn đề hiệu hệ thống Những nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu pin mặt trời, nguyên lý hoạt động phương pháp điều khiển định hướng pin mặt trời