Bài báo này trình bày quy trình thiết kế mô hình xe chạy bằng năng lượng mặt trời điều khiển bằng Arduino Uno. Xe được điều khiển bằng smartphone qua kênh Bluetooth. Kết quả nghiên cứu cho ra sản phẩm mô hình điều khiển xe, lập trình điều khiển bằng chương trình của Arduino. Xe có thể chạy nhanh, giảm, rẽ trái, rẽ phải. Đề tài cũng trình bày tổng quan về các công nghệ khai thác năng lượng mặt trời và xu hướng phát triển xe năng lượng mới là một tất yếu khách quan; giúp cho sinh viên hiểu và ứng dụng được năng lượng mặt trời, ứng dụng lập trình điều khiển Arduino, điều khiển từ xa qua đó nâng cao chất lượng dạy học môn Năng lượng tái tạo, có thể phục vụ cho dạy học trong mô hình giáo dục STEM.
Nguyễn Bá Thành Thiết kế, thi cơng mơ hình chạy xe THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH XE CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Nguyễn Bá Thành(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận bài: 7/12/2018; Ngày gửi phản biện 20/12/2018; Chấp nhận đăng 30/2/2019 Email: thanhnb@tdmu.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày quy trình thiết kế mơ hình xe chạy lượng mặt trời điều khiển Arduino Uno Xe điều khiển smartphone qua kênh Bluetooth Kết nghiên cứu cho sản phẩm mơ hình điều khiển xe, lập trình điều khiển chương trình Arduino Xe chạy nhanh, giảm, rẽ trái, rẽ phải Đề tài trình bày tổng quan công nghệ khai thác lượng mặt trời xu hướng phát triển xe lượng tất yếu khách quan; giúp cho sinh viên hiểu ứng dụng lượng mặt trời, ứng dụng lập trình điều khiển Arduino, điều khiển từ xa qua nâng cao chất lượng dạy học mơn Năng lượng tái tạo, phục vụ cho dạy học mơ hình giáo dục STEM Từ khóa: Arduino Uno, DC Motors, điều khiển, xe lượng Abstract DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SOLAR ELECTRIC CAR MODEL This paper presents the process of designing a model of solar powered vehicles controlled by Arduino Uno Vehicles are controlled by phone via Bluetooth channel The results show that the vehicle control model, control program of Arduino Vehicles can speed up or down, turn left and turn right The thesis also presents an overview of technologies for solar energy exploitation and the trend of developing energy vehicles; help students understand the applications of solar energy, application programming Arduino thereby improving the quality of teaching Renewable Energy as well as the equipment used in the STEM education model Giới thiệu Trong bối cảnh giá xăng liên tục tăng, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng, phương tiện đốt trở thành gánh nặng kinh tế nhiều quốc gia, nhiều tổ chức, phủ người tiêu dùng tìm kiếm nguồn lượng khác rẻ hơn, để thay Trong xu đó, đáng ý ứng dụng lượng mặt trời, đặc biệt nghiên cứu phát triển xe chạy lượng mặt trời Mặt trời nguồn lượng có sẵn, gần vô tận, tận dụng khai thác hợp lí sức mạnh to lớn việc giải quyêt vấn đề lượng trở dễ dàng nhiều Theo dự báo nghiên cứu, xe chạy lượng mặt trời hứa hẹn thay xe lượng truyền thống tương lai Trong năm gần đây, nước phát triển châu 104 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 2(41)-2019 Âu, Mỹ, Australia trọng phát triển lượng tái tạo, lượng mặt trời Một loạt hãng xe lớn Toyota, Nissan, Mitsubishi, Volvo, BMW, Ford, GM có đầu tư đáng kể vào lĩnh vực xe điện với mục tiêu chuyển sang dòng xe vào năm 2020 Dẫn đầu thị trường xe điện Tesla (Mỹ) Hiện tại, giá xe điện phụ thuộc lớn vào chi phí pin điện Tuy nhiên, tương lai không xa, với tiến cơng nghệ, chi phí giảm đáng kể, khiến giá xe điện tương đương rẻ loại xe thông thường khác Do vậy, vấn đề nghiên cứu, thử nghiệm phát triển xe chạy lượng mặt trời xu tất yếu sinh viên trường đại học cần quan tâm, ý ứng dụng Năng lượng mặt trời 2.1 Khái niệm Năng lượng mặt trời lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ mặt trời ngơi Dòng lượng tiếp tục phát phản ứng hạt nhân mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỷ năm Năng lượng xạ điện từ mặt trời tập trung vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trơi qua, Mặt Trời giải phóng khơng gian xung quanh 3,827×1026 joule Năng lượng mặt trời nguồn lượng quan trọng điều khiển trình khí tượng học trì sống trái đất Ngay ngồi khí trái đất, mét vng diện tích vng góc với ánh nắng mặt trời, thu dòng lượng khoảng 1.400 joule giây 2.2 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam Việt Nam quốc gia có nguồn lượng mặt trời khổng lồ Mặc dù hoạt động nghiên cứu triển khai gần 30 năm, đến sản phẩm sử dụng nguồn lượng chưa thật ứng dụng rộng rãi so với tiềm Bức xạ mặt trời nguồn tài nguyên vô quan trọng cần khai thác Trung bình, tổng xạ lượng mặt trời Việt Nam vào khoảng 5kW/h/m2/ ngày tỉnh miền Trung miền Nam, vào khoảng 4kW/h/m2 /ngày tỉnh miền Bắc Từ vĩ tuyến 17, xạ mặt trời không nhiều mà ổn định suốt thời gian năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số nắng năm miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ, miền Trung miền Nam, số vào khoảng 2000-2600 năm Bảng số bảng thống kê liệu lượng xạ mặt trời vùng miền địa phương Việt Nam Bảng Số liệu xạ mặt trời vùng miền Việt Nam Vùng Giờ nắng năm Cường độ BXMT Ứng dụng (kWh/, ngày) 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 Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình nước 1700 – 2500 4,6 105 Tốt Nguyễn Bá Thành Thiết kế, thi cơng mơ hình chạy xe 2.3 Các công nghệ khai thác lượng mặt trời Các ứng dụng NLMT là: - Nhiệt mặt trời: Chuyển xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng hệ thống sưởi để đun nước tạo quay turbin điện - Điện mặt trời: Chuyển xạ mặt trời (dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện (hay gọi quang điện – photovoltaics - PV) - Các ứng dụng khác: chưng cất nước, gia nhiệt, sấy, v.v Hình Các cơng nghệ khai thác lượng mặt trời Thiết kế mô hình xe điện mặt trời Trong đề tài này, tác giả giới thiệu cách thiết kế mơ hình xe chạy chạy lượng mặt trời công suất nhỏ, điều khiển từ xa điện thoại Khả xe: chạy tiến, lui, rẻ trái, rẻ phải Mơ hình gồm có: - Tấm pin lượng mặt trời (10W-20V-0.5A) - Module Bluetooth HC-05 - Động DC (động dc giảm tốc V1 1:120) - Bánh xe - Module điều khiển động L298N - Bộ xử lý Arduino Uno R3 - Mạch giảm áp LM2596S - Mạch sạc 3S 3.1 Sơ đồ khối thành phần xe Tồn mơ hình gồm xử lý trung tâm, mạch điều khiển động cơ, pin lượng mặt trời đặt lên xe 106 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 2(41)-2019 Hình Sơ đồ khối mơ hình xe lượng mặt trời 3.1.1 Module Bluetooth HC-05 Bộ phận giúp kết nối điều khiển giao diện điện thoại Arduino UNO R3 3.1.2 Arduino UNO R3 Arduino UNO R3 kit Arduino UNO hệ thứ 3, với khả lập trình cho ứng dụng điều khiển phức tạp trang bị cấu hình mạnh cho loại nhớ ROM, RAM Flash, ngõ vào digital I/O có nhiều ngõ có khả xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog chuẩn giao tiếp đa dạng UART, SPI, TWI (I2C) Arduino biết đến cách rộng rãi Việt Nam, giới q phổ biến! Sức mạnh chúng ngày chứng tỏ theo thời gian với ứng dụng mở (open source) độc đáo chia sẻ rộng rãi Với Arduino bạn ứng dụng vào mạch đơn giản mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ, cao bạn làm sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay khơng người lái Hình Kết nối module Bluetooth Hc-05 Arduino Uno 107 Nguyễn Bá Thành Thiết kế, thi cơng mơ hình chạy xe Một hệ thống Arduino cung cấp cho bạn nhiều tương tác với môi trường xung quanh với: - Hệ thống cảm biến đa dạng chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát chuyển động, phát kim loại, khí độc,…),… - Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…) - Các module chức (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với thiết bị khác kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,…), … - Định vị GPS, nhắn tin SMS, v.v 3.1.3 Module điều khiển động L298N Module điều khiển động (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ chiều quay động DC cách dễ dàng, module L298N điều khiển động bước lưỡng cực Mạch cầu H IC L298N hoạt động điện áp từ 5V đến 35V Module L298N có tích hợp IC nguồn 78M05 để tạo nguồn 5V để cung cấp cho thiết bị khác Hình Sơ đồ kết nối Module điều khiển động Arduino 3.2 Quy trình thiết kế xe lượng mặt trời - Bước 1: Chuẩn bị mạch Arduino Uno R3, mạch Blutooth HC05, mạch L298N, khung xe, động giảm tốc V1, pin mặt trời - Bước 2: Ráp khung xem kết nối board mạch - Bước 3: Viết chương trình điều khiển thử nghiệm - Bước 4: Nạp ứng dụng điều khiển vào điện thoại Android - Bước 5: Thử nghiệm kết 108 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 2(41)-2019 Lập trình phần mềm Để kết nối điều khiển xe cần có phần: (1) Chương trình giao tiếp điện thoại khối Bluetooth; (2) Chương trình điều khiển xe nạp cho Arduino Uno Chương trình điều khiển xe có sẵn ứng dụng phát triển cộng đồng Arduino Chúng ta việc tải app Android Google Play máy sử dụng Phần lập trình điều khiển xe lập trình phần mềm Arduino, sau nạp vào Chip Arduino Lưu đồ chương trình điều khiển hình Hình Lưu đồ chương trình điều khiển xe Để thực hiện, cần mở điện thoại kết nối Bluetooth, sau chuyển sang hình điều khiển (hình 6) Hình Màn hình điều khiển xe 109 Nguyễn Bá Thành Thiết kế, thi cơng mơ hình chạy xe Xe có chức năng: chạy nhanh, chạy chậm, rẻ trái, rẻ phải, dừng, tiến, bật đèn, loa Khi khơng chạy dừng khỏi kết nối điện thoại Kết Mơ hình xe lượng mặt trời hình 7, 8, Hình Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình 8: Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình Mơ hình hồn chỉnh xe lượng mặt trời 110 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 2(41)-2019 Kết luận Mơ hình xe chạy lượng mặt trời công suất nhỏ phù hợp để thử nghiệm điều khiển, ứng dụng lập trình Arduino Mơ hình hữu ích cho sinh viên học ứng dụng lượng mặt trời, ứng dụng giảng dạy STEM Nghiên cứu cung cấp thêm thơng tin hữu ích cho nghiên cứu điều khiển từ xa bluetooth TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Đình Thống (2005) Pin mặt trời ứng dụng NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Hoàng Dương Hùng (2010) Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng NXB Đà Nẵng [3] Huỳnh Châu Duy (2016) Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường NXB Đại học Quốc gia TPHCM [4] Nguyễn Thế Bảo (2018) Giáo trình lượng tái tạo phát triển bền vững NXB Đại học Quốc gia TPHCM [5] Trần Thế San (2005) Cơ sở nghiên cứu sáng tạo Robot NXB Thống kê [6] Võ Viết Cường (2017) Năng lượng mặt trời - Thiết kế lắp đặt NXB Đại học Quốc gia TPHCM 111 ... khơng chạy dừng thoát khỏi kết nối điện thoại Kết Mơ hình xe lượng mặt trời hình 7, 8, Hình Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình 8: Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình Mặt mơ hình xe điện mặt trời Hình. .. thác lượng mặt trời Thi t kế mơ hình xe điện mặt trời Trong đề tài này, tác giả giới thi u cách thi t kế mơ hình xe chạy chạy lượng mặt trời công suất nhỏ, điều khiển từ xa điện thoại Khả xe: chạy. .. triển xe chạy lượng mặt trời xu tất yếu sinh viên trường đại học cần quan tâm, ý ứng dụng Năng lượng mặt trời 2.1 Khái niệm Năng lượng mặt trời lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ mặt trời Dòng lượng