Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời" được thực hiện bởi sinh viên Đào Ngọc Ánh (MSSV: 12141472) và Đinh Quốc Đạt (MSSV: 12141044), dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (hoàn thành tháng 7/2016, mã số lưu trữ SKL 004345).

Bối cảnh thực tiễn được nhóm tác giả xác định xuất phát từ nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng cao phục vụ sản xuất và sinh hoạt trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, vị trí địa lý gần đường xích đạo mang lại tiềm năng bức xạ mặt trời lớn (số giờ nắng đạt khoảng 1.000 giờ/năm, tại khu vực TP.HCM lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày so với mức trung bình cả nước là 4,58 kWh/m²/ngày). Trong khi đó, hệ thống chiếu sáng công cộng (đèn đường giao thông, công viên) hiện chủ yếu tiêu thụ nguồn điện lưới quốc gia, gây tốn kém ngân sách vận hành lớn dù chỉ hoạt động vào ban đêm. Việc chuyển đổi sang nguồn năng lượng mặt trời gặp phải thách thức kỹ thuật lớn: bức xạ và nhiệt độ môi trường thay đổi liên tục trong ngày làm dịch chuyển điểm làm việc tối ưu của tấm pin quang điện (PV), đồng thời quá trình sạc ắc quy cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất nạp và tuổi thọ thiết bị.

Nhóm tác giả chỉ ra rằng các nghiên cứu trước đây (điển hình như đề tài "Thiết kế và xây dựng đèn đường thông minh" của Nguyễn Xuân Phú và Nguyễn Trường Thành tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp bộ biến đổi Buck. Cấu trúc Buck có nhược điểm cố hữu là khóa đóng ngắt nằm ở đầu vào, khiến dòng điện từ pin mặt trời bị ngắt quãng khi khóa mở, dẫn đến lãng phí đáng kể năng lượng hấp thụ. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài đề xuất giải pháp ứng dụng bộ biến đổi DC-DC topo Cuk kết hợp giải thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT) và xây dựng máy chủ web nhúng để giám sát, điều khiển hệ thống từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 4 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tận dụng tối ưu công suất của pin năng lượng mặt trời.
  2. Điều chỉnh được hướng quay của pin năng lượng mặt trời để tận dụng tối đa nguồn năng lượng bức xạ.
  3. Đảm bảo tối ưu hóa quá trình sạc cho ắc quy.
  4. Việc điều khiển tải cũng như việc cập nhật trạng thái tải và thông số hệ thống phải đáp ứng nhanh và ổn định.

Nội dung nghiên cứu bao gồm 6 nhiệm vụ:

  1. Tìm hiểu thời gian nắng và hướng lệch của mặt trời tại địa phương.
  2. Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời, phương pháp lựa chọn và các giải pháp tối ưu công suất pin.
  3. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế web server.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm.
  5. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh.
  6. Thử nghiệm và đánh giá kết quả thực hiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng và phần mềm giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng pin năng lượng mặt trời thông qua bộ biến đổi Cuk, giải thuật MPPT, cơ cấu bám nắng và máy chủ web.
  • Phạm vi không gian và địa lý: Nghiên cứu áp dụng cho điều kiện bức xạ tại TP.HCM (vĩ độ $10^\circ 10'$ đến $10^\circ 38'$ Bắc). Do góc lệch mặt trời theo trục Bắc - Nam tại địa phương cao nhất vào ngày đông chí là $33^\circ 26'$, nhóm tác giả giới hạn cơ cấu bám nắng theo 1 trục Đông - Tây nhằm tinh gọn hệ thống cơ khí.
  • Giới hạn mô hình thực nghiệm: Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm với kích thước cơ khí $20 \times 50 \times 100\text{ cm}$; tải giới hạn ở 2 trụ đèn LED với tổng cộng 6 LED 12V - 1,5W (tổng công suất 9W, quang thông 120 lm/LED).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích mạch điện tử công suất, thuật toán điều khiển tối ưu và phương pháp thực nghiệm thiết kế hệ thống nhúng:

1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

  • Mô hình pin quang điện (PV): Tế bào quang điện bán dẫn p-n chế tạo từ silicon đa tinh thể pha tạp chất (doping phốt pho tạo bán dẫn loại N và boron tạo bán dẫn loại P). Dòng điện ngõ ra tuân theo phương trình quang điện: $$I = I_{SC} - I_0\left(e^{\frac{qV}{kT}} - 1\right)$$ Điện áp hở mạch: $$V_{OC} = \frac{kT}{q}\ln\left(\frac{I_{SC}}{I_0} + 1\right)$$ Mô hình tương đương hoàn chỉnh có tính đến điện trở nối tiếp $R_s$ và điện trở song song $R_{sh}$. Dòng ngắn mạch $I_{SC}$ tỷ lệ thuận trực tiếp với cường độ bức xạ ánh sáng.
  • Giải thuật bám điểm công suất cực đại INC (Incremental Conductance): Dựa trên đặc tính đạo hàm công suất theo điện áp ($dP/dV$). Tại điểm công suất cực đại (MPP), độ dốc bằng không; độ dốc mang giá trị dương ở bên trái MPP và âm ở bên phải MPP: $$\frac{dP}{dV} = 0 \Leftrightarrow \frac{\Delta I}{\Delta V} = -\frac{I}{V} \quad (\text{tại MPP})$$ $$\frac{dP}{dV} > 0 \Leftrightarrow \frac{\Delta I}{\Delta V} > -\frac{I}{V} \quad (\text{bên trái MPP})$$ $$\frac{dP}{dV} < 0 \Leftrightarrow \frac{\Delta I}{\Delta V} < -\frac{I}{V} \quad (\text{bên phải MPP})$$ Hệ thống phối hợp trở kháng đầu vào $R_{in}$ với tải tối ưu $R_{opt} = V_{MPP} / I_{MPP}$ thông qua việc điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle $D$) của bộ biến đổi DC-DC.
  • Lý thuyết bộ biến đổi DC-DC Cuk: Bộ biến đổi đảo chiều điện áp hoạt động ở hai trạng thái đóng/mở của khóa điện tử $T$. Phương trình quan hệ điện áp và dòng điện: $$\frac{V_0}{V_s} = \frac{D}{1 - D}; \quad \frac{I_0}{I_s} = \frac{1 - D}{D}$$ Đặc tính vượt trội của mạch Cuk so với Buck/Boost là cả dòng điện ngõ vào $i_{L1}$ và ngõ ra $i_{L2}$ đều liên tục, giảm thiểu độ gợn sóng và không làm ngắt dòng cấp từ tấm pin mặt trời.
  • Lý thuyết lưu trữ ắc quy chì-axit: Phương trình hóa học phóng nạp hai chiều: $$Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$$ Mỗi ngăn ắc quy có điện áp danh định $2 - 2,2\text{V}$, bình 12V gồm 6 ngăn ghép nối tiếp (điện áp 12,75V tương ứng 100% dung lượng; 2,12V/ngăn).

2. Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp tính toán giải tích: Xác định các thông số linh kiện $L_1, L_2, C_1$, khóa đóng ngắt dựa trên yêu cầu tần số chuyển mạch $94\text{ kHz}$, độ gợn dòng cho phép $20%$, độ gợn áp $1%$.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB (bo mạch điều khiển và bo mạch công suất riêng biệt), thi công khung cơ khí mô hình, lập trình điều khiển nhúng trên bo mạch Intel Galileo và xây dựng giao diện web server.
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật chuẩn trích xuất từ datasheet của các linh kiện (Intel Galileo Gen 1/Gen 2, SoC Quark X1000, cảm biến dòng ACS712-05B, IC ghi dịch 74HC595, driver TB6560, Op-amp LM358, MOSFET IRFZ44N, Diode Schottky 1N5822); số liệu bức xạ mặt trời tại khu vực TP.HCM.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo kiến trúc tích hợp phần cứng - phần mềm nhúng:

1. Kiến trúc phần cứng hệ thống: Sơ đồ hệ thống bao gồm 11 khối chức năng kết nối liên động:

  • Khối pin mặt trời: Tiếp nhận bức xạ quang năng và chuyển thành điện năng.
  • Khối mạch sạc Cuk: Điều chỉnh điểm làm việc của pin PV theo thuật toán MPPT và cung cấp điện áp sạc cho ắc quy. Khóa đóng ngắt sử dụng MOSFET công suất IRFZ44N, van một chiều dùng Diode Schottky 1N5822 có khả năng làm việc ở tần số cao $94\text{ kHz}$.
  • Khối cảm biến dòng và áp: Sử dụng IC ACS712ELC-05B dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng ngõ vào và dòng sạc (dải đo $[-5\text{A}; +5\text{A}]$, độ nhạy tuyến tính chuyển đổi về điện áp $0 - 5\text{V}$, mức tĩnh 2,5V khi dòng bằng 0). Mạch đo áp pin mặt trời dùng cầu phân áp trở $100\text{k}\Omega$ và $22\text{k}\Omega$ (tỷ lệ suy giảm 5,5 lần) kết hợp mạch đệm khuếch đại thuật toán LM358. Do mạch Cuk có điện áp ngõ ra đảo cực tính (điện áp âm), mạch đo áp ắc quy sử dụng Op-amp LM358 được cấp nguồn đôi $\pm 5\text{V}$ để đo chính xác điện áp âm và đưa về thang $0 - 5\text{V}$ phù hợp cho bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).
  • Khối ắc quy: Lưu trữ điện năng nạp từ mạch sạc và cấp nguồn cho tải đèn khi vận hành.
  • Khối hiển thị LCD 20x4: Hiển thị 4 dòng dữ liệu về dòng điện, điện áp của pin, ắc quy và phần trăm chu kỳ xung PWM.
  • Khối mở rộng port 74HC595: IC ghi dịch chuyển đổi 8 bit dữ liệu nối tiếp sang song song, giúp tiết kiệm chân xuất tín hiệu của bộ xử lý trung tâm.
  • Khối điều khiển công suất: Thực hiện cách ly quang giữa khối xử lý và khối công suất, điều khiển đóng ngắt tải và tự động ngắt mạch sạc khi ắc quy đầy.
  • Khối tải: Gồm 6 đèn LED siêu sáng $12\text{V} - 1,5\text{W}$, chia đều cho 2 trụ đèn đường mô hình.
  • Khối điều khiển hướng pin mặt trời: Sử dụng 2 quang trở (LDR) bố trí song song hai phía Đông - Tây có vách ngăn chắn sáng ở giữa. Bộ xử lý so sánh điện áp analog từ 2 LDR và phát xung điều khiển động cơ bước 2 pha 6 dây thông qua module driver TB6560 (hỗ trợ các chế độ điều khiển full bước, half step và vi bước).
  • Khối xử lý trung tâm Intel Galileo: Bo mạch nhúng trang bị vi xử lý Intel Quark X1000 (32-bit x86, xung nhịp 400MHz, bộ nhớ đệm L1 16KB), RAM DDR3 256MB, bộ nhớ Flash SPI 8MB, IC mở rộng CY8C9540A điều khiển PWM, chip chuyển đổi ADC 12-bit 6 kênh AD7298 (độ phân giải 4096 mức) và cổng Ethernet 100Mbps.
  • Khối nguồn và truyền thông: Khối nguồn hạ áp tạo các mức điện áp $+12\text{V}, +5\text{V}, -5\text{V}$ từ điện lưới 220VAC; router kết nối cáp RJ45 truyền dữ liệu mạng; khối nút nhấn cơ học cho phép bật/tắt tải trực tiếp tại trạm khi mất kết nối mạng.
Thông số thiết kế Giá trị tính toán lý thuyết Giá trị lựa chọn thực tế
Dòng điện tải ($I$) $0,75\text{ A}$ $0,75\text{ A}$ (6 LED $12\text{V} - 1,5\text{W}$)
Công suất tiêu thụ tải ($P_t$) $9\text{ W}$ $9\text{ W}$ (2 trụ đèn, mỗi trụ 3 LED)
Điện năng tiêu thụ/ngày ($A_t$) $108\text{ Wh/ngày}$ (12 giờ hoạt động) $108\text{ Wh/ngày}$
Điện năng tấm pin cần cấp ($A_{pin}$) $140\text{ Wh/ngày}$ (hệ số an toàn 1,3) $140\text{ Wh/ngày}$
Công suất cực đại tấm pin ($W_p$) $\ge 28\text{ W}$ (chọn lý thuyết $30\text{ W}$) $20\text{ W}$ Poly Crystalline
Dung lượng ắc quy $\ge 18,75\text{ Ah}$ (chọn lý thuyết $20\text{ Ah}$) $12\text{ Ah}$ (Globe WP12-12SE 12V)
Điện áp ngõ vào mạch sạc ($V_i$) $16,5\text{ V} - 19\text{ V}$ $16,5\text{ V} - 19\text{ V}$
Điện áp ngõ ra mạch sạc ($V_o$) $13,7\text{ V} - 15\text{ V}$ $13,7\text{ V} - 15\text{ V}$
Tần số đóng ngắt ($f$) $94\text{ kHz}$ $94\text{ kHz}$
Dòng điện ngõ vào cực đại ($I_{i_max}$) $1,1\text{ A}$ $1,1\text{ A}$
Công suất định mức bộ sạc ($P$) $20\text{ W}$ $20\text{ W}$

2. Thiết kế phần mềm và giải pháp mạng:

  • Cài đặt hệ điều hành nhúng: Sử dụng hệ điều hành Linux Yocto thuộc gói Intel IoT Developer Kit (iot-devkit). Thẻ nhớ microSD (dung lượng tối thiểu 2GB) được định dạng bằng SD Formatter và ghi ảnh hệ điều hành bằng Win32DiskImager. Quản trị hệ thống từ xa thông qua giao thức SSH (cổng 22, tài khoản root) bằng PuTTY và quản lý tệp tin qua WinSCP.
  • Tầng điều khiển phần cứng: Viết chương trình bằng C/C++ tích hợp bộ thư viện MRAA để cấu hình và truy xuất các cổng vào/ra (Digital I/O, ngắt ngoài, đọc ADC 12-bit qua chip AD7298, thiết lập thanh ghi điều chế độ rộng xung PWM trên IC CY8C9540A).
  • Tầng ứng dụng Web: Máy chủ web được xây dựng trực tiếp trên nền tảng Node.js chạy trên Linux Yocto. Cấu trúc web gồm 3 phân hệ:
    • Giao diện đăng nhập (index.html): Bảo mật phiên làm việc và xác thực quyền truy cập của người quản trị.
    • Giao diện giám sát: Cập nhật trực quan các thông số thời gian thực gồm điện áp pin, dòng điện pin, công suất pin, điện áp ắc quy, dòng sạc và chu kỳ xung PWM.
    • Giao diện điều khiển: Cung cấp các nút bấm ảo cho phép bật/tắt độc lập 2 lộ đèn chiếu sáng từ xa qua mạng IP.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng sạch cho hệ thống chiếu sáng công cộng tại Việt Nam. Tác giả phân tích số liệu bức xạ tại TP.HCM (đạt $5\text{ kWh/m}^2/\text{ngày}$), đồng thời chỉ ra điểm hạn chế cốt lõi của các đề tài đi trước khi sử dụng mạch sạc Buck điều chế PWM gây thất thoát lớn năng lượng quang điện. Chương này công bố 4 mục tiêu nghiên cứu, 6 nội dung triển khai, xác định rõ các giới hạn về tải (6 LED 1,5W, tổng 9W), kích thước mô hình cơ khí ($20 \times 50 \times 100\text{ cm}$) và bố cục 6 chương của toàn văn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ nền tảng lý thuyết và linh kiện áp dụng. Trọng tâm gồm: quy trình 5 bước vận hành hệ thống; lý thuyết cấu tạo bán dẫn p-n silicon, cơ chế quang điện trong và phương trình dòng áp pin PV; phân tích góc chiếu bức xạ theo vĩ độ TP.HCM và nguyên lý định hướng tấm pin bằng 2 cảm biến quang trở; nguyên lý bám điểm cực đại MPPT bằng thuật toán gia tăng độ dẫn điện (Incremental Conductance - INC); cấu tạo, phản ứng hóa học và bảng đặc tính biến thiên điện áp theo dung lượng của ắc quy axit-chì; phân tích nguyên lý 2 giai đoạn đóng/mở khóa của bộ biến đổi Cuk và công thức giải tích liên quan; tổng quan kiến trúc phần cứng vi xử lý Intel Galileo Gen 1/Gen 2 (SoC Quark X1000 400MHz, IC CY8C9540A, chip ADC AD7298 12-bit); quy trình cài đặt hệ điều hành Linux Yocto trên thẻ nhớ microSD bằng SD Formatter, Win32DiskImager, cấu hình SSH qua PuTTY; nguyên lý hoạt động của màn hình LCD 20x4, IC ghi dịch 74HC595, động cơ bước 2 pha 6 dây điều khiển qua module TB6560 và cảm biến dòng điện Hall ACS712ELC-05B.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế phần cứng và phần mềm. Tác giả thiết kế sơ đồ khối tổng thể 11 khối chức năng; tính toán phụ tải tiêu thụ thực tế ($I = 0,75\text{A}, P_t = 9\text{W}$, điện năng tiêu thụ $108\text{Wh/ngày}$ cho 12 giờ phát sáng); tính toán công suất pin mặt trời lý thuyết cần đạt $30\text{W}$ (lựa chọn tấm pin thực tế $20\text{W}$ Poly Crystalline để tối ưu chi phí); tính toán dung lượng ắc quy lý thuyết $20\text{Ah}$ dựa trên mức xả sâu DOD = 0,6 và hiệu suất 0,8 (lựa chọn bình ắc quy Globe WP12-12SE 12V - 12Ah); tính toán thông số mạch sạc Cuk ($V_i = 16,5 - 19\text{V}, V_o = 13,7 - 15\text{V}, f = 94\text{kHz}$, cuộn cảm $L_1, L_2$, tụ $C_1$, khóa MOSFET IRFZ44N và Diode Schottky 1N5822); thiết kế mạch phân áp và mạch đo áp dùng Op-amp LM358 nguồn đôi $\pm 5\text{V}$; thiết kế mạch mở rộng giao tiếp LCD qua IC 74HC595; thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch và xây dựng giao diện các trang web (đăng nhập, giám sát, điều khiển).

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng, đóng gói và lập trình điều khiển. Tác giả tiến hành thiết kế và gia công 2 bo mạch in PCB độc lập (bo điều khiển và bo công suất); hàn lắp linh kiện mặt trên, mặt dưới; đóng gói hộp điều khiển kỹ thuật và lắp ráp hoàn thiện mô hình cơ khí tổng thể kích thước $20 \times 50 \times 100\text{ cm}$. Về mặt phần mềm, chương này chi tiết hóa hệ thống lưu đồ thuật toán: lưu đồ hoạt động hệ thống tổng quát, lưu đồ hoạt động phía Linux, lưu đồ định thời đọc giá trị analog và điều khiển tải, lưu đồ chương trình điều khiển động cơ bước, lưu đồ thuật toán MPPT_INC, lưu đồ xuất dữ liệu nối tiếp qua IC 74HC595 và lưu đồ chương trình con setPwm. Đồng thời, chương 4 hướng dẫn chi tiết quy trình cấu hình gói hỗ trợ trên Arduino IDE, lập trình Node.js, đấu nối dây dẫn và tài liệu quy trình vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm sau khi chế tạo và thử nghiệm mô hình: bo mạch điều khiển và bo mạch công suất vận hành ổn định, không phát sinh xung nhiễu quá mức; màn hình LCD 20x4 hiển thị chính xác các thông số đo lường; cơ cấu quang trở kết hợp động cơ bước xoay tấm pin bám chính xác theo nguồn sáng mặt trời; máy chủ web Node.js phản hồi tốt, giao diện web đăng nhập bảo mật và hiển thị thông số dòng điện, điện áp, trạng thái đóng cắt tải theo thời gian thực; nút nhấn cơ học tại chỗ hoạt động tin cậy song song với lệnh điều khiển qua mạng. Tác giả đối chiếu kết quả với 4 mục tiêu ban đầu và đưa ra nhận xét đánh giá khách quan về hiệu năng toàn hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được: hoàn thành việc thiết kế và thi công mô hình chiếu sáng công cộng độc lập dùng năng lượng mặt trời; ứng dụng thành công bộ biến đổi Cuk kết hợp giải thuật MPPT INC để tối ưu quá trình sạc ắc quy; làm chủ công nghệ lập trình nhúng Linux Yocto và Web Server Node.js trên kit vi xử lý Intel Galileo. Chương này cũng nêu rõ các giới hạn còn tồn tại và đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật nhằm nâng cao tính ứng dụng thực tiễn của đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thử nghiệm vật lý với kích thước cơ khí $20 \times 50 \times 100\text{ cm}$, bao gồm 2 trụ đèn LED chiếu sáng (tổng công suất 9W, 6 bóng LED 12V - 1,5W, quang thông 120 lm/LED).
  • Mạch sạc Cuk vận hành ổn định tại tần số chuyển mạch $94\text{ kHz}$, xử lý thành công dải điện áp ngõ vào từ tấm pin $16,5\text{V} - 19\text{V}$, điện áp sạc ngõ ra cho ắc quy $13,7\text{V} - 15\text{V}$, đáp ứng mức công suất cực đại $20\text{W}$.
  • Mạch đo lường cảm biến dòng điện Hall ACS712ELC-05B và mạch đo điện áp sử dụng Op-amp LM358 nguồn đôi $\pm 5\text{V}$ quy đổi chính xác các giá trị dòng/áp âm và dương về dải tín hiệu $0 - 5\text{V}$, được chuyển đổi bởi bộ ADC 12-bit (4096 mức lượng tử hóa) của chip AD7298.
  • Xây dựng thành công cơ cấu bám nắng 1 trục Đông - Tây điều khiển động cơ bước 2 pha 6 dây qua driver TB6560, tự động cân bằng điện áp 2 cảm biến quang trở LDR khi có sự chênh lệch bức xạ.
  • Tối ưu hóa số chân GPIO của kit Intel Galileo bằng việc điều khiển màn hình LCD 20x4 chỉ qua 3 đường tín hiệu nối tiếp thông qua IC ghi dịch 8 bit 74HC595.
  • Thiết lập hoàn chỉnh máy chủ web nhúng bằng Node.js trên nền tảng Linux Yocto của kit Intel Galileo, cho phép người dùng đăng nhập, giám sát trực quan các thông số thời gian thực và điều khiển bật/tắt 2 lộ tải đèn từ xa qua mạng LAN/Internet bên cạnh hệ thống nút nhấn cơ học tại chỗ.

2. Đóng góp so với nghiên cứu trước (tác giả tự nêu):

  • Khắc phục triệt để nhược điểm của các nghiên cứu trước đó (tiêu biểu là đồ án của Nguyễn Xuân Phú và Nguyễn Trường Thành) vốn sử dụng mạch hạ áp Buck khiến dòng điện từ pin PV bị gián đoạn mỗi khi khóa đóng ngắt mở, gây tổn thất lớn nguồn quang năng.
  • Việc kết hợp bộ biến đổi DC-DC kiểu Cuk với thuật toán gia tăng độ dẫn điện (INC) đảm bảo dòng điện ngõ vào luôn liên tục, giúp tấm pin mặt trời luôn vận hành tại điểm cực đại MPP dưới mọi điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi, nâng cao hiệu suất sạc cho ắc quy.
  • Tích hợp thành công máy chủ web trực tiếp trên phần cứng vi xử lý Intel Galileo chạy hệ điều hành Linux nhúng, loại bỏ nhu cầu sử dụng máy tính trung gian cồng kềnh, tạo thành một hệ thống IoT chiếu sáng công cộng độc lập và khép kín.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài:

  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm, chưa được lắp đặt và kiểm chứng độ bền trong môi trường vận hành thực tế ngoài trời với các tác động khắc nghiệt của thời tiết.
  • Công suất hệ thống còn nhỏ: mô hình chỉ đáp ứng tải 2 trụ đèn LED công suất 9W; trong khi để đáp ứng tiêu chuẩn chiếu sáng đường phố công cộng thực tế, quang thông mỗi trụ yêu cầu tối thiểu 3000 lm (tương đương 25 LED 1,5W cho mỗi trụ, công suất hệ thống thực tế phải tăng tối thiểu gấp 4 lần so với mô hình).
  • Để tiết kiệm chi phí, các linh kiện thực tế được chọn có công suất thấp hơn yêu cầu tính toán lý thuyết (pin PV chọn loại $20\text{W}$ thay vì $\ge 30\text{W}$, ắc quy chọn loại $12\text{Ah}$ thay vì $\ge 20\text{Ah}$).
  • Cơ cấu cơ khí mới chỉ bám theo 1 trục Đông - Tây; việc bỏ qua trục Bắc - Nam dựa trên giả định góc lệch vĩ độ tại TP.HCM có thể làm giảm hiệu suất thu bức xạ nếu áp dụng ở các địa phương khác có vĩ độ cao hơn.

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nâng cấp công suất của bộ biến đổi Cuk, mở rộng dàn pin quang điện và tăng dung lượng hệ thống ắc quy để đáp ứng đúng quy chuẩn quang thông chiếu sáng công cộng thực tế.
  • Hoàn thiện cơ cấu bám hướng mặt trời 2 trục (Đông - Tây và Bắc - Nam) nhằm tối đa hóa khả năng hấp thụ quang năng tại mọi vĩ độ và mọi thời điểm trong năm.
  • Mở rộng chức năng phần mềm: lưu trữ dữ liệu lịch sử vận hành trên cơ sở dữ liệu đám mây, tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo để dự báo sản lượng bức xạ và tự động điều tiết công suất chiếu sáng theo mật độ giao thông.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử và Năng lượng tái tạo đang thực hiện các đề tài liên quan đến pin quang điện, mạch điện tử công suất hoặc hệ thống IoT giám sát công nghiệp.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:
    • Phương pháp tính toán giải tích chi tiết bộ biến đổi DC-DC kiểu Cuk và thuật toán bám điểm công suất cực đại Incremental Conductance (Chương 2 và Chương 3).
    • Thiết kế mạch đo lường điện áp âm đảo cực của mạch Cuk sử dụng Op-amp LM358 nguồn đôi $\pm 5\text{V}$ và kỹ thuật mở rộng ngõ ra cho LCD qua IC ghi dịch 74HC595 (Chương 3).
    • Quy trình từng bước cài đặt, cấu hình hệ điều hành nhúng Linux Yocto trên vi xử lý Intel Quark X1000, kỹ thuật lập trình thư viện MRAA và xây dựng Web Server bằng Node.js trực tiếp trên kit nhúng (Chương 2 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn mạch biến đổi DC-DC kiểu Cuk thay vì mạch Buck như các nghiên cứu trước đó?
Trả lời: Mạch Buck có khóa đóng ngắt nằm nối tiếp ngay ở đầu vào, do đó khi khóa mở, dòng điện từ tấm pin mặt trời bị ngắt hoàn toàn, gây lãng phí năng lượng thu nhận trong thời gian dài. Mạch Cuk có khóa đóng ngắt không nằm ở đầu vào mà nối đất, kết hợp với cuộn cảm ở cả đầu vào và đầu ra ($L_1, L_2$) cùng tụ điện cách ly ($C_1$), giúp dòng điện từ tấm pin mặt trời và dòng nạp vào ắc quy luôn liên tục, giảm thiểu độ gợn sóng và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải năng lượng.

2. Giải thuật MPPT Incremental Conductance (INC) hoạt động dựa trên nguyên lý nào và điều kiện xác định điểm MPP là gì?
Trả lời: Thuật toán INC dựa trên việc khảo sát đạo hàm của công suất theo điện áp ($dP/dV$). Tại điểm công suất cực đại (MPP), độ dốc của đường đặc tính $P-V$ bằng không ($dP/dV = 0$), tương đương với điều kiện độ dẫn vi phân bằng giá trị đối của độ dẫn tức thời: $\Delta I / \Delta V = -I / V$. Nếu $\Delta I / \Delta V > -I / V$, điểm làm việc nằm ở bên trái MPP (cần tăng điện áp); nếu $\Delta I / \Delta V < -I / V$, điểm làm việc nằm ở bên phải MPP (cần giảm điện áp).

3. Tại sao hệ thống chỉ điều chỉnh góc quay tấm pin theo trục Đông - Tây mà không điều chỉnh theo trục Bắc - Nam?
Trả lời: Đề tài được tính toán cho vị trí địa lý tại TP.HCM (vĩ độ $10^\circ 10'$ đến $10^\circ 38'$ Bắc). Nhóm tác giả phân tích rằng góc lệch theo hướng Bắc - Nam của mặt trời so với địa phương cao nhất vào ngày đông chí chỉ là $33^\circ 26'$. Để tinh gọn cơ cấu cơ khí, giảm thiểu điện năng tiêu thụ cho động cơ chấp hành và tiết kiệm chi phí thi công, việc điều khiển quay theo trục Bắc - Nam được nhóm đánh giá là không thực sự cấp thiết đối với quy mô mô hình.

4. Bo mạch nhúng Intel Galileo đảm nhiệm những vai trò kỹ thuật nào trong hệ thống?
Trả lời: Intel Galileo (trang bị SoC Intel Quark X1000 400MHz, RAM 256MB) đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm và máy chủ của hệ thống. Kit chạy hệ điều hành Linux Yocto cài trên thẻ microSD. Galileo thực hiện đọc các tín hiệu analog đo dòng, áp và cảm biến quang trở qua chip ADC 12-bit AD7298; thực thi thuật toán MPPT_INC để điều khiển xung PWM qua IC CY8C9540A; xuất dữ liệu điều khiển động cơ bước TB6560 và màn hình LCD qua IC 74HC595; đồng thời chạy môi trường Node.js làm Web Server cho phép người dùng đăng nhập, giám sát thông số và điều khiển bật/tắt tải từ xa qua cổng mạng Ethernet RJ45.

5. Có sự chênh lệch nào giữa thông số tính toán lý thuyết và linh kiện lựa chọn thực tế của tấm pin mặt trời và ắc quy?
Trả lời: Theo tính toán lý thuyết với phụ tải tiêu thụ $108\text{ Wh/ngày}$, hệ số an toàn 1,3 và lượng bức xạ tại TP.HCM là $5\text{ kWh/m}^2/\text{ngày}$, công suất tấm pin PV cần tối thiểu là $28\text{ W} \approx 30\text{ W}$ và dung lượng ắc quy cần tối thiểu là $18,75\text{ Ah} \approx 20\text{ Ah}$ (với hiệu suất 0,8 và mức xả sâu DOD = 0,6). Tuy nhiên, trên mô hình thực nghiệm, nhằm mục đích tiết kiệm chi phí nghiên cứu, nhóm tác giả đã lựa chọn tấm pin Poly Crystalline công suất $20\text{ W}$ và bình ắc quy Globe WP12-12SE có dung lượng 12V - 12Ah.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của Đào Ngọc Ánh và Đinh Quốc Đạt đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng năng lượng mặt trời. Đề tài giải quyết hiệu quả bài toán tối ưu năng lượng nhờ ứng dụng bộ biến đổi DC-DC kiểu Cuk kết hợp giải thuật bám điểm cực đại INC và cơ cấu tự động xoay pin bám nắng theo trục Đông - Tây. Việc tích hợp thành công máy chủ web trên nền tảng vi xử lý Intel Galileo chạy Linux Yocto và Node.js đã mang lại khả năng giám sát thông số đo lường và điều khiển phụ tải từ xa qua mạng ổn định, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng tái tạo và chiếu sáng thông minh.