Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều hướng pin mặt trời dùng Arduino - HUTECH

Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều hướng pin mặt trời nghiên cứu nguyên lý hoạt động, thiết kế mạch điều khiển và tối ưu hiệu suất thu năng lượng.

• 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
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. 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 tập trung nghiên cứu và triển khai giải pháp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng mặt trời thông qua cơ chế điều chỉnh hướng tấm pin theo chuyển động của mặt trời. Hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino làm trung tâm điều khiển, kết hợp cảm biến ánh sáng BH1750 để đo cường độ ánh sáng môi trường. Động cơ bước ULN2003 đảm nhiệm chức năng xoay tấm pin theo hai trục (trục đứng và trục ngang) để duy trì góc chiếu sáng tối ưu. Module thời gian thực DS1302 cung cấp dữ liệu thời gian chính xác, hỗ trợ tính toán vị trí mặt trời theo thuật toán thiên văn. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ, nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 30%.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo hệ thống điều hướng tự động cho pin mặt trời nhằm tối đa hóa sản lượng điện năng thu được. Hệ thống hướng tới hai mục tiêu cụ thể: thứ nhất, xây dựng thuật toán điều khiển theo thời gian thực kết hợp dữ liệu cảm biến để xác định vị trí mặt trời; thứ hai, triển khai mô hình vật lý hoạt động ổn định trong điều kiện ánh sáng thay đổi. Ngoài ra, đề tài còn nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế của giải pháp so với hệ thống pin mặt trời cố định truyền thống, từ đó đề xuất phương án tối ưu cho các ứng dụng dân dụng.

1.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế hệ thống điều hướng hai trục sử dụng vi điều khiển Arduino Uno, cảm biến BH1750, động cơ bước ULN2003 và module thời gian thực DS1302. Hệ thống hoạt động trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam, với phạm vi góc xoay tối đa ±90 độ theo trục đứng và ±180 độ theo trục ngang. Nghiên cứu không bao gồm các giải pháp điều khiển tiên tiến như học máy hay trí tuệ nhân tạo, tập trung vào phương pháp điều khiển phản hồi đơn giản dựa trên dữ liệu cảm biến.

II. Phân tích vấn đề hiệu suất pin mặt trời cố định

Pin mặt trời cố định thường không đạt hiệu suất tối đa do góc chiếu sáng thay đổi theo thời gian trong ngày. Vào buổi sáng hoặc chiều muộn, ánh sáng mặt trời chiếu xiên góc, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện giảm đáng kể. Theo nghiên cứu, hiệu suất pin mặt trời có thể giảm tới 40% khi góc chiếu lệch khỏi góc vuông so với bề mặt tấm pin. Hơn nữa, vị trí địa lý và mùa trong năm cũng ảnh hưởng lớn đến sản lượng điện. Tại Việt Nam, nơi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình 4-5 kWh/m²/ngày, việc điều hướng pin có thể tăng sản lượng điện lên 25-35%. Vấn đề trở nên cấp thiết khi nhu cầu năng lượng tái tạo ngày càng tăng, đòi hỏi giải pháp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.

2.1. Nguyên nhân hao phí năng lượng mặt trời

Nguyên nhân chính gây hao phí năng lượng là do góc tới của ánh sáng thay đổi liên tục trong ngày. Khi mặt trời di chuyển từ đông sang tây, góc chiếu tới bề mặt pin giảm dần, dẫn đến diện tích tiếp xúc ánh sáng giảm. Ngoài ra, hiện tượng phản xạ ánh sáng trên bề mặt tấm pin cũng góp phần làm giảm hiệu suất. Theo định luật Fresnel, phản xạ tăng khi góc tới lệch khỏi góc vuông. Bụi bẩn và điều kiện thời tiết cũng ảnh hưởng đến hiệu suất, nhưng mức độ thấp hơn so với yếu tố góc chiếu sáng.

2.2. Hệ thống điều hướng truyền thống và hạn chế

Hệ thống điều hướng pin mặt trời truyền thống thường sử dụng cơ chế theo thời gian (time-based tracking) hoặc theo cảm biến (sensor-based tracking). Cơ chế theo thời gian dựa trên thuật toán thiên văn, tính toán vị trí mặt trời theo ngày, giờ và vị trí địa lý. Cơ chế theo cảm biến sử dụng dữ liệu từ cảm biến ánh sáng để điều chỉnh hướng pin. Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều có hạn chế: cơ chế thời gian không phản ứng với điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, trong khi cơ chế cảm biến dễ bị nhiễu do ánh sáng phản xạ hoặc bóng che. Hơn nữa, chi phí lắp đặt và bảo trì cao cũng là rào cản đối với ứng dụng quy mô nhỏ.

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

Hệ thống điều hướng pin mặt trời đề xuất kết hợp hai phương pháp điều khiển: thuật toán thiên văn và điều khiển phản hồi từ cảm biến BH1750. Vi điều khiển Arduino Uno xử lý dữ liệu từ module thời gian thực DS1302 để tính toán vị trí mặt trời theo công thức thiên văn. Đồng thời, cảm biến BH1750 cung cấp dữ liệu cường độ ánh sáng theo thời gian thực, giúp hệ thống điều chỉnh hướng pin chính xác hơn. Động cơ bước ULN2003 điều khiển tấm pin xoay theo hai trục, với góc xoay tối đa ±90 độ theo trục đứng và ±180 độ theo trục ngang. Hệ thống sử dụng giao tiếp I2C giữa Arduino và cảm biến BH1750, giao tiếp nối tiếp đơn giản với DS1302, và điều khiển động cơ qua các chân PWM.

3.1. Thiết kế mạch điện tử điều khiển

Mạch điện tử bao gồm bốn khối chính: khối điều khiển trung tâm (Arduino Uno), khối cảm biến (BH1750), khối động cơ (ULN2003), và khối thời gian thực (DS1302). Arduino Uno nhận dữ liệu từ cảm biến BH1750 qua giao tiếp I2C, xử lý dữ liệu theo thuật toán điều khiển, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến động cơ bước qua driver ULN2003. Module DS1302 cung cấp dữ liệu thời gian để tính toán vị trí mặt trời. Mạch sử dụng nguồn 5V từ pin mặt trời hoặc bộ nguồn ổn áp, đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện điện áp thay đổi.

3.2. Thuật toán điều khiển tối ưu hóa hiệu suất

Thuật toán điều khiển sử dụng phương pháp kết hợp: đầu tiên, hệ thống tính toán vị trí mặt trời theo công thức thiên văn dựa trên dữ liệu thời gian thực từ DS1302. Sau đó, hệ thống so sánh dữ liệu này với dữ liệu từ cảm biến BH1750 để điều chỉnh hướng pin chính xác hơn. Thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để giảm thiểu sai số góc xoay. Hệ thống cũng tích hợp cơ chế tự động điều chỉnh theo mùa, điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin theo vị trí địa lý và mùa trong năm để tối đa hóa sản lượng điện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn hệ thống

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều hướng pin mặt trời sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến BH1750, động cơ bước ULN2003 và module thời gian thực DS1302. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống nâng cao hiệu suất thu năng lượng lên 28-32% so với pin mặt trời cố định. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, với khả năng điều chỉnh hướng pin theo thời gian thực và theo mùa. Ứng dụng của hệ thống bao gồm các trạm sạc năng lượng mặt trời di động, hệ thống điện mặt trời mái nhà, và các dự án điện mặt trời quy mô nhỏ. Hơn nữa, giải pháp có thể mở rộng cho các ứng dụng nông nghiệp, viễn thông, hoặc các hệ thống điện mặt trời độc lập.

4.1. Đánh giá kết quả đạt được

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện trung bình 18.5%, cao hơn 28% so với pin mặt trời cố định (14.5%). Hệ thống hoạt động ổn định trong 96 giờ thử nghiệm liên tục, với sai số góc xoay dưới 2 độ. Chi phí chế tạo ước tính khoảng 200 USD, thấp hơn 40% so với các hệ thống điều hướng thương mại. Hệ thống cũng chứng minh khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu, với hiệu suất vẫn đạt 12% khi cường độ ánh sáng giảm 50%.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán điều kiện thời tiết, từ đó tối ưu hóa hướng pin trước khi điều kiện thời tiết thay đổi. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng sang hệ thống điều hướng ba trục, hoặc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng để sử dụng vào ban đêm. Ứng dụng trong tương lai bao gồm các dự án điện mặt trời quy mô lớn, hệ thống điện mặt trời cho nông nghiệp thông minh, và các trạm sạc năng lượng mặt trời di động cho phương tiện giao thông.

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 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 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 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  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 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 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 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 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.4Các cổng vào/ra Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.