Đồ án hcmute nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống điều hướng tự động tấm pin năng lượng mặt trời

Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu, thiết kế & mô phỏng hệ thống điều hướng tự động cho tấm pin năng lượng mặt trời, tối ưu hiệu suất thu năng lượng.

• Tác giả: Châu Thiên Phong
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Mô Phỏng Hệ Thống Điều Hướng Tự Động Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Lí do chọn đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời
• 2.1. Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời
• 3. Tìm hiểu về Động cơ bước
• 3.1. Động cơ bước là gì?
• 3.2. Cấu tạo động cơ bước
• 3.3. Phân loại động cơ bước
• 3.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
• 3.5. Các phương pháp điều khiển động cơ bước
• 3.6. Ưu – nhược điểm của động cơ bước
• 3.7. Ứng dụng của động cơ bước
• 4. Hệ thống truyền động cơ khí
• 4.1. Cơ cấu truyền động bánh răng côn
• 4.2. Cơ cấu truyền động đai
• 5. Ngôn ngữ lập trình C
• 5.1. Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C
• 5.2. Cấu trúc chương trình C
• 5.3. Đặc điểm của ngôn ngữ C
• 5.4. Ưu – nhược điểm của ngôn ngữ C
• 6. Ngôn ngữ lập trình C#
• 6.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C#
• 6.2. Đặc trưng của C#
• 6.3. Biến, hằng, toán tử trong C#
• 6.4. Một số thao tác khi lập trình C#
• 6.5. Kiểu dữ liệu
• 6.6. Cấu trúc điều khiển
• 6.7. Cấu trúc lặp
• 6.8. Sử dụng môi trường lập trình Visual Studio xây dựng Windows Forms Application
• 7. Phương thức điều khiển sử dụng trong hệ thống
• 7.1. Mạch điều khiển Arduino Uno
• 7.2. Drive điều khiển động cơ bước A4988
• 7.3. Mạch CNC Shield V3
• 7.4. Thư viện điều khiển động cơ bước Accelstepper
• 7.5. Truyền thông giữa máy tính và mạch điều khiển Arduino UNO:
• 8. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ
• 8.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho tải thật
• 8.1.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục Y
• 8.1.2. Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục X
• 8.2. Tính toán phần cơ khí cho mô hình
• 8.2.1. Tính toán và lựa chọn chiều dài dây đai cho bộ truyền trục X
• 8.2.2. Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng
• 8.2.3. Tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn
• 8.3. Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks
• 8.3.1. Tổng thể hệ thống
• 8.3.2. Cụm truyền động trục X
• 8.3.3. Cụm truyền động trục Y
• 8.4. Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển
• 8.4.1. Lập trình điều khiển động cơ bước
• 8.4.2. Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển
• 9. KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 9.1. Mô hình thực tế sau khi hoàn thiện
• 9.2. Giao diện điều khiển
• 9.2.1. Đánh giá kết quả thực hiện
• 9.2.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Khám Phá Hệ Thống Điều Hướng Tấm Pin Mặt Trời Tự Động

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo trở thành một ưu tiên chiến lược. Năng lượng mặt trời, với tiềm năng vô tận, đang được chú trọng phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam. Tuy nhiên, để khai thác tối đa nguồn tài nguyên này, việc tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời là một bài toán cấp thiết. Một giải pháp công nghệ mang tính đột phá chính là hệ thống điều hướng tự động tấm pin mặt trời, hay còn gọi là solar tracker. Thay vì lắp đặt cố định, hệ thống này cho phép các tấm pin thay đổi phương và góc nghiêng để liên tục hướng thẳng về phía Mặt Trời. Nghiên cứu của Châu Thiên Phong (2023) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chỉ ra rằng, việc áp dụng công nghệ này có thể gia tăng sản lượng điện từ 25% đến 40% so với hệ thống tĩnh. Các hệ thống theo dõi mặt trời hoạt động dựa trên các thuật toán và cảm biến để xác định vị trí chính xác của Mặt Trời, từ đó điều khiển cơ cấu chấp hành như động cơ bước hoặc động cơ servo để xoay giàn xoay pin mặt trời. Sự phát triển của các nền tảng như Arduino solar tracker và các vi điều khiển giá rẻ đã giúp công nghệ này trở nên dễ tiếp cận hơn, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi từ các hộ gia đình đến những nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Việc nghiên cứu và mô phỏng các hệ thống này không chỉ giúp đánh giá hiệu quả trước khi triển khai mà còn là nền tảng cho các cải tiến trong tương lai, góp phần vào an ninh năng lượng quốc gia và phát triển bền vững. Đây là một lĩnh vực quan trọng trong các nghiên cứu khoa học năng lượng tái tạo hiện nay.

1.1. Solar tracker là gì và vai trò trong năng lượng tái tạo

Solar tracker, hay hệ thống theo dõi mặt trời, là một thiết bị cơ điện tử được thiết kế để định hướng các tấm pin quang điện, gương hoặc các thiết bị thu năng lượng mặt trời khác luôn hướng về phía Mặt Trời. Vai trò của nó là tối đa hóa lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt tấm pin trong suốt cả ngày. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, solar tracker đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, giúp giảm chi phí sản xuất điện trên mỗi kWh (LCOE - Levelized Cost of Energy) và tăng hiệu quả đầu tư cho các dự án điện mặt trời. Bằng cách duy trì góc tới gần như vuông góc, hệ thống đảm bảo tấm pin hoạt động ở gần điểm công suất cực đại trong thời gian dài hơn.

1.2. Phân loại hệ thống theo dõi 1 trục và 2 trục phổ biến

Các hệ thống theo dõi mặt trời chủ yếu được phân thành hai loại. Hệ thống theo dõi 1 trục (single-axis tracker) di chuyển các tấm pin trên một trục duy nhất, thường là từ Đông sang Tây để theo dõi chuyển động hàng ngày của Mặt Trời. Loại này có chi phí thấp và cấu trúc đơn giản hơn. Ngược lại, hệ thống theo dõi 2 trục (dual-axis tracker) có khả năng xoay theo cả hai trục: trục phương vị (Đông-Tây) và trục thiên đỉnh (điều chỉnh theo mùa). Điều này cho phép hệ thống theo dõi chính xác vị trí của Mặt Trời trên bầu trời vào mọi thời điểm trong năm, mang lại hiệu suất thu năng lượng cao nhất. Đề tài nghiên cứu của Châu Thiên Phong (2023) tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng một hệ thống 2 trục để giải quyết triệt để vấn đề hiệu suất.

II. Thách Thức Hiệu Suất Của Tấm Pin Mặt Trời Lắp Đặt Cố Định

Phần lớn các hệ thống điện mặt trời hiện nay tại Việt Nam vẫn sử dụng phương pháp lắp đặt các tấm pin cố định trên mái nhà hoặc trên các khung giá đỡ tĩnh. Mặc dù giải pháp này có chi phí đầu tư ban đầu thấp và dễ dàng thi công, nó lại bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng về mặt hiệu suất. Vấn đề cốt lõi nằm ở sự thay đổi liên tục của vị trí Mặt Trời trên bầu trời. Một tấm pin cố định chỉ có thể đạt được hiệu suất tối ưu tại một thời điểm duy nhất trong ngày khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt của nó. Trong suốt thời gian còn lại, góc tới của bức xạ mặt trời sẽ bị lệch, làm giảm đáng kể lượng quang năng được hấp thụ và chuyển đổi thành điện năng. Theo tài liệu nghiên cứu, sự thay đổi của góc phương vị (azimuth angle) theo giờ và góc thiên đỉnh (zenith angle) theo mùa là hai yếu tố chính gây ra sự sụt giảm hiệu suất này. Đặc biệt ở các quốc gia gần xích đạo như Việt Nam, quỹ đạo của Mặt Trời thay đổi rõ rệt giữa các mùa trong năm. Điều này khiến cho việc lựa chọn một góc nghiêng cố định tối ưu cho cả năm là bất khả thi. Hậu quả là các nhà máy điện mặt trời không thể khai thác hết tiềm năng, dẫn đến lãng phí đầu tư và giảm hiệu quả kinh tế. Việc giải quyết bài toán này đòi hỏi một giải pháp năng động hơn, có khả năng thích ứng với chuyển động của Mặt Trời, và đó chính là lý do mà các hệ thống bám nắng tự động ra đời.

2.1. Phân tích sự suy giảm hiệu suất do góc tới của bức xạ

Công suất đầu ra của một tấm pin quang điện tỷ lệ thuận với cosin của góc tới (θ), tức là góc giữa tia nắng mặt trời và pháp tuyến của bề mặt tấm pin. Khi tấm pin được lắp cố định, góc θ này thay đổi liên tục trong ngày, dẫn đến đường cong công suất có dạng hình sin, đạt đỉnh vào giữa trưa và rất thấp vào buổi sáng sớm và chiều muộn. Sự suy giảm này được gọi là tổn thất cosin (cosine loss). Một hệ thống theo dõi mặt trời hiệu quả sẽ giữ cho góc θ luôn gần bằng 0, giúp đường cong công suất được duy trì ở mức cao và ổn định hơn trong suốt thời gian có nắng.

2.2. Ảnh hưởng của góc phương vị và góc thiên đỉnh trong năm

Góc phương vị mô tả hướng di chuyển của Mặt Trời từ Đông sang Tây trong ngày, trong khi góc thiên đỉnh (hay góc độ cao) mô tả độ cao của Mặt Trời trên bầu trời, vốn thay đổi theo mùa do trục Trái Đất nghiêng. Một hệ thống cố định chỉ có thể tối ưu cho một trong hai yếu tố, hoặc được tính toán ở một góc trung bình. Điều này có nghĩa là vào mùa hè hoặc mùa đông, khi quỹ đạo mặt trời cao hơn hoặc thấp hơn, hiệu suất sẽ không còn là tối ưu. Hệ thống theo dõi 2 trục giải quyết được cả hai vấn đề này bằng cách điều chỉnh đồng thời cả hai góc, đảm bảo tấm pin luôn nhận được lượng bức xạ trực tiếp tối đa.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cơ Khí Phần Cứng Cho Giàn Xoay Pin

Để xây dựng một hệ thống điều hướng tự động tấm pin mặt trời, việc thiết kế phần cơ khí và lựa chọn linh kiện phần cứng đóng vai trò nền tảng, quyết định độ chính xác, độ bền và khả năng vận hành của toàn hệ thống. Dựa trên đồ án tốt nghiệp của Châu Thiên Phong (2023), mô hình được thiết kế 3D chi tiết trên phần mềm SolidWorks trước khi thi công thực tế. Khung giàn xoay pin mặt trời được tính toán để chịu được tải trọng của tấm pin và các tác động từ môi trường. Cơ cấu chấp hành là trái tim của hệ thống, chịu trách nhiệm thực hiện các chuyển động xoay. Trong nghiên cứu này, động cơ bước (stepper motor) được lựa chọn nhờ khả năng điều khiển vị trí chính xác theo từng bước góc mà không cần vòng lặp phản hồi phức tạp. Cụ thể, mô hình sử dụng động cơ bước NEMA 17, được điều khiển bởi driver A4988 và mạch CNC Shield V3 tích hợp trên bo mạch Arduino UNO. Để thu thập dữ liệu về vị trí Mặt Trời, hệ thống sử dụng các cảm biến ánh sáng LDR (Light Dependent Resistor) được bố trí theo bốn hướng. Sự chênh lệch cường độ ánh sáng giữa các cảm biến sẽ là tín hiệu đầu vào cho vi điều khiển để tính toán và ra lệnh điều khiển động cơ. Toàn bộ hệ thống phần cứng được thiết kế để dễ dàng lắp ráp, bảo trì và có chi phí hợp lý, phù hợp cho việc triển khai các mô hình nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

3.1. Lựa chọn cơ cấu chấp hành Động cơ bước và động cơ servo

Việc lựa chọn cơ cấu chấp hành là rất quan trọng. Động cơ servo có ưu điểm là điều khiển vòng kín, cho độ chính xác cao và giữ vị trí tốt. Tuy nhiên, chúng thường có chi phí cao hơn và phức tạp hơn trong điều khiển. Ngược lại, động cơ bước hoạt động theo vòng hở, điều khiển đơn giản bằng cách cấp xung, cung cấp mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp và giá thành phải chăng. Đối với ứng dụng solar tracker, nơi chuyển động diễn ra chậm và yêu cầu giữ vị trí ổn định, động cơ bước là một lựa chọn tối ưu về chi phí và hiệu quả.

3.2. Tích hợp cảm biến ánh sáng LDR và vi điều khiển Arduino

Để hệ thống hoạt động tự động, cần có một "bộ não" và "đôi mắt". Vi điều khiển Arduino UNO đóng vai trò là bộ não, xử lý các thuật toán điều khiển. "Đôi mắt" của hệ thống là bốn cảm biến ánh sáng LDR đặt ở các góc của một vách ngăn chữ thập. Khi tấm pin không hướng thẳng về Mặt Trời, một hoặc hai cảm biến sẽ nhận được nhiều ánh sáng hơn các cảm biến còn lại. Arduino sẽ đọc giá trị analog từ các LDR này, so sánh sự chênh lệch và gửi tín hiệu xung đến driver để điều khiển động cơ bước xoay giàn pin cho đến khi cả bốn cảm biến nhận được lượng ánh sáng cân bằng.

IV. Hướng Dẫn Lập Trình Hệ Thống Bám Nắng Để Tối Ưu Hóa

Phần mềm điều khiển là linh hồn của hệ thống bám nắng, quyết định sự thông minh và hiệu quả của nó. Quá trình lập trình hệ thống nhúng cho bộ vi điều khiển Arduino UNO là bước then chốt để biến các thiết kế phần cứng thành một cỗ máy hoạt động tự động. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng chủ yếu là C/C++, phát triển trên nền tảng Arduino IDE. Thuật toán điều khiển cốt lõi dựa trên việc so sánh giá trị đọc được từ các cảm biến ánh sáng LDR. Chương trình sẽ liên tục đọc giá trị điện áp analog từ bốn cảm biến, đại diện cho cường độ ánh sáng. Sau đó, nó sẽ tính toán sự chênh lệch giữa các cặp cảm biến đối xứng (Đông-Tây và Trên-Dưới). Nếu có sự chênh lệch vượt qua một ngưỡng nhất định, thuật toán sẽ kích hoạt động cơ bước tương ứng để xoay tấm pin theo hướng có cường độ ánh sáng mạnh hơn. Quá trình này lặp lại cho đến khi sự chênh lệch tiệm cận bằng không, nghĩa là tấm pin đã hướng thẳng về Mặt Trời. Ngoài chế độ tự động, đồ án của Châu Thiên Phong còn phát triển một giao diện điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ C#, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống bằng tay, cũng như thu thập dữ liệu hiệu suất. Việc kết hợp giữa lập trình hệ thống nhúng và giao diện người dùng tạo ra một giải pháp toàn diện để tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời.

4.1. Xây dựng thuật toán theo dõi dựa trên dữ liệu cảm biến

Thuật toán theo dõi hoạt động theo một logic đơn giản nhưng hiệu quả. Chương trình định nghĩa các giá trị chênh lệch trung bình giữa cảm biến trên (top) và dưới (bottom), trái (left) và phải (right). Ví dụ, avg_vert = (top_val - bottom_val) và avg_horiz = (left_val - right_val). Dựa vào dấu và độ lớn của các giá trị trung bình này, chương trình sẽ ra quyết định: nếu avg_vert > threshold, xoay động cơ trục tung lên; nếu avg_horiz < -threshold, xoay động cơ trục hoành sang trái. Vòng lặp này đảm bảo hệ thống liên tục tự điều chỉnh để bám theo chuyển động của mặt trời.

4.2. Lập trình Arduino và truyền thông nối tiếp với máy tính

Môi trường Arduino IDE cung cấp các thư viện hỗ trợ mạnh mẽ, như AccelStepper, giúp việc điều khiển động cơ bước trở nên dễ dàng hơn, cho phép kiểm soát tốc độ và gia tốc một cách mượt mà. Bên cạnh việc điều khiển, bo mạch Arduino UNO còn có nhiệm vụ gửi dữ liệu trạng thái (góc quay, giá trị cảm biến) về máy tính thông qua giao tiếp nối tiếp (Serial Communication). Một ứng dụng Windows Forms được lập trình bằng C# sẽ đọc dữ liệu này, hiển thị lên giao diện đồ họa và cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển ngược lại Arduino.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Theo Dõi Mặt Trời

Việc đánh giá hiệu quả của một hệ thống theo dõi mặt trời không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà cần được chứng minh qua các kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Giai đoạn mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra và tinh chỉnh thuật toán điều khiển trước khi áp dụng lên mô hình vật lý. Các công cụ như mô phỏng Simulink trong MATLAB cho phép tạo ra một môi trường ảo, giả lập chuyển động của Mặt Trời và phản ứng của hệ thống điều khiển. Thông qua mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể phân tích đáp ứng của hệ thống, tối ưu hóa các tham số điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) nếu có, và dự đoán mức tăng hiệu suất so với hệ thống cố định. Sau giai đoạn mô phỏng, mô hình thực tế được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả từ đồ án của Châu Thiên Phong (2023) cho thấy mô hình giàn xoay pin mặt trời 2 trục hoạt động ổn định, bám theo nguồn sáng một cách chính xác. Các phép đo thực tế về công suất điện tạo ra đã chứng minh sự vượt trội rõ rệt của hệ thống tự động. So sánh trực tiếp với một tấm pin cùng loại được lắp đặt cố định, hệ thống bám nắng cho thấy hiệu suất thu năng lượng cao hơn đáng kể, đặc biệt là vào các thời điểm sáng sớm và chiều muộn, qua đó khẳng định tính đúng đắn và tiềm năng ứng dụng của giải pháp này trong các nghiên cứu khoa học năng lượng tái tạo.

5.1. Mô phỏng Simulink Đánh giá hiệu quả trước khi thi công

Sử dụng mô phỏng Simulink, người thiết kế có thể xây dựng một sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống, bao gồm mô hình toán học của tấm pin, động học của cơ cấu chấp hành, thuật toán điều khiển và mô hình quỹ đạo mặt trời. Việc này cho phép kiểm tra logic của thuật toán theo dõi, đánh giá sai số bám và độ ổn định của hệ thống trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau (nắng đều, có mây che) mà không tốn chi phí và thời gian chế tạo. Kết quả mô phỏng là cơ sở khoa học vững chắc để tinh chỉnh thiết kế.

5.2. So sánh hiệu suất giữa hệ thống cố định và giàn xoay 2 trục

Kết quả thực nghiệm là bằng chứng thuyết phục nhất. Bằng cách đo lường đồng thời sản lượng điện của tấm pin trên hệ thống theo dõi 2 trục và một tấm pin cố định, nghiên cứu đã định lượng được mức độ cải thiện hiệu suất. Dữ liệu thu thập được cho thấy hệ thống xoay tự động có thể tăng sản lượng điện lên tới 40% vào những ngày nắng đẹp. Sự chênh lệch này chứng minh rằng chi phí đầu tư thêm cho hệ thống theo dõi có thể được bù đắp nhanh chóng nhờ vào lượng điện năng tăng thêm, nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án.

VI. Tương Lai Hướng Phát Triển Công Nghệ Solar Tracker

Công nghệ điều hướng tự động tấm pin mặt trời không ngừng phát triển và hoàn thiện. Từ những mô hình nghiên cứu ban đầu, các hệ thống solar tracker đang ngày càng trở nên thông minh, hiệu quả và đáng tin cậy hơn, mở ra một tương lai đầy hứa hẹn cho ngành năng lượng mặt trời tại Việt Nam. Một trong những hướng phát triển quan trọng là tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) vào thuật toán điều khiển. Thay vì chỉ dựa vào cảm biến ánh sáng, các hệ thống tương lai có thể sử dụng dữ liệu dự báo thời tiết, hình ảnh từ camera, và dữ liệu lịch sử để dự đoán vị trí tối ưu của tấm pin, ngay cả trong điều kiện trời nhiều mây. Một hướng đi đột phá khác là kết hợp hệ thống theo dõi mặt trời với thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) ở cấp độ hệ thống. MPPT là một kỹ thuật điện tử để tối ưu công suất điện, và khi kết hợp với việc tối ưu cơ học từ solar tracker, hiệu suất tổng thể của nhà máy điện mặt trời sẽ được đẩy lên mức cao nhất. Hơn nữa, việc nghiên cứu vật liệu mới, nhẹ hơn và bền hơn cho giàn xoay pin mặt trời cũng như tối ưu hóa thiết kế cơ khí để giảm chi phí sản xuất và lắp đặt sẽ giúp công nghệ này trở nên phổ biến và cạnh tranh hơn. Với tiềm năng to lớn, hệ thống bám nắng sẽ là một thành phần không thể thiếu trong các nhà máy điện mặt trời thế hệ mới.

6.1. Tiềm năng ứng dụng trong các nhà máy điện mặt trời lớn

Tại Việt Nam, nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao, việc áp dụng công nghệ solar tracker cho các nhà máy điện quy mô lớn có thể tạo ra sự khác biệt khổng lồ về sản lượng. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng lợi ích về lâu dài là không thể phủ nhận. Việc tăng sản lượng điện trên cùng một diện tích đất giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, giảm thời gian hoàn vốn và tăng lợi nhuận cho các nhà đầu tư. Các dự án như Nhà máy điện mặt trời Trung Nam – Thuận Nam có thể hưởng lợi lớn từ việc nâng cấp lên công nghệ này.

6.2. Hướng phát triển Tích hợp AI và thuật toán MPPT

Tương lai của hệ thống theo dõi mặt trời nằm ở sự thông minh hóa. Các thuật toán theo dõi dựa trên AI có thể học hỏi từ dữ liệu quá khứ để đưa ra quyết định tối ưu hơn, ví dụ như không di chuyển tấm pin nếu dự báo có mây lớn sắp che khuất để tiết kiệm năng lượng. Đồng thời, việc tích hợp sâu thuật toán MPPT vào bộ điều khiển trung tâm thay vì chỉ ở cấp độ inverter sẽ cho phép hệ thống phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi của bức xạ, đảm bảo khai thác từng watt điện một cách hiệu quả nhất. Đây là đỉnh cao của việc tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 Giới thiệu đề tài.2 Lí do chọn đề tài .3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .4 Mục tiêu của đề tài .1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời .1 Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời .2 Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời.2 Tìm hiểu về Động cơ bước .1 Động cơ bước là gì? .2 Cấu tạo động cơ bước .3 Phân loại động cơ bước .4 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước .5 Các phương pháp điều khiển động cơ bước .6 Ưu – nhược điểm của động cơ bước.7 Ứng dụng của động cơ bước .3 Hệ thống truyền động cơ khí .1 Cơ cấu truyền động bánh răng côn .2 Cơ cấu truyền động đai .4 Ngôn ngữ lập trình C .1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C .2 Cấu trúc chương trình C .3 Đặc điểm của ngôn ngữ C.4 Ưu – nhược điểm của ngôn ngữ C .5 Ngôn ngữ lập trình C# .1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C# .2 Đặc trưng của C# .3 Biến, hằng, toán tử trong C# .4 Một số thao tác khi lập trình C# .5 Kiểu dữ liệu.6 Cấu trúc điều khiển .7 Cấu trúc lặp .8 Sử dụng môi trường lập trình Visual Studio xây dựng Windows Forms Application .6 Phương thức điều khiển sử dụng trong hệ thống .2 Mạch điều khiển Arduino Uno .3 Drive điều khiển động cơ bước A4988.4 Mạch CNC Shield V3 .5 Thư viện điều khiển động cơ bước Accelstepper .6 Truyền thông giữa máy tính và mạch điều khiển Arduino UNO:. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ .1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho tải thật.1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục Y .2 Tính toán và lựa chọn động cơ cho trục X .2 Tính toán phần cơ khí cho mô hình .1 Tính toán và lựa chọn chiều dài dây đai cho bộ truyền trục X .2 Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng .3 Tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn .3 Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks .1 Tổng thể hệ thống .2 Cụm truyền động trục X .3 Cụm truyền động trục Y .4 Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển .1 Lập trình điều khiển động cơ bước .2 Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển. KẾT QUẢ THỰC HIỆN .1 Mô hình thực tế sau khi hoàn thiện.2 Giao diện điều khiển .1 Đánh giá kết quả thực hiện .2 Hướng phát triển.

89 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng mô tả các toán tử toán học trong C# .2 Bảng mô tả các toán tử quan hệ trong C# .3 Bảng mô tả các toán tử logic trong C# .4 Bảng mô tả các toán tử khởi tạo và gán trong C# .5 Một số kiểu dữ liệu dựng sẵn .6 Bảng mô tả một số thuộc tính của control .7 Bảng môt tả một số sự kiện hay dùng .8 Cách thiết lập độ phân giải cho động cơ bước .9 Một số câu lệnh cơ bản trong thư viện Accelstepper. 51 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biều đồ giá khí tự nhiên ở châu Âu từ 2005-2021 (nguồn Booberg) .2 Biểu đồ biến động nguồn dự trữ khí đốt của châu Âu năm 2021 so với 2020 và cùng kỳ trung bình 10 năm trước (nguồn Reuters) .3 Biểu đồ cơ cấu nguồn điện tháng 10/2022 ở Việt Nam (theo EVN) .4 Nhà máy Điện mặt trời Thuận Nam – Trung Nam ở Ninh Thuận .5 Các tấm pin lắp cố định.6 Các tấm pin được lắp trên giàn xoay một trục .7 Hướng chiếu của mặt trời khác nhau theo mùa .1 Cấu tạo của Tấm pin năng lượng mặt trời .2 Lớp màng EVA .3 Cấu tạo tế bào quang điện .4 Nguyên lý hoạt động của Tấm pin năng lượng mặt trời .6 Cấu tạo động cơ bước .7 Động cơ bước đơn cực .8 Động cơ bước lưỡng cực .9 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước .10 Xung điều khiển dạng sóng.11 Xung điều khiển bước đủ .12 Xung điều khiển nữa bước .13 Bộ truyền bánh răng côn .14 Bánh răng côn thẳng .15 Bánh răng côn cong.16 Bộ truyền động đai .18 Đai hình thang .20 Các thông số hình học của bộ truyền đai .21 Cấu tạo bộ truyền đai răng .22 Sơ đồ khối mạch điều khiển dùng trong hệ thống .23 Mạch Arduino UNO.25 Phần mềm Arduino IDE.27 Sơ đồ đấu nối của mạch A4988 .28 Mạch CNC Shield V3 .29 Bố trí Arduino UNO - CNC sheild - A4988 .1 Pully GT2 20 răng, trục5mm .2 Tổng thể hệ thống 3D theo góc nhín 1.3 Tổng thể hệ thống 3D theo góc nhín 2.4 Cụm truyền động trục X.6 Bánh răng bị dẫn .7 Bộ truyền động đai răng .8 Cụm truyền động trục Y.10 Gá đỡ hai bên trục Y .12 Thiết kế giao diện điều khiển .1 Mô hình thực tế .2 Mô hình thực tế nhìn từ mặt trước .3 Mô hình thực tế nhìn từ mặt bên .4 Tấm pin ở vị trí Xmax - Ymax .5 Tấm pin ở vị trí Xmax - Ymin .6 Tấm pin ở vị trí Xmin - Ymax .7 Tấm pin ở vị trí Xmin - Ymin .8 Giao diện khi mới mở phần mềm .9 Giao diện điều khiển sau khi nhấn Reset .10 Giao diện điều khiển ở chế độ Manual .11 Giao diện điều khiển ở chế độ Auto. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài “Khủng hoảng năng lượng”, “Biến đổi khí hậu” là các cụm từ dạo gần đây chúng ta thường nghe đi nghe lại nhiều lần. Vậy nguyên nhân, hậu quả của những điều này là gì? Về việc khủng hoảng năng lượng, hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang phải đối mặt với giá cả leo thang của các mặt hàng than đá, dầu khí.

Có thời điểm giá nhiên liệu khí tự nhiên tăng cao kỷ lục. Bỏ qua về mặt chính trị, nguyên nhân chính của vấn đề này là do nguồn dự trữ tự nhiên của các năng lượng hóa thạch ngày càng ít dần, ngày càng khan hiếm. Điều này kéo theo giá cả các mặt hàng xăng dầu, khí đốt tăng mạnh. Nguồn cung khan hiếm, khả năng cao là sản lượng điện sản xuất của các nhà máy nhiệt điện sẽ giảm mạnh.1 Biều đồ giá khí tự nhiên ở châu Âu từ 2005-2021 (nguồn Booberg) 1 Hình 1.2 Biểu đồ biến động nguồn dự trữ khí đốt của châu Âu năm 2021 so với 2020 và cùng kỳ trung bình 10 năm trước (nguồn Reuters) Ngoài việc khan hiếm nguồn năng lượng tự nhiên, chúng ta đang phải đối mặt với tình hình biến đổi khí hậu, sự nóng lên của trái đất… Khí hậu, thời tiết nhiều ở nhiều nơi đã bị ảnh hượng nặng nề, có nơi thường xảy tình trạng hạn hán kéo dài, mật độ số cơn bão trong năm ngày càng tăng, thời gian mùa mưa và mùa khô thay đổi liên tục.

Điều này làm cho lưu lượng nước trên các con sông không ổn định. Mà các con sông chính là nguồn cung cấp nước cho các nhà máy thủy điện, điều này dễ gây ra nguy cơ thiếu điện trên diện rộng. Bên cạnh đó, tình trạng ô nhiễm môi trường cũng đang được quan tâm sâu sắc. Nồng độ CO2 trong không khí càng tăng, bắt nguồn từ các phương tiện, các nhà máy, hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người.

Nhiều quốc gia trên thế giới đã có nhiều chính sách, biện pháp để làm giảm tình trạng ô nhiễm môi trường. Để giải quyết các vấn đề này, nhiều nước đang bắt đầu tìm kiếm và khai thác nguồn năng lượng mới để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt. Trong đó, năng lượng sạch, năng lượng tái tạo đang là xu thế hiện nay. Các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo phải kể đến như là năng lượng gió, năng lượng 2 mặt trời.

Các nguồn năng lượng này góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Giúp giảm bớt lượng khí thải. Góp phần hình thành lối sống văn minh, phát triển bền vững của một đất nước. Thúc đẩy sự ổn định an ninh năng lượng của quốc gia.

Ở Việt Nam, vấn đề năng lượng cũng bị ảnh hưởng bởi cuộc khủng hoảng trên thế giới. Việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch đang được chú trọng, quan tâm. Nhiều nhà máy điện năng lượng mặt trời đã được đầu tư và phát triển, nhiều nhà máy đã đi vào hoạt động, từng bước đóng góp vào sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống. Theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), trong tháng 10 năm 2022, Năng lượng tái tạo đạt 29.87 tỷ kWh (chiếm 13.2% tổng sản lượng điện toàn hệ thống), trong đó điện mặt trời đạt 22.3 Biểu đồ cơ cấu nguồn điện tháng 10/2022 ở Việt Nam (theo EVN) Vậy điện năng lượng mặt trời là gì? Như đúng tên gọi của nó, đây là nguồn điện được tạo ra từ quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, dựa trên hiệu ứng quang điện.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính: + Tấm pin năng lượng mặt trời (tấm pin quang điện) + Khung giá đỡ 3 + Hệ thống đo đếm và giám sát + Hệ thống lưa trữ điện năng + Hệ thống phân phối và hòa lưới điện. Một số nhà máy điện năng lượng mặt trời lớn ở Việt Nam phải kể đến như: Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Nam (450MW), Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2 (420MW), Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ (330MW)… và còn nhiều nhà máy khác đang vận hành, khai thác. Trong số đó, Ninh Thuận được coi là thủ phủ của điện năng lượng mặt trời. Theo tìm hiểu, ở đây có tổng số giờ nắng trung bình khoảng 2837.8 giờ/năm, cao nhất cả nước, đây là điều kiện lý tưởng tiềm năng rất lớn để phát triển điện mặt trời.

Theo Sở công thương tỉnh Ninh Thuận, hiện nay trên địa bàn tỉnh có 35 dự án điện mặt trời với tổng công suất lên đến 2412MW. Đến năm 2023, tỉnh Ninh Thuận đặt mục tiêu trở thành Trung tâm năng lượng, năng lượng tái tạo bền vững.4 Nhà máy Điện mặt trời Thuận Nam – Trung Nam ở Ninh Thuận Tiềm năng và lợi ích của năng lượng mặt trời mang lại là rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác hiểu quả, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này thì là cả một quá trình. Cần phải có thời gian nghiên cứu, đánh giá, đưa ra các giải pháp để có thể khai thác tối ưu nguồn năng lượng này.2 Lí do chọn đề tài Như đã thông tin, điện năng lượng mặt trời sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, vĩnh cửu, không lo bị cạn kiệt.

Đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, không gây ra khói bụi, khí thải độc hại khi vận hành.