2.1.6.1. Cảm biến hướng sáng sử dụng tấn pin mặt trời :
Hình 2.19: Cảm biến hướng sáng
- Cảm biến sử dụng 4 tấm pin mặt trời để phát hiệm hướng của mặt trời thông qua việc đọc điện áp chênh lệch giữa các tấm pin do các pin đặt về 4 hướng, tấm pin hướng về phía mặt trời sẽ có điện áp cao hơn các tấm còn lại.
2.1.6.2. Cảm biến hướng sáng sử dụng quang trở :
*Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quang trở : - Cấu tạo :
Hình 2.20: Cấu tạo quang trở
-Điện trở quang hay quang trở, photoresistor, photocell, LDR ( Light-dependent resistor), là linh kiện điện tử chế tạo bằng chất đặc biệt có điện trở thay đổi giảm
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
theo ánh sáng chiếu vào, điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối (khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ có thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh
- Nguyên lý hoạt động :Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ.
Hình 2.21 : Hiệu ứng quang điện trong
- Đọc quang trở :
Mạch đấu dây theo nguyên lý mạch cầu chia điện thế, khi giá trị điện trở tăng hay giảm có thể đo được bằng vi điều khiển thông qua việc đọc giá trị điện áp ở chân analog.
* Cảm biến hướng sáng sử dụng quang trở :
Hình 2.23: Cảm biến hướng sáng sử dụng quang trở
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 2.25 : Cảm biến hướng sáng sử dụng trong đề tài
- Nguyên lý hoạt động : Khi mặt trời vuông góc với cảm biến 4 quang trở nhận ánh sáng bằng nhau nên có điện trở gần bằng nhau . Khi đó tấm pin đã được vuông góc với mặt trời.
- Khi mặt trời lệch về một phía , vách ngăn giữa các quang trở sẽ che quang trở ở phía sau nó và mặt trời, quang trở bị che không nhận được ánh sáng trưc tiếp bởi mặt trời có giá trị điện trở cao hơn các quang trở được chiếu sáng trực tiếp.
Hình 2.27: Khi mặt trời lệch về một phía
- Theo thực nghiệm thì giá trị điện trở của quang trở trung bình là 68Ω khi được chiếu sáng trực tiếp và là 650Ω khi không được chiếu sáng trực tiếp.
2.2. Phương pháp nghiên cứu :
*Phân tích động học :
- Hướng di chuyển của mặt trời :
Để tiến hành thiết kê một hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời chúng ta cần phải giải quyết 2 vấn đề: hướng đặt của tấm pin và góc nghiêng của tấm pin để tia sáng mặt trời rọi vuông góc vào tấm pin khi đó tấm pin sẽ thu được nhiều bức xạ từ mặt trời nhất
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 2.28 : Hướng di chuyền của mặt trời
Theo hình mặt trời sẽ mọc ở hướng động lặn ở hướng Tây quỹ đạo chếch về hướng Nam vì vậy tấm pin sẽ phải hướng về phía Nam để bề mặt của nó hứng được nhiều tia nắng từ mặt trời nhất
Hình 2.30 : Hướng nghiêng của tấm pin tại một số vùng
Hình 2.31 : Giới hạn góc xoay của tấm pin (Ox)
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.1. Thiết kế mô hình:3.1.1. Thiết kế cơ khí: 3.1.1. Thiết kế cơ khí:
3.1.1.1. Nhiệm vụ, yêu cầu của kết cấu cơ khí:
*Nhiệm vụ:
Cơ cấu cơ khí sẽ bao gồm các chuyển động để điều khiển tấm pin mặt trời chuyển động hướng theo mặt trời cho đến khi tấm pin vuông góc với tia sáng mặt trời thì dừng lại.
*Yêu cầu:
-Kết cấu đơn giản và số chuyển động là ít nhất. -Chuyển động đạt độ chính xác cao.
3.1.1.2. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí:
a)Thiết kế:
Từ yêu cầu và nhiệm vụ đề ra, ta chỉ cần dùng hai chuyển động quay quanh hai trục Oz và Ox (hoặc Oy) trong hệ tọa độ Đề Các để điều khiển tấm pin hướng theo mặt trời. Xét trong hệ tọa độ Đề Các trong không gian gắn liền với tấm pin, tấm pin nằm trong mặt phẳng Oxy, gốc O trùng với tâm của tấm pin, giả sử tia sáng từ mặt trời chiếu tới tấm pin hợp với trục Oz một góc α, hình chiếu của tia sáng trên mặt phẳng Oxy hợp với trục Oy góc β. Để tia sáng vuông góc với tấm pin tức là tia sáng vuông góc với mặt phẳng Oxy, ta lần lượt quay hệ tọa độ quanh trục Oz góc β (khi quay quanh trục Oz góc α hợp bởi tia sáng với trục Oz không thay đổi), rồi tiếp tục quay hệ tọa độ quanh trục Ox góc α.
Hình 3.1: Chuyển động quay của hai trục tọa độ
Vẽ trên phần mền Solidwork
Hình 3.2 : Bộ động cơ xoay theo phương Ox và Oz
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ b) Chế tạo kết cấu cơ khí và chọn các bộ phận cơ khí :
Chọn bộ truyền đai
Chuyển động quay quanh trục Oz được thực hiện thông qua truyền động cơ khí là bộ truyền đai.
Hình 3.4 : Bộ truyền đai
Kích thước bộ truyền đai:
Đai nhỏ d1 Đai lớn d2
Đường kính ngoài (mm) 21 42
Đường kính trục (mm) 4 8
Số vòng quay (v/ph) 12,5 6,25
Khoảng cách trục (mm) 60 Truyền động đai có ưu điểm sau:
- Có khả năng truyền chuyển động và cơ năng giữa các trục ở khá xa nhau. -Làm việc êm, không ồn.
-Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ. Nhược điểm của bộ truyền đai:
-Khuôn khổ kích thước lớn hơn so với bộ truyền bánh răng (khi cùng một điều kiện làm việc).
-Lực tác dụng lên trục và ổ lớn do phải căng đai.
Chọn bộ thanh truyền
Chuyển động quay quanh trục Ox được thực hiện thông qua truyền động cơ khí thanh truyền . So với các truyền động cơ khí khác,
Truyền thanh truyền có ưu điểm nổi bật: -Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn.
-Tỷ số truyền không thay đổi.
-Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0,99 -Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
Tuy nhiên truyền động thanh truyền có các nhược điểm sau: -Chế tạo tương đối phức tạp.
-Đòi hỏi độ chính xác cao.
-Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn.
Hình 3.5 : Truyền động cơ cấu thanh truyền
Chọn động cơ:
Động cơ dùng là loại động cơ sử dụng điện một chiều, lắp cùng hộp giảm tốc, có thể đảo chiều xoay.
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ
Hình 3.6 : Động cơ kèm hộp giảm tốc
- Động cơ DC hộp giảm tốc, có thông số như sau : + Điện áp : 5 – 7 VDC
+ Tốc độ động cơ : 5000 rpm + Tỉ số truyền : 1/400
Hình 3.7 : Mô hình cơ khí thực tế
3.1.2.2. Thiết kế mạch điều khiển: a) Mạch điều khiển cầu H:
Có thể điều khiển và đảo chiều 2 động cơ cùng lúc, thiết kế trên phần mềm proteus :
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ
Hình 3.9: Mạch cầu H thực tế
b)Mạch vi điều khiển Arduino Nano:
Mạch vi điều khiển Arduino Nano có nhiệm vụ :
+ Đọc tín hiệu từ cảm biến hướng sáng , góc xoay và điện áp của tấm pin. + Điều khiển động cơ xoay tấm pin.
+ Hiển thị trạng thái, điện áp lên màn hình text LCD.
Hình 3.10 : Mạch vi điều khiển Arduino Nano
c) Hộp điều khiển :
Có chức năng bảo vệ các linh kiện điện tử và có kèm màn hình hiển thị điện áp pin, trạng thái cảm biến , trên mặt hộp có thiết kế nút nguồn, nút điều khiển tấm pin về vị trí mặt định, đèn báo sai vị trí đặt hệ thống điều hướng
Hình 3.11 : Hộp điều khiển
d)Sơ đồ đấu dây:
Hình 3.12 : Sơ đồ đấu dây với aduino nano
Chi tiết chức năng của các chân arduino nano : - Chân Analog A7 đọc giá trị quang trở thứ 4. - Chân Analog A6 đọc giá trị quang trở thứ 3. - Chân Analog A5 đọc giá trị quang trở thứ 2. - Chân Analog A4 đọc giá trị quang trở thứ 1. - Chân Analog A3 đọc biến giá trị trở trục Oz. - Chân Analog A2 đọc biến trở giá trị trục Ox.
- Chân Analog A0 đọc điện áp chân (+) của tấm pin mặt trời, chân (-) của của tấm pin mặt trời sẽ đấu chung với chân (-) của arduino.
- Các chân Digital D12, D11, D10, D9 đấu với mạch cầu H ( sừ dụng nguồn DC 6V ) điều khiển 2 động cơ DC: chân D12 và D11 điều khiển đông cơ trục Ox thuận hoặc nghịch, chân D10 và D9 điều khiển đông cơ trục Oz thuận hoặc nghịch.
- Chân D8 đấu với chân RS của text LCD: điều khiển địa chỉ ghi dữ liệu. - Chân D7 đấu với chân E của text LCD: Cho phép ghi vào text LCD.
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ - Chân D6, D5, D4, D3 đấu với chân D4, D5, D6, D7 của text LCD: chân dữ liệu. - Ngoài ra arduino nano còn cấp nguồn DC 5V cho cảm biến hướng sáng, biến trở và màn hình text LCD.
3.1.3. Điều khiển và lập trình : 3.1.3.1. Điều khiển :
Hình 3.13 : Sơ đồ hệ thống điều hướng
- Khi bật nguồn, vi điều khiền sẽ đọc giá trị góc của 2 trục ox và oz thông qua 2 biến trở 5000 ohm.
- Sau đó động cơ sẽ xoay tấm pin về vị trí mặc định ( home).
- tiếp theo vi điều khiển sẽ tiến hành đọc cảm biến hướng sáng và tiến hành điều hướng tấm pin mặt trời.
+ Đọc cảm biến hướng sáng : tại vị trí mặc định (home), trục oz sẽ xoay khi mặt trời ở các hướng tương ứng với quang trở 1,2,3,4 hoặc 1 và 2 hoặc 3 và 4. Sau khi trục oz xoay tấm pin sẽ hướng về phía mặt trời nhưng chưa vuông góc , lúc này trục ox sẽ xoay để tấm pin vuông góc với mặt trời tương ứng với mặt trời ở vị trí 3 và 4 hoặc 1 và 2.
- Khi tấm pin đã được điều hướng vuông góc với mặt trời vi điều khiển tiếp tục đọc cảm biến.
- Hệ thống hoạt động thông qua nguồn pin 7,4 V được nạp bằng tấm pin mặt trời 17V 10W thông qua mạch hạ áp LM2596 .
- Dựa vào quỹ đạo chuyển động của mặt trời, khi đặt hệ thống theo hướng Đông – Tây trục Oz chỉ cần quay một góc 180º phối hơp với góc nghiêng điều khiển bởi trục Ox thì có thể điều hướng cho tấm pin vuông góc với mặt trời tại bất kỳ vị trí nào của mặt trời.
Hình 3.14 : Hướng đặt của cảm biến
3.1.3.2 Lập trình :
- Lưu đồ giải thuật :
CHƯƠNG 3: THI T K H TH NG ĐI U HẾ Ế Ệ Ố Ề ƯỚNG T M PIN M T TR IẤ Ặ Ờ -Giải thích lưu đồ : đầu tiên sẽ xoay về vị trí home 1 lần sau đó đọc cảm biến nếu trời mát hay cân bằng sẽ giữ nguyên vị trí. Khi có lệnh điều hướng sẽ cho động cơ xoay tương ứng, sau đó đọc cảm biến nếu cân bằng rồi sẽ tắt toàn bộ động cơ. Khi trời tối sẽ quay về vị trí home.
Lập trình trên Arduino : - Đọc cảm biến : sử đụng hàm analogRead(); qt1 = analogRead(A4); // Đọc quang trở thứ nhất qt2 = analogRead(A5); //2 qt3 = analogRead(A6); //3 qt4 = analogRead(A7); //4
duoi = qt1 + qt2; // hướng Tây tren = qt3 + qt4; // hướng Đông trai = qt2 + qt3; // hướng Bắc phai = qt1 + qt4; // hướng Nam
Tương ứng với các buổi trong ngày thì mặt trời chỉ ở các hướng : Đông, Nam, Tây trường hợp mặt trời ở hướng Bắc sẽ báo lỗi đặt sai vị trí.
3.2 Tiến hành chạy thực nghiệm:
Bằng thực nghiệm đo lường, so sánh hiệu suất của cùng một viên pin năng lượng mặt trời Mono 17v 10W khi đặt trên hệ thống giá đỡ pin cố định và khi đặt trên hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời trong khoảng thời gian 8 giờ (khoảng 9h sang đến 5h chiều) cho ra kết quả sau:
Số liệu này được lấy từ kết quả của mỗi lần đo trong từng thời điểm khác nhau. Hiệu suất được tính bằng kết quả đo trung bình trong khoảng thời gian đó chia cho kết quả đo lớn nhất, không phải hiệu suất chuyển từ quang năng sang điện năng của viên pin năng lượng mặt trời.
Theo thực tế hệ thống đã đủ đáp ứng cho quá trình sạc 2 pin 18650 dung lượng 4000 mA qua mạch hạ áp sạc đầy trong 4 tiếng.
Bảng thống kê hiệu suất của viên pin Mono 17v 10W khi đặt trên hệ thống giá đỡ pin cố định và hệ thống tự động điều hướng trong cùng một khoảng
thời gian.
Như vậy, dựa vào bảng thống kê hiệu suất của một viên pin trong hai trường hợp ta thấy tuy cùng một viên pin nhưng hiệu suất có sự chênh lệch đáng kể. Đối với pin khi đặt trên hệ thống giá đỡ cố định thì thời gian pin cho hiệu suất tốt nhất sẽ rơi vào khoảng từ 11h đến 13h. Ngoài khoảng thời gian này, hiệu suất sẽ giảm dần (từ 11h trở về trước và từ 13h trở về sau).
Còn đối với pin mặt trời khi được đặt trên hệ thống giá đỡ pin tự động điều hướng thì hiệu suất luôn luôn được giữ ổn định trong khoảng từ 80% đến 90%.Điều này giúp chúng ta có thể khai thác được nguồn năng lượng từ Mặt trời một cách lớn nhất có thể, giảm tối đa việc phụ thuộc quá nhiều vào các đơn vị phân phối điện đồng thời giảm được tình trạng ô nhiễm môi trường. Đối với hệ thống lớn, còn có thể sử dụng năng lượng tái tạo từ mặt trời để bán ngược lại cho các hệ thống phân phối, do đó tiết kiệm được đáng kể tiền điện.
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1. Kết quả đạt được:
Sau khoảng thời gian nghiên cứu và thi công, dưới sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, chúng em đã hoàn thành mô hình đề tài được giao.
-Về lý thuyết, đã khái quát được tiềm năng rất lớn của nguồn năng lượng được cho là vô tận – năng lượng mặt trời; các phương án để khai thác loại năng lượng này một cách hiệu quả nhất
-Về khảo sát, đã tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống truyền động cho hệ thống giá đỡ pin, qua đó chọn lọc được phương án tối ưu nhất, hoạt động bền bỉ nhất, dễ dàng lắp đặt và điều khiển nhất và rẻ nhất.
-Về thực tế, hoàn thành mô hình tự động điều hướng pin mặt trời hoạt động ổn định với công suất nhỏ. Từ đó làm tiền đề để chế tạo các mô hình cỡ lớn, các trạm điện mặt trời công nghệ cao, giúp phần giảm gánh nặng cho hệ thống lưới điện quốc gia vốn sử dụng những nhiên liệu có hạn cũ kỹ.
- Hiểu về hoạt động của động cơ, cách đọc dữ liệu từ các loại cảm biến hướng sáng và cảm biến góc.
Hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời do chúng em thiết kế, thi công là loại cỡ nhỏ, có ưu điểm là kết cấu tạo gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ thi công lắp đặt, giá thành đầu tư thấp, dải thu nhận ánh sáng rất tốt không chỉ ở tại một địa điểm khảo sát mà