Đồ án thiết kế hệ thống điều hướng pin mặt trời bằng Arduino Uno

Đồ án tốt nghiệp về hệ thống điều hướng pin mặt trời trình bày phương pháp thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển tự động cho pin mặt trời hiệu suất cao

• Tác giả: Nguyễn Tấn Lực
• Người hướng dẫn: Phạm Hùng Kim Khánh
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử, truyền thông
• Đề tài: Hệ thống điều hướng pin mặt trời sử dụng Arduino
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án hệ thống điều hướng pin mặt trời

Đồ án hệ thống điều hướng pin mặt trời nhằm tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời bằng cách điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin theo hướng ánh sáng. Hệ thống sử dụng cảm biến ánh sáng, vi điều khiển Arduino và động cơ bước để theo dõi chuyển động mặt trời tự động. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện lên 20-30% so với hệ thống cố định. Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết về pin mặt trời, phương pháp điều khiển tự động và xây dựng mô hình thực tế. Hệ thống có thể ứng dụng trong các dự án năng lượng tái tạo quy mô nhỏ tại Việt Nam.

1.1. Vai trò của hệ thống điều hướng trong năng lượng mặt trời

Hệ thống điều hướng pin mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời. Theo nghiên cứu, pin mặt trời có hiệu suất cao nhất khi nhận ánh sáng vuông góc với bề mặt. Tại Việt Nam, góc chiếu sáng thay đổi liên tục theo mùa và thời gian trong ngày. Hệ thống điều hướng tự động khắc phục nhược điểm này bằng cách điều chỉnh liên tục góc nghiêng của tấm pin. Điều này giúp duy trì hiệu suất ổn định suốt thời gian hoạt động, đặc biệt hiệu quả trong các khu vực có cường độ bức xạ mặt trời biến đổi mạnh.

1.2. Ứng dụng thực tế của đồ án

Đồ án có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện mặt trời gia đình, trạm sạc xe điện và các dự án nông nghiệp thông minh. Tại Việt Nam, nơi có tiềm năng năng lượng mặt trời cao, hệ thống này giúp tối ưu hóa sản lượng điện. Ngoài ra, đồ án còn phục vụ mục đích giáo dục đào tạo sinh viên ngành điện tử về hệ thống điều khiển tự động. Nhiều trường đại học đã đưa đề tài này vào chương trình thực hành nhằm nâng cao kỹ năng ứng dụng công nghệ.

II. Phân tích vấn đề trong hệ thống điều hướng pin mặt trời

Hệ thống điều hướng pin mặt trời phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật như độ chính xác cảm biến, hiệu suất động cơ và khả năng chống chịu thời tiết. Tại Việt Nam, môi trường nhiệt đới ẩm ướt đòi hỏi hệ thống phải có khả năng chống chịu tốt. Ngoài ra, chi phí sản xuất và độ tin cậy trong thời gian dài cũng là vấn đề quan trọng. Một thách thức khác là tối ưu hóa thuật toán điều khiển để giảm tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác theo dõi. Nhiều hệ thống thương mại hiện nay có giá thành cao do sử dụng công nghệ tiên tiến. Việc nghiên cứu giải pháp tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất là nhu cầu cấp thiết.

2.1. Hạn chế của hệ thống điều hướng cố định

Hệ thống pin mặt trời cố định có hiệu suất thấp do không thể điều chỉnh theo hướng ánh sáng. Theo nghiên cứu, hiệu suất có thể giảm tới 30% vào buổi sáng và chiều do góc chiếu sáng không tối ưu. Tại các tỉnh phía Bắc Việt Nam, mùa đông có góc chiếu thấp khiến hiệu suất sụt giảm nghiêm trọng. Ngoài ra, hệ thống cố định dễ bị bám bụi, giảm hiệu suất chuyển đổi. Chi phí lắp đặt thấp nhưng sản lượng điện thấp, không phù hợp với các dự án quy mô lớn.

2.2. Thách thức trong thiết kế mạch điều khiển

Thiết kế mạch điều khiển phải đảm bảo độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt. Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, dễ gây hỏng hóc linh kiện điện tử. Mạch điều khiển cần có khả năng chống nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Ngoài ra, thuật toán điều khiển phải xử lý được các tình huống bất thường như mất điện đột ngột. Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp với chi phí thấp nhưng đủ mạnh để xử lý thuật toán phức tạp là thách thức lớn.

III. Giải pháp hệ thống điều hướng pin mặt trời đề xuất

Hệ thống đề xuất sử dụng vi điều khiển Arduino Uno kết hợp cảm biến ánh sáng BH1750, động cơ bước ULN2003 và module thời gian thực DS1302. Cảm biến đo cường độ ánh sáng và gửi dữ liệu qua giao thức I2C. Vi điều khiển xử lý dữ liệu, tính toán góc điều chỉnh tối ưu dựa trên thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại. Động cơ bước điều chỉnh góc nghiêng tấm pin với độ chính xác cao. Hệ thống hoạt động tự động, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ tối ưu hóa thuật toán. Mạch điều khiển được thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp và bảo trì.

3.1. Thiết kế khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Uno với chip ATmega328P, có đủ tài nguyên để xử lý thuật toán điều khiển. Arduino nhận dữ liệu từ cảm biến BH1750 qua giao thức I2C, tính toán góc điều chỉnh dựa trên thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại. Hệ thống có khả năng lưu trữ cấu hình và hoạt động liên tục nhờ module thời gian thực DS1302. Khối điều khiển còn có chức năng giám sát trạng thái hệ thống và báo lỗi qua giao diện đơn giản.

3.2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển

Thuật toán điều khiển sử dụng phương pháp theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) để tối ưu hóa hiệu suất. Hệ thống đo cường độ ánh sáng, so sánh với giá trị tham chiếu và điều chỉnh góc nghiêng tấm pin. Thuật toán có khả năng thích ứng với điều kiện thời tiết thay đổi, đảm bảo hoạt động ổn định. Việc tối ưu hóa thuật toán giúp giảm tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn duy trì độ chính xác theo dõi cao.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của đồ án

Đồ án đã xây dựng thành công hệ thống điều hướng pin mặt trời tự động, nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng lên 25% so với hệ thống cố định. Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường thực tế tại Việt Nam, chứng minh tính khả thi của giải pháp. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống có thể điều chỉnh góc nghiêng tấm pin với độ chính xác ±2 độ, duy trì hiệu suất ổn định suốt thời gian hoạt động. Đồ án đóng góp vào lĩnh vực năng lượng tái tạo bằng cách cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí nhưng hiệu quả.

4.1. Kết quả đạt được và ưu điểm nổi bật

Hệ thống đạt hiệu suất cải thiện 25% so với phương pháp cố định, chứng minh tính hiệu quả của giải pháp. Hệ thống có khả năng hoạt động liên tục 24/7 nhờ module thời gian thực DS1302. Chi phí sản xuất thấp nhờ sử dụng linh kiện phổ biến như Arduino Uno và cảm biến BH1750. Ưu điểm nổi bật là khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt tại Việt Nam, đảm bảo độ tin cậy cao.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hệ thống có thể nâng cấp bằng cách tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán chuyển động mặt trời. Việc sử dụng cảm biến tiên tiến hơn như cảm biến bức xạ UV sẽ cải thiện độ chính xác. Ngoài ra, hệ thống có thể mở rộng để điều khiển nhiều tấm pin cùng lúc, ứng dụng trong các dự án quy mô lớn. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa thuật toán điều khiển bằng học máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Khi các nguồn năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đang ngày một cạn kiệt, việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, các nhà máy nhiệt điện gây ra ô nhiểm môi trường và thay đổi môi trường sinh thái. Trong khi đó nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phải tìm ra các nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình. Năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu.

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng. Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao. Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất.

Hệ thống pin mặt trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện bán dẫn. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng tức là hiệu suất của tấm pin mặt trời càng tăng lên. Hệ thống pin mặt trời thường được lắp cố định vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin.

Các vùng khác, hiệu suất của pin 9 h mặt trời sẽ giảm. Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời.2 Mục tiêu của đề tài: - Nâng cao hiệu suất chuyển đổi của tấm pin thông qua việc điều khiển vị trí tấm pin luôn vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới. - Thiết kế, chế tạo, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời.3 Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thống định hướng pin mặt trời nhưng do điều kiện thời gian, kinh phí có hạn đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau: - Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời dùng cho học tập và nghiên cứu. - Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước.

- Sử dụng phần mềm điều khiển trên máy tính. - Độ rọi của nguồn sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux). Kết quả nghiên cứu của đề tài: Lựa chọn phương án Trong khuôn khổ đề tài này hệ thống quang điện cho quy mô gia đình sẽ được chọn làm mô hình nghiên cứu thử nghiệm. 10 h Hình 1 Các loại mô hình 1 trục và 2 trục định hướng theo vị trí mặt trời Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa suốt thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi hệ thống có mặt thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày.

Hệ thống PV có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các giờ buổi sáng và buổi chiều. Điều đó chỉ ra rằng các dàn pin có bộ định hướng sẽ cần công suất đặt nhỏ hơn so với các dàn pin lắp cố định mà vẫn sản ra cùng mức điện năng. Thị trường hiện nay, có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng, hệ thống định hướng theo trục đơn, và hệ thống định hướng theo trục kép. Hệ thống định hướng theo một trục duy nhất sẽ định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam.

Hệ thống trục kép định hướng Đông sang phía Tây và định hướng theo phía Bắc đến phía Nam. 11 h Qua nghiên cứu các tài liệu, đánh giá ưu khuyết điểm của các hệ thống định hướng theo vị trí mặt trời trên thế giới đề tài đã phân tích để đi đến lựa chọn một phương án thiết kế chế tạo hệ thống, căn cứ phân tích như dưới đây: Hệ thống định hướng theo một trục  Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách sử dụng một trục duy nhất  Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34%  Thiết kế đơn giản, hiệu quả  Bảo dưỡng thấp  Chi phí thấp hơn so với trục kép  Giảm thấp khả năng hư hỏng Hệ thống định hướng theo hai trục  Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay  Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%  Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ  Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận bổ sung và thời gian lắp đặt  Chi phí bảo trì cao hơn  Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm khả năng hư hỏng Dựa trên những phân tích, so sánh trên đây, đề tài lựa chọn phương án hệ thống một trục quay định hướng theo vị trí mặt trời. Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo trục kép chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so với trục đơn. Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục.

12 h CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Arduino và Arduino Uno: 2.1 Giới thiệu Arduino: Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.2 Giới thiệu Arduino Uno: 2.1 Vi điều khiển: Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều 13 h khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác mà bạn đã được xem.

Bảng 1 Bảng thông số kĩ thuật Arduino Uno 14 h Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.2 Các chân nguồn Hình 2.2 Các chân arduino GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn. RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Lưu ý: Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO. 15 h Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy. mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào.

Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích. Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board. Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328.

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển. Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.3 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh được lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển.

Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader. 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến được khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây.Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.