CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
5.6: LẬP CHƯƠNG TRÌNH CHO VI XỬ LÝ ARDUINO NANO CH340
Để lập chương trình cho vi xử lý, ta sử dụng phần mềm lập trình Arduino được cài trên máy tính cá nhân, cáp kết nối USB, board Arduino CH340.
Phần mềm để lập trình có tên là IDE, ngơn ngữ lập trình được sử dụng là C+/ C++.
96
Chương trình cho Arduino được chia làm 3 phần: Cấu trúc (structure), biến số (variable) và hằng số (constant), hàm và thủ tục (funcition)
97
Bảng 5. 2: Các thành phần trong chương trình lập trình Arduino 5.7 Thực nghiệm mơ hình, hướng phát triển. 5.7 Thực nghiệm mơ hình, hướng phát triển.
Sau khi hồn thành mơ hình, ta tiến hành thực nghiệm mơ hình ở các điều kiện khác nhau nhằm mục đích kiểm tra xem mơ hình hoạt động có hiệu quả hay không? Đồng thời so sánh giữa công suất của tấm pin khi được điều hướng theo vị trí của Mặt Trời và khi tấm pin có góc nghiêng cố định tại một vị trí.
5.7.1 Thực nghiệm với điều kiện ban ngày.
Trước khi tiến hành thực nghiệm, ta mắc thêm một tải trở có R= 15Ω song song với vôn kế đèn led (V) tại ngõ ra của pin mặt trời như hình sau:
98
Hình 5. 17: Sơ đồ thí nghiệm cơng suất pin của mơ hình
Trong lúc thực nghiệm thì sau 30 phút sẽ lấy số liệu hiển thị trên màn hình vơn kế đèn led một lần, đồng thời tính giá trị cơng suất của tấm pin theo công thức sau:
P =𝑈
2
𝑅 (W) (5.24) Khi thực nghiệm mơ hình ở chế độ tự động điều hướng pin mặt trời theo hướng của ánh sáng mặt trời, ta không cần quan tâm đến vị trí hướng của mặt phẳng tấm pin, góc nghiêng ban đầu β của tấm pin.
Nhưng khi thực nghiệm với tấm pin đặt cố định một góc nghiêng ban đầu β và mặt phẳng của tấm pin chỉ hướng về một phía. Vì vị trí thực nghiệm mơ hình là tại TPHCM, nằm hoàn toàn ở bán cầu Bắc, nên mặt phẳng đón ánh sáng mặt trời của tấm pin sẽ quay về hướng Nam[1]. Sở dĩ có góc nghiêng là vì người ta lắp dàn pin sao cho khi đặt cố định thì có thể nhận được tổng cường độ bức xạ lớn nhất[1]. Đồng thời làm cho tấm pin có khả năng tự làm sạch. Khi có mưa, do mặt phẳng dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tạo thành dòng chảy, tẩy rửa bụi bẩn bám trên mặt pin. Thực tế, đối với các dàn pin mặt trời cố định lớn, hoạt động lâu năm, để thu được cơng suất tối đa có thể ở mọi lúc trong năm người ta thường chọn góc nghiêng β như cơng thức sau[1]:
𝛽= L ± 100 (5.25) Nhưng đối với mơ hình của đề tài chỉ có một tấm pin, lại được thực nghiệm trong một ngày ở mùa hè nên ta sẽ tính tốn góc β sao cho tấm pin có cơng suất lớn nhất vào lúc 12 giờ trưa, thời điểm Mặt Trời đi qua kinh tuyến địa phương, có tổng
99
cường độ bức xạ lớn nhất. Lúc tiến hành thực nghiệm mơ hình tại TPHCM (có vĩ độ L= ……..) tại thời điểm 12 giờ trưa ngày 5 tháng 5 năm 2018, khi đó
Góc thiên độ[8]:
δ = 23,45.sin(360. 365 ) 𝛿 = 23,24. sin (360.𝑛−81
365 )
Với n là thứ tự của ngày thực nghiệm trong năm[2]. thay n = 120+5 = 125 vào (6.3) tính được δ= 1606’41”.
Góc cao độ giữa trưa βN là góc giữa tia nắng mặt trời chiếu tới và mặt phẳng phương ngang của mặt đất[8]:
𝛽N=900-(L-𝛿)
Thay các giá trị L và δ vào (….) ta có kết quả 𝛽N=900-(1601’55”-1606’41”)=9004’46”.
Để tia nắng mặt trời chiếu vng góc với mặt phẳng tấm pin lúc 12h trưa thì góc nghiêng β là[8]
𝛽=900-(900-9004’46”)=004’46”
Hình 5. 18: Tính tốn góc nghiêng β[8].
Nhận thấy góc nghiêng β quá nhỏ nên phương án đặt tấm pin là đặt tấm pin sao cho mặt phẳng đón tia nắng mặt trời của nó song song với phương ngang của
100
mặt đất tại địa điểm thực nghiệm (vì địa điểm thực nghiệm là một nơi rộng, thống, khơng có bóng mát và bằng phẳng). Chú ý là đối với thực nghiệm mơ hình khi tấm pin được đặt cố định thì ta chuyển qua chế độ điều khiển bằng tay, thực hiện các thao tác nhấn nút điều khiển động cơ servo điều hướng tấm pin đến khi có góc quay là 900 , khi đó mặt phẳng tấm pin sẽ song song với mặt đất. Đồng thời, trong suốt quá trình thực nghiệm ở điều kiện này, không được tác động đến các nút nhấn, đảm bảo cung cấp nguồn điện liên tục cho động cơ servo. Vì trong suốt quá trình thực nghiệm, mà nguồn điện bị ngắt thì động cơ servo sẽ trở về góc quay 00 làm cho trục quay điều hướng tấm pin về vị trí ban đầu chưa được cấp nguồn, ảnh hưởng lớn đến mơ hình và quá trình thực nghiệm.
5.7.2 Thực nghiệm với điều kiện ban đêm.
Với điều kiện ban đêm, thì khơng có ánh sáng mặt trời để tấm sản xuất ra điên áp
để sử dụng được, vì giá trị đó rất nhỏ. Ta tiến hành thực nghiệm với điều kiện ban đêm để xét xem mơ hình sẽ điều hướng và độ nhạy của bộ cảm biến như thế nào với các ánh sáng khác.
Quá trình thực nghiệm bắt đầu khi 7 giờ tối, ngày tháng năm 2021 (khơng có
ánh sáng mặt trời), mơ hình khơng làm việc. Qua đó nhận thấy giá trị điện trở của các quang trở khơng có sự chênh lệch.
Tuy nhiên, là khi chiếu đèn pin vào bộ cảm biến hướng ánh sáng, thì mơ hình có sự hoạt động. Có nghĩa là, khi chiếu đèn pin vào đó trong một khoảng thời gian đủ lâu thì bộ cảm biến có sự thay đổi giá trị điện trở của các quang trở, khi đó sẽ có tín hiệu về mạch điều khiển và mơ hình hoạt động, tự động điều hướng tấm pin đến vị trí của đèn pin. Khi chiếu đèn thoáng qua trong thời gian rất ngắn thì mơ hình khơng hoạt động.
Một thực nghiệm nữa là ta xả hết điện trong acquy của mơ hình, sau đó nạp điện cho acquy thông qua mạch nạp được nối với dây dẫn điện áp ra từ tấm pin. Sau khi điện đã được nạp cho acquy trong điều kiện thực nghiệm ban ngày (bình acquy
101
được nạp đầy thì đèn báo tại mạch nạp sáng lên). Trong quá trình thực nghiệm ban đêm thì tấm pin khơng sản xuất ra điện áp đủ lớn để nuôi các thành phần khác của mơ hình, thì đã có điện của acquy đã được nạp đầy trước đó. Qua đó nhận thấy là mạch nạp hoạt động tốt, ban ngày ta lấy điện của tấm pin để sử dụng và nạp vào acquy, đến khi ban đêm thì lấy điện đã được tấm pin nạp đầy vào acquy để sử dụng
102
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
Bên cạnh cung cấp tưới tiêu cho nơng nghiệp cịn phục vụ nhu cầu nước uống học đường tại các địa phương vùng xa, ven biển.
Tồn tại khách quan: Hệ thống cấp nước máy chưa tập trung, chưa đáp ứng được quy mô về lưu lượng và chất lượng nước cấp , đặc biệt nhiễm phèn & nhiễm mặn trong các tháng mùa khô.Hệ thống bồn bể lưu trữ nước cũ, lạc hậu, dung tích nhỏ nên chưa đảm bảo
Bảo vệ môi trường, đồng thời đảm bảo sự phát triển bền vững của cộng đồng dân cư ven biển đang chịu ảnh hưởng do tình trạng xâm nhập mặn. Góp phần vào việc thực hiện chính sách quốc gia trong việc sử dụng khoa học - cơng nghệ như “chìa khóa” giúp tăng cường khai thác, sử dụng nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo. Cung cấp một tầm nhìn sâu về các giải pháp cơng nghệ sẵn có và phương pháp lựa chọn công nghệ phù hợp nhất với nhu cầu, điều kiện cơ sở vật chất và vị trí địa lý cụ thể.
6.1 Đề xuất hướng phát triển
- Đối với mơ hình của đề chỉ áp dụng trong phạm vi nghiên cứu, khảo sát với tấm pin cơng suất nhỏ, hệ thống cơ khí và truyền động đơn giản cũng như phần lập trình vi xử lí với các thuật tốn cơ bản. Để có thể phát triển với hệ thống lớn hơn, cũng như cải thiện hiệu suất làm việc, cần tập trung vào các vấn đề sau: - Nghiên cứu kĩ hơn về trục đỡ, cơ cấu truyền động để hoạt động tốt hơn và có
thể triển khai trên quy mơ lớn.
- Đối với hệ thống gồm nhiều pin mặt trời như dàn pin cho gia đình, mái xưởng hay nhà máy điện mặt trời chẳng hạn thì vấn đề động cơ xoay và dàn đỡ là bài tốn khó. Do đó cần phải xét đến nhiều khía cạnh như lượng điện năng hao tổn cho động cơ, diện tích áp dụng...
- Lập trình hai chế độ theo thời gian thực, hướng đề xuất như sau: dùng một module thời gian thực, có thể lập trình ở chế độ ban ngày thì hệ thống tự động điều hướng hoạt động, chế độ ban đêm thì tắt nguồn cấp cho động cơ. Như vậy sẽ giảm tối đa lượng điện năng cấp cho động cơ chờ hoạt động
103
- Thiết kế khung đỡ, cơ cấu truyền động bằng những vật liệu có khả năng thích ứng tốt với các điều kiện thời tiết, giảm tối đa khối lượng và chống chịu được những tác động cơ học.
- Thiết kế một bộ cảm biến khác ngoài cảm biến hướng sáng như cảm biến được với điều kiện thời tiết (vd: phát hiện được trời mưa), từ đó tắt hệ thống tự động điều hướng. Điều này giúp giảm được lượng điện năng vận hành các động cơ xoay trục trong khoảng thời gian bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu, hoặc là dàn pin sẽ được tắt hẳn không hoạt động tránh những sự cố đáng tiếc xảy ra.
- Ứng dụng vào hệ thống năng lượng Mặt trời lớn, từ đó có thể kết nối với lưới điện hoặc trở thành một nguồn điện dự phịng. Thiết kế mạch sao cho cơng suất cao hơn để ứng dụng cho những hệ thống có cơng suất lớn hơn
- Nghiên cứu ứng dụng sâu rộng trong nền Nơng – Lâm nghiệp
- Thi cơng mơ hình lọc nước biển thành nước ngọt để cấp cho khu vực cùng sâu, vùng xa, hải đảo, tàu cá, nhà giàn những nơi rất cần nước ngọt để sinh hoạt và trồng trọt.
Hình 6. 1: Cảm mạch arudno thêm cảm biến nhiệt độ
6.2 Nhận xét
Mơ hình điều hướng tự động này khơng hoạt động khi cường độ nguồn sáng yếu tác động đến bộ cảm biến hướng sáng hoặc thời gian tác động của nguồn sáng quá nhanh. Từ đó có thể tránh sự lãng phí điện năng vận hành động cơ của hệ thống trong trường hợp bị những nguồn ánh sáng không mong muốn tác động (ánh sáng
104
từ các ngôi sao, Mặt trăng, đèn đường, sấm chớp...). Đồng thời có thể tận dụng tối đa điện năng tấm pin sản xuất ra thông qua mạch nạp nạp vào các acquy dự trữ.
6.3 Kết luận
- Đề tài đã giải quyết được các vấn đề lúc đầu đã đặt ra là chế tạo hồn chỉnh mơ hình xoay hai trục điều hướng pin năng lượng mặt trời. Dưới đây là các kết quả chính mà đề tài đã đạt được:
- Hệ thống được các cơ sở để xác định ngun tắc xoay để mơ hình hoạt động sao cho tấm pin ln hướng về phía Mặt Trời để hứng được lượng bức xạ lớn nhất. - Xây dựng được các cơng thức tính tốn cho bộ cảm biến hướng ánh sáng,
chương trình thuật tốn cho mơ hình.
- Đã thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình điều hướng pin năng lượng mặt trời có cơng suất 150W theo hai trục nằm ngang và thẳng đứng, mơ hình hoạt động ổn định.
- Thực nghiệm cho kết quả tốt và phân tích được ưu, nhược điểm của mơ hình để từ đó nhận thấy được các vấn đề cần lưu ý giúp cho các nghiên cứu sau này sẽ có kết quả tốt hơn nữa.
- Thiết kế thành cơng mơ hình bơm nước tưới cho nơng nghiệp bằng năng lượng Mặt Trời có MPPT.
- Trình bài được các nội dung như mục tiêu đề ra, đã làm nổi bật được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo và năng lương Mặt Trời.
- Có sự đầu tư về mặt mỹ thuật: bố cục tồn văn của tài liệu được trình bài khá gọn gàng, hình ảnh và các dữ liệu cần thiết liên quan khá phong phú, chú thích bằng tiếng việt. Cách trình bài phù hợp với tiêu chuẩn yêu cầu của một Luận văn.
- Mặc dù đã có nhiều cố gắng với kiến thức còn hạn chế và sự giúp đỡ của quý - Thầy Cô cùng các bạn sinh viên, song do điều kiện thời gian không cho phép
nên
105
Để thu được tối đa năng lượng bức xạ mặt trời cần sử dụng hệ thống solar tracking.
Nghiên cứu này đã thiết kế hệ thống solar tracking sử dụng quang trở, vi điều khiển Arduino, động cơ servo. Kết quả cho thấy hệ thống solar tracking đơn tối ưu hơn so với các hệ thống cố định, với hiệu suất vượt trội là 9.622%. Hệ thống solar tracking theo thiết kế này chi phí thấp, hiệu quả và dễ chế tạo. Hướng nghiên cứu tiếp theo là cải tiến phần cứng với hiển thị số liệu thời gian, điện áp, dịng điện, cơng suất qua màn hình LCD và xuất dữ liệu qua mạng wifi.
106
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://globalsolaratlas.info
[2] Báo cáo về "Năng lượng tái tạo tại Việt Nam năm 2018" của StoxPlus. [3] Gilbert M. Master ,“Renewable and efficent electric power systems”, 2002 [4] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE with support of PSE Conferences & Consulting GmbH Freiburg, PHOTOVOLTAICS REPORT ,14
March 2019.
[5] Bài báo National Electrical Code (NEC) Section 690.8
[6] Guide to design and installation of electricity according to IEC standards 2013. [7] Trần Cơng Binh, giáo trình mơn “Năng lượng tái tạo”.
[8] Nguyễn Hồng Kim Liên, giáo trình mơn “An tồn điện”
[9] Hồ Phạm Huy Ánh, Kỹ thuật hệ thống năng lượng tái tạo, NXB Đại học Quốc Gia TP.HCM,2013.
[10] https://www.evn.com.vn/userfile/User/phantrang/files/2017/4/QD11_2017- TTg_Cochedienmattroi_signed.pdf - Quyết định khuyến khích lắp điện mặt trời trên mái nhà của chính phủ.
[11] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/nhan-dinh-phan-bien-kien-nghi/phan- bien-kien nghi/dia-to-cua-buc-xa-va-chinh-sach-gia-dien-mat-troi-o-viet-nam.html [12] https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/ studies/Photovoltaics-Report.pdf
[13] Báo cáo viện năng lượng tái tạo Việt Nam 2018 [14] Quy hoạch điện VII và điều chỉnh
[15] Bản vẽ thi công nhà xưởng Long An , công ty TNHH Anh Minh Global [16] Cẩm nang thiết kế, phòng thiết kế, công ty TNHH Anh Minh Global
[17] https://www.lsp-international.com/lightning-and-surge-protection-for-rooftop photovoltaic-systems/
[18] LIGHTNING PROTECTION GUIDE 3rd updated Edition [19] https://files.sma.de/downloads/STP50-US-40-IA-en_es-11.pdf
107
[20] Rezvani, A., Gandomkar, M., Izadbakhsh, M., & Ahmadi, A. (2015). Environmental/ economic scheduling of a micro-grid with renewable energy resources. Journal of Cleaner Production, 87, 216-226.
[21] T. C. Mallick, M. Saifuddin, B. Barua and K. M. Rahman (2014). “A design & implementation of a single axis solar tracker with diffuse reflector”. IEEE 9th International Forum on Strategic Technology (IFOST). Cox’s Bazar, Bangladesh, October 21-23.
[22] Polo, J., Bernardos, A., Navarro, A. A., Fernandez-Peruchena, C. M., Ramírez, L., Guisado, M. V., & Martínez, S. (2015). Solar resources and power potential mapping in Vietnam using satellite-derived and GIS-based information. Energy Conversion and Management, 98, 348-358.
[23] Lokhande, Mayank Kumar (2014). "Automatic solar tracking system". International Journal of Core Engineering and Management 1.7 (2014): 122-133. [24] Guiha Li, Runsheng Tanf, Hao Zhong (2011). “Optical Performance of Horizontal Single-Axis Tracked Solar Panels”. Solar Energy Research Institute Yunnan Normal University, China.
[25] Rizk J. and Chaiko Y (2008). “Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels”. World Academy of Science, Engineering and Technology.
[26] Imam Abadi, Adi Soeprijanto, Ali Musyafa (2015). “Design of Single Axis Tracking System at Photovoltaic Panel Using Fuzzy Logic Controller”. Department of Engineering Physics and Electrical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya.
[27] Ashwin R, JoshuaraI Immanuel K, Lalith Sharavn C, Ravi Prasad P.S, Varun A.K (2014). “Design and Fabrication of Single Axis Solar Tracking System”. Journal of Mechanical and Production Engineering.
[28] Anusha, K., and S. Chandra Mohan Reddy (2013). "Design and development of real time clock based efficient solar tracking system". International Journal of Engineering Research and Applications 3.1 (2013): 1219-1223.
108
[29] Hussian S. Akbar, Muayyad N. Fathallah, Ozlim O. Raoof (2017). “Efficient Single Axis Tracker Design for Photovoltaic System Applications”. Physics Department, College of Science, Kirkuk University and Electronic Department, Kirkuk Technical College.
[30] Fathabadi, H. (2016). Novel high accurate sensorless dual-axis solar tracking system controlled by maximum power point tracking unit of photovoltaic systems.